РЕГИСТРАЦИЯ ДИНАМИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ ЛАЗЕРНОГО ТЕРМОУПРОЧНЕНИЯ ПОВЕРХНОСТИ ИЗДЕЛИЙ В РЕАЛЬНОМ МАСШТАБЕ ВРЕМЕНИ В УСЛОВИЯХ ЗАСВЕТКИ ОТ ЛАЗЕРНОГО ФАКЕЛА ПРИ ПЕРЕДАЧЕ ОПТИЧЕСКОГО ИЗОБРАЖЕНИЯ ЧЕРЕЗ ОПТИЧЕСКИЙ ЖГУТ С ПОМОЩЬЮ ЛАЗЕРНОГО УСИЛИТЕЛЯ ЯРКОСТИ

В статье рассматривались модельные/тестовые эксперименты по лазерному термоупрочнению с регистрацией динамики модификации поверхности материала в реальном масштабе времени с использованием лазерного проекционного микроскопа (монитора) в геометрии «pump-probe». Упрочнение материалов с помощью лазерного излучения, а также размерная обработка по сравнению с традиционными методами намного экологичнее, так как происходит очень быстро, почти без выбросов вредных веществ. А возможность наблюдения поверхности в момент процесса упрочнения позволяет улучшать качество обрабатываемых изделий. С помощью лазерного проекционного микроскопа можно выявить момент появления переходной области, возникающей при взаимодействии лазерного излучения с веществом, проследить за динамикой ее расширения, регистрировать возникновение теплового фронта, фронта плавления, окисных фронтов, что является актуальным при процессах термообработки. Важность и эффективность методов диагностики с использованием лазерного проекционного микроскопа для изучения различных динамических процессов при взаимодействии лазерного излучения с веществом подтверждается большим числом публикаций. В данной работе проведена модернизация лазерного проекционного микроскопа с включением в зондирующий канал оптического жгута. Выявлены базовые физические принципы работы полученной системы и возникающие при этом проблемы, а также перспективы их преодоления в различных условиях конкретных процессов лазерного термоупрочнения, в том числе, с помощью компьютерной симуляции для поиска оптимальных оптических схем и режимов. Обсуждались проблемы с глубиной резкости для получаемого изображения через оптическое волокно/оптический жгут при регистрации таких динамических процессов и способы их решения путем выбора соответствующей оптической схемы. Анализ проводился и на основе компьютерного моделирования. Эти вопросы важны при реализации различных режимов термоупрочнения в экспериментах с однопучковым и многопучковым излучением силового лазера, воздействующим на объект при соответствующей настройке лазерного монитора в зондирующем канале.

1. Rabinovitz, P. Super-radiant illuminator projector / P. Rabinovitz, R. Chimenti // JOSA. – 1970. – No. 60. – P. 1577–1778.

2. Земсков, К.И. Лазерный проекционный микроскоп [Текст] / К.И. Земсков [и др.] // Квантовая электроника. – 1974. – №1. – С. 14–15.

3. Аракелян, С.М. Введение в фемтонанофотонику. Фундаментальные основы и лазерные методы управляемого получения и диагностики наноструктурированных материалов / С.М. Аракелян [и др.] – М.: Логос, 2015. – 744 с.

4. Prokoshev, V.G. Real time diagnostics of the laser-induced thermochemical processes and nonlinear images on the surface of materials: experiment and mathematical modeling [Text] / V.G. Prokoshev [et al.] // Laser Physics. – 2001. – Vol. 11. – No.11. – P. 1167.

5. Абрамов, Д.В. Лазерная диагностика эволюции поверхности углерода под воздействием мощных лазерных импульсов [Текст] / Д.В. Абрамов [и др.] // Приборы и техника эксперимента. – 2006. - № 2. – С. 1–7.

6. Абрамов, Д.В. Визуализация и восстановление рельефа области лазерного воздействия на поверхность графита [Текст] / Д.В. Абрамов [и др.] // Известия РАН, сер.физ. – 2006. – № 3. – С. 423–426.

7. Zharenova, S.V. Visualization of interaction of laser radiation with a surface of glassy carbon and pirographite by means of the laser monitor / S.V. Zharenova, E.L. Shamanskaya // Third Russian-French Laser Symposium. The thesis’s of the reports. St. Petersburg, 22–27 September. – 2008.

8. Абрамов, Д.В. Визуализация с помощью лазерного монитора взаимодействия лазерного излучения с поверхностью стекло- и пироуглерода [Текст] / Д.В. Абрамов [и др.] // Известия Томского политехнического университета. – 2008. – Т. 312. – № 2. Математика и механика. Физика. – С. 97–101.

9. Жаренова, С.В. Визуализация взаимодействия лазерного излучения с поверхностью углеродосодержащих материалов [Текст] / С.В. Жаренова, Е.Л. Шаманская // Успехи современного естествознания. – 2008. – № 8. – С. 50.

10. Абрамов, Д.В. Плавление углерода, нагреваемого сконцентрированным лазерным излучением в воздухе при атмосферном давлении и температуре, не превышающей 4000 К [Текст] / Д.В. Абрамов [и др.] // Письма в ЖЭТФ. – 2006. – Т. 84. – № 5. – С. 315–319.

11. Прокошев, В.Г. Нестационарные лазерные термохимические процессы на поверхности металлов и их визуализация при помощи лазерного усилителя яркости [Текст] / В.Г. Прокошев [и др.] // Квантовая электроника. – 1998. – Т. 25. – № 4. – С. 337–340.

12. Abramov, D.V. A Laser-Induced Process on the Surface of a Substance and Their Laser Diagnostics in Real Time [Text] / D.V. Abramov [et al.] // Laser Physics. – 2005. – Vol. 15. – No. 9. – P. 1313–1318.

13. Багаев, С.Н. Гидродинамика расплава поверхности металла при лазерном воздействии; наблюдение смены режимов в реальном времени [Текст] / С.Н. Багаев [и др.] // Доклады Академии наук (ДАН). – 2004. – Т. 395. – № 2. – С. 183–186.

14. Абрамов, Д.В. Реконструкция рельефа поверхности области лазерного воздействия на основе обработки оптических изображений полученных при помощи лазерного монитора [Текст] / Д.В. Абрамов [и др.] // Оптический журнал. – 2007. – Т. 74. – № 8. – Р. 73–77.

15. Prokoshev, V.G. Diagnostic of laser modification of a graphite surface / V.G. Prokoshev [et al.] // Materials of international conference “Laser Matter Interaction-XI”. – 30.06.03-04.07.03. – Pushkin, Russia. – P. 26.

16. Prokoshev, V.G. Diagnostic system on basis of laser brightness amplifier for monitoring and controlling the laser technological processes [Text] / V.G. Prokoshev [et al.] // Proceedings of SPIE. – 2002. – Vol. 4644. – P. 168–175.

17. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов / под ред. В.М. Батенина. – М.: Физматлит, 2009. – 544с.

18. Лазеры на самоограниченных переходах атомов металлов / под ред. В.М. Батенина. – М.: Физматлит, 2011. – Т. 2. – 616 с.

19. Пат. 2162616 C1 Российская Федерация, МПКG02B21 25/00, 27/28 Штамм Микроскопы G01B 9/04, G01N 1/06, G01N 13/10; G12B 21/00 – лазерный проекционный микроскоп / Батенин В.М., Климовский И.И., Калинин С.В., Галкин А.Ф., Данилов С.Ю., Прокошев В.Г., Абрамов Д.В., Аракелян С.М.; заявители и патентообладатели Батенин В.М., Климовский И.И., Калинин С.В., Галкин А.Ф., Данилов С.Ю., Прокошев В.Г., Абрамов Д.В., Аракелян С.М. - № 9810644510; заявл.27.02.00; опубл. 2001/02/27, 2 с: 2 ил.

20. Пат. 98111965A Российская Федерация МПК G02B21/00 Штамм Микроскопы G01N 1/06, G01N 13/10; G12B 21/00 - микроскоп с усилителем яркости / Прокошев В.Г., Климовский И.И., Абрамов Д.В., Тараненко М.А., Аракелян С.М.; заявители и патентообладатели Прокошев В.Г., Климовский И.И., Абрамов Д.В., Тараненко М.А., Аракелян С.М. - № 98111965; заявл.17.06.98; опубл. 2000/03/10, 2 с: 1 ил.

21. Пат. 2144204 C1 Российская Федерация МПК G02B21/00 (2006.01) Штамм Микроскопы G01B 9/04, G01N 1/06, G01N 13/10; G12B 21/00 - лазерный проекционный микроскоп / Прокошев В.Г., Климовский И.И., Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Галкин А.Ф., Григорьев А.В.; заявители и патентообладатели Прокошев В.Г., Климовский И.И., Абрамов Д.В., Аракелян С.М., Галкин А.Ф., Григорьев А.В. - № 96122043. заявл.20.01.99; опубл. 2000/01/10, 2 с: 1 ил

22. Земсков, К.И. В сб. Оптические системы с усилителями яркости / К.И. Земсков, М.А. Казарян, Г.Г. Петраш // Труды ФИАН. – М., Наука. – 1991. – Т. 206. – С. 3–62.

23. Земсков, К.И. В сб. Оптические системы с усилителями яркости / К.И. Земсков [и др.] // Труды ФИАН. – М., Наука, 1991. – 206. - С. 63–100.

24. Кузнецова, Т.И. В сб. Оптические системы с усилителями яркости / Т.И. Кузнецова, Д.Ю. Кузнецов // Труды ФИАН. – М., Наука. – 1991. – 206. С. 101–115.

25. Васильев, Ю.П. В сб. Оптические системы с усилителями яркости / Ю.П. Васильев [и др.] // Труды ФИАН. – М., Наука. – 1991. – 206. – С. 136–148.

26. Александров, В.О. Новые технологические волноводные СО2-лазеры килловаттного уровня мощности с высоким качеством излучения [Электронный ресурс] / В.О. Александров [и др.] // Научно-технический «Оптический журнал». – 2014. – № 4 (81). – Режим доступа: http://www.technolaser.ru/russian/history.html – (Дата обращения: 14.03.2018).

27. Голубев, В.С. Анализ моделей динамики глубокого проплавления материалов лазерным излучением [Текст] / В.С. Голубев // Препринт ИПЛИТ РАН. – 1999. – № 83. – 161 с.

28. Ринкевичюс, Б.С. Лазерная диагностика потоков (Lazernaja diagnostika potokov) / Б.С. Ринкевичюс. – М.: Издательство МЭИ, 1990. – 288 с.

29. Аракелян, С.М. Определение яркостной температуры плавления стеклоуглерода [Текст] / С.М. Аракелян [и др.] // Динамика сложных систем. – 2015. – Т. 9. – №1. – С. 48–50.

30. Жгуты для передачи изображения Лыткаринского завода оптического стекла [Электронный ресурс]. – Режим доступа: http://lzos.ru/content/view/23/43/ – (Дата обращения: 14.03.2018).

31. Евтушенко, Г.С. Cкоростные усилители яркости на индуцированных переходах в парах металлов / Г.С. Евтушенко [и др.]. – Томск: STT. – 2016. – 245 с.