Приложение А (справочное). Единицы измерения и масштабирование пороговых значений разрушения, вызванного лазерным излучением

Приложение А
(справочное)

Единицы измерения и масштабирование пороговых значений разрушения, вызванного лазерным излучением

А.1 Общие сведения

Целью этого приложения является информирование пользователя о потенциальных опасностях при масштабировании результатов измерения значения ПЛР при применении к различным условиям.

Без учета условий окружающей среды лазерное разрушение - это функция свойств материалов и параметров лазера, в частности длины волны, размера пятна и продолжительности излучения. В зависимости от свойств компонентов масштабирование разделяется на три группы.

Для импульсного лазерного облучения в диэлектриках значение ПЛР связано с диэлектрическим пробоем. Значение ПЛР в этом случае, как правило, регистрируют в ваттах на квадратный сантиметр (Вт/см²). Если диэлектрический пробой является доминирующим механизмом, существуют четыре режима, при соблюдении которых правила масштабирования относительно длительности импульса отличаются. В этом случае значение ПЛР должно быть указано вместе со значениями длины волны, размера пятна и длительности импульса.

В разрушении при длительности лазерных импульсов в фемтосекундном диапазоне преобладают механизмы взаимодействия лазерного излучения с электронами в материале. Разрушение происходит, когда плотность электронов, которые генерируются в зоне проводимости ударной ионизацией и многофотонными процессами, превышает 10²¹ электронов/см³. Значение ПЛР определяют показателями энергии свободного электрона используемых материалов и локальной напряженностью электрического поля. При представлении пороговых значений в качестве единиц измерения используют джоули на квадратный сантиметр (Дж/см²).

Для поглощающих и полупрозрачных материалов и покрытий, когда лазерные импульсы коротки относительно времени термодиффузии, ПЛР обусловлен уровнем плотности энергии, выраженным в джоулях на квадратный сантиметр (Дж/см²). Когда эти материалы подвергаются более длительным импульсам, возникает значительный поток тепла, исходящий от области вблизи лазерного пятна; ключевым параметром в этом случае является пиковая мощность, выраженная в ваттах (Вт).

Для очень длительных импульсов или непрерывного излучения для всех материалов значение ПЛР преимущественно выражено теплотой, при этом используется линейная шкала плотности мощности, единицы измерения которой представлены ваттами на сантиметр (Вт/см).

А.2 Пример масштабирования

В этом разделе перечислены ошибки неправильного масштабирования и его потенциальные опасности. В данном конкретном случае речь идет о зеркальной плоскости из бериллия (Be). При диаметре пятна 0,33 мм максимальная безопасная рабочая мощность (мощность для работы при непрерывной волне или средняя мощность для повторной работы с длинными импульсами) считается равной 56 Вт. Если это значение масштабируется с использованием плотности мощности в качестве переменной до диаметра пучка, равного 5 мм, безопасная рабочая мощность составляет 12,76 кВт. Когда ПЛР масштабируется с точки зрения линейной плотности мощности, безопасная рабочая мощность по расчетам составляет 0,85 кВт. Оценка безопасной рабочей мощности, полученной путем масштабирования плотности мощности, в 15 раз превышает оценку, полученную при масштабировании линейной плотности мощности. Если зеркальная плоскость из бериллия подвергалась воздействию лазера с диаметром пятна 5 мм и 12,76 кВт, то она расплавится и станет угрозой для здоровья.