一种实时检测激光损伤非透明材料的应力的装置与方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种实时检测激光损伤非透明材料的应力的装置与方法，属于激光应 用技术领域。
【背景技术】
[0002] 激光作用材料过程中，材料吸收激光能量导致温度升高，进而在激光作用材料区 域及其附近形成温度梯度和热应力应变。目前，材料中残余应力检测无损方法主要是X射线 衍射法、中子衍射法、磁性法、超声法以及压痕应变法等。射线法理论完善，但因有射线伤害 和仅能测定表面应力使其应用受到很大限制;磁性法根据铁磁体磁饱和过程中应力与磁化 曲线之间的变化关系进行测定，在一定范围内适用;压痕应变法采用电阻应变片作为测量 用敏感元件，在应变中心部位采用冲击加载制造压痕以代替钻孔，通过应变仪记录压痕区 外弹性区应变增量的变化，从而获得对应于残余应力大小的真实弹性应变，求出残余应力 的大小。但是，射线法直接对待损伤材料表面造成伤害;而铁磁体需装到材料表面才能测量 到激光作用表面浅层应力，会遮挡了激光光路;压痕应变法需要紧贴在材料背面，当激光作 用过程中材料表面应变太小，导致测量误差大。同时，这些方法很难快速响应亚ms量级以上 的应力应变演化。因此，满足不了激光作用材料过程中应力应变演化过程的测量。
[0003] 光学干涉计量在材料微小形变检测、光学介质的折射率测量以及光学波前检测等 方面有着广泛应用，如利用干涉仪检测光学加工中镜面平行度和粗糙度等。它们通常利用 光线穿透介质，计算光程差获得该透明介质的内部结构和表面结构信息;但是，没有利用干 涉仪检测表面微结构变化引起反射光线的光程变化，获得内部应力导致的表面结构变化及 其表面结构本身变化的信息。
【发明内容】
[0004] 为了解决已有技术存在的问题，本发明提供了一种实时检测激光损伤非透明材料 的应力的装置与方法，实现非透明目标在线应力的测试。针对大功率固体激光器与非透明 介质的相互作用，采用马赫-曾德尔干涉的方法，得到非透明介质损伤的干涉条纹;计算应 变和应力值。
[0005] 本发明提供的一种实时检测激光损伤非透明材料的应力的装置包括窄线宽半导 体激光器，第一分光镜，参考目标物，第二分光镜，第一凸透镜，干涉滤光片，高速相机，计算 机，DG535脉冲触发器，固体脉冲激光器，能量调节系统，第二凸透镜;所述的第一分光镜、 第二分光镜相同，均为对45°入射的窄线宽半导体激光半反半透的分光镜，大功率固体激光 器为激光光源，窄线宽半导体激光器为干涉光源，能量调节系统为一对损伤阈值大于 500MW/cm 2的格兰激光棱镜，外套一个光垃圾圆筒防止垂直光路方向的激光逃逸危险，其中 的第一个棱镜将激光调制为水平方向线偏振，其中的第二个棱镜偏振轴可在光束横截面内 旋转，以便激光强度可连续衰减;DG535脉冲触发器与高速相机连接，DG535脉冲触发器用于 接收大功率固体激光器发出的高能量脉冲激光预发射时间信号，给高速相机发出与大功率 固体激光器发射激光同步的工作指令，高速相机接收到干涉光源形成的干涉信息后转移到 计算机进行处理，计算机中存储和运行计算光程差、应力值的软件程序、描绘应力演变过程 的变化曲线的商用origin软件程序； 特别要强调的是:所述的参考目标物作为反射镜使用，而且，参考目标物和目标物相 同，两者分别用可调式底片固定架装卸，该固定架的一边位置固定，另一边可调，两个目标 物前表面均用限位钉限制位置，方便参考目标物和目标物的装卸，且保证等光程； 所述的窄线宽半导体激光器发出的激光通过第一分光镜分光，其中的第一路光作为参 考臂光，其中的第二路光作为测量臂光，参考臂光反射到参考目标物，再反射到第二分光镜 并再次被反射到第一凸透镜； 固体脉冲激光器发出的激光经过能量调节系统和第二凸透镜汇聚，照射到目标物上， 同时，测量臂光也照射到目标物表面上，并被目标物的表面反射，再经第二分光镜透射，测 量臂光和参考臂光同时经第一凸透镜聚集，再经干涉滤光片，干涉滤光片滤除固体脉冲激 光器发射的激光在此光路上形成的干扰光，最后在高速相机位置形成清晰的干涉图，最后 所有数据汇总到计算机上处理并保存;所述的高速相机与固体脉冲激光器同步触发。
[0006] 所以用参考目标物作参考目标，是为了使所述的参考臂光和测量臂光等光强。这 是本发明的技术方案中至关重要的一点； 所述的窄线宽半导体激光器的波长优选为532nm，线宽小于或等于0.7 nm，高速相机的 帧频等于或大于10000帧/s，每lms脉冲可以采集10帧激光实时作用产生的干涉条纹，可以 形成瞬态探测与记录，由于应变在激光停止作用后仍然有演化，因此高速相机继续探测，直 至恢复到初始时刻的干涉条纹形式。
[0007] 本发明提供的一种实时检测激光损伤非透明材料的应力的方法，步骤和条件如 下： (1) 制备一对厚度为0.4mm,边长为12mm的单晶娃样品，分别为目标物和参考目标物，可 保持实验目标与参考目标有相同的反射率以及光强。要求表面光滑，表面粗糙度不大于〇. 4 ym，分别安装到可调式底片固定架上； (2) 打开计算机和高速相机，设置高速相机的自动采集，在计算机显示屏上显示其灰度 界面； (3) 开启窄线宽半导体激光器，调节电流值，以便高速相机探测到清晰的干涉图； (4) 固体脉冲激光器分别采用的脉宽为lms，能量分别为1J，通过干涉条纹的变化可知 不同能量不同脉宽的应力的大小； (5) 设置高速相机的触发方式为外触发； (6) 打开DG535脉冲触发器，设置固体脉冲激光器预触发时间和高速相机的触发脉冲延 迟时间； (7) 打开固体脉冲激光器的辐射激光按钮，激光在1 s钟后辐射，同时，高速相机接收一 个激光脉冲内的干涉演变图像； 通过对高速相机上每一帧干涉条纹的变化，用计算机处理，对高速相机上每一帧干涉 条纹带入公式
及公式
计算得出非透明介质的光程差。
[0008] 公式（1)适合于出现大的熔融区时的等厚干涉条纹在激光损伤材质表面过程中， 未出现大的熔融区时以公式（1)进行计算，公式（1)中N为这条曲线越过的条纹整数，为这条 曲线越过的条纹小数。
[0009] 公式(2)适合于等倾干涉条纹，公式(2)中为入射角，d为厚度，k为干涉条纹级序， 为波长。
[0010] 对中心点，为计算简便考虑光程差投影在x，y方向相等的情况，直角坐标系1、7和2 三方向的应变值为：
利用广义胡克(Hooke)定律，硅晶体是金刚石结构，根据晶体物理学相关知识，利用金 刚石结构的对称关系，当选择三个坐标轴X，y，Z方向与晶体的[100]，[010]，[001 ]方向一致 时，单晶硅任意一点的应力和应变之间满足的本构方程可以写成如下形式，
其中、、分别为x、y、z方向上的应力值，为应变，C11、C12、C44为弹性系数，C11 = 165.7GPa、C12 = 63.9GPa、C44 = 76.9GPa。将应变值、、带入上述公式，计算得到结果。
[0011 ]计算得到的应力值通过商用origin软件描绘出应力演变过程的变化曲线。
[0012] 测试装置原理为:在光路中加入两个相同的对入射激光高透、对可见光高反的第 一分光镜2、第二分光镜5。为了避免使相机遭到激光损伤，在高速相机8前加干涉滤光片7， 滤掉残余的反射激光，同时衰减到达高速相机8的背光强度，以防高速相机8饱和而不能正 常拍摄损伤形貌。利用高速相机8与固体脉冲