Скоростной CuBr-усилитель яркости для систем визуального контроля и диагностики

-

Весь текст будет доступен после покупки

В конце прошлого столетия Россия была безусловным лидером в исследованиях, разработке и применении усилителей яркости на парах металлов для визуально-оптического контроля в производстве интегральных микросхем и в научных исследованиях (в составе лазерного проекционного микроскопа). Затем интерес к этим системам ослаб. Появление новых технологий, связанных с воздействием потоков энергии на объект (модификация поверхности материалов с целью улучшения эксплуатационных характеристик, получение новых материалов, в том числе, наноструктур, процессы сварки, резки, получение новых материалов посредством самораспространяющегося высокотемпературного синтеза – СВС и др.) вновь делает данные системы востребованными. Прежде всего потому, что сопровождаются такие воздействия, как правило, мощной фоновой засветкой, которая не позволяет визуализировать объект и управлять технологическим процессом. Активные среды лазеров на самоограниченных переходах в парах металлов, используемые в режиме усилителей яркости, способны за счет высокой спектральной яркости излучения и большого коэффициента усиления в узкой полосе спектра визуализировать такие объекты. В том числе, в различных областях спектра. А импульсно-периодический характер излучения позволяет обеспечить контроль с временным разрешением, соответствующим частоте следования импульсов. Типичные частоты следования лазеров на парах металлов составляют 5-15 кГц. Но уже сегодня, в том числе нашей научной группой, достигнуты значения в сотни килогерц. И это, по-видимому, не предел.

Весь текст будет доступен после покупки

Глава 1. Активные среды и усилители яркости на самоограниченных переходах в парах металлов
В данной главе рассмотрены методы регистрации высокоскоростных процессов, сопровождающихся выделением мощных потоков энергии виды активных сред на парах металлов, кратко изложена физика процессов, протекающих в них и приводящих к созданию инверсной населенности, и генерации вынужденного излучения, включая режим сверхизлучения который лежит в основе усилителей яркости импульсно-периодического действия. Рассмотрены два основных типа активных оптических систем: лазерный проекционный микроскоп и лазерный монитор, основным элементом которых является скоростной усилитель яркости. Представлены типовые конструкции активных элементов (газоразрядных трубок) на парах металлов и их галогенидов, способов накачки. Проведен обзор наиболее важных, полученных к настоящему времени результатов по лазерам, усилителям яркости, мониторам на парах различных металлов, с упором на реализацию режима излучения/усиления с высокой частотой следования импульсов.
1.1. Методы визуализации объектов и процессов, связанных с выделением мощных потоков энергии
Одной из основных проблем в экспериментальном изучении взаимодействия мощных потоков энергии с поверхностью различных объектов, является образование над зоной взаимодействия высокотемпературной плазмы. Температура, а, следовательно, и яркость свечения такой плазмы достигает больших значений. В связи с этим визуализация таких процессов напрямую с использованием обычных видеорегистраторов является невозможной, ввиду насыщения их светочувствительных элементов.
Снижения интенсивности фоновой засветки можно добиться благодаря использованию пассивных оптических фильтров и уменьшения экспозиции регистраторов (спектрально-временная фильтрация). В связи с тем, что интенсивность данной засветки велика в широком диапазоне длин волн, невозможно ослабить ее, при этом не снижая уровень полезного сигнала. В большинстве случаев, использование данного метода приводит к потере части или всего изображения.
Существует ряд методов визуализации процессов, скрытых засветкой, основанных на наблюдении возникающих рядом с поверхностью воздействия вихревых потоков. К таким методам можно отнести Шлирен-метод или метод теневой съемки, метод визуализации потока или PIV-метод, а также метод лазерно-индуцированной флуоресценции [Выбрать из дисс Максима]. Основным недостатком применения данных методов является то, что осуществляется не непосредственная регистрация процессов на границе взаимодействия мощных потоков энергии с поверхностью объекта исследования, а осуществляется изучение перемещения мелких частиц вокруг этой области либо разности плотностей среды. В качестве мелких частиц выступают либо мелкие осколки с поверхности объекта исследования, либо специально введенные частицы-индикаторы.
Также для визуализации подобных процессов зачастую используют системы, построенные на электронно-оптических преобразователях (фотоэлектронный умножитель, микроканальные пластины, стрик камеры). Данные системы позволяют производить регистрацию объектов при низком освещении с высоким временным разрешением (до пикосекунд). Недостатком таких систем является отсутствие спектральной фильтрации, следовательно, низкое соотношение полезный сигнал/шум, в случае присутствия широкополосной фоновой засветки.
Повысить соотношение полезный сигнал/шум возможно объединим метод спектрально временной фильтрации с источником активной подсветки. В качестве таких источников зачастую используются квантовые генераторы. В активной лазерной среде формируется излучение, которое направляется на поверхность объекта исследования. Отражаясь от объекта излучение формирует изображение его поверхности. Предпочтительно использовать активные среды, работающие в импульсном режиме, так как импульсная энергия излучения у таких сред может достигать больших значений, превышающих энергию излучения фоновой засветки.
Одним из примеров осуществления визуализации процессов, скрытых от наблюдателя интенсивной широкополосной засветкой, может послужить проведения испытания реактивного двигателя, а именно испытание на отрыв лопатки турбины при работающем двигателе, который приводит к взрыву взрыва самого двигателя. Производитель должен продемонстрировать, что ни одна из частей двигателя не может выйти из-под внешнего защитного кожуха в результате взрыва. Огромная стоимость таких экспериментов означает, что мероприятие неизменно должно сопровождаться регистрацией высокоскоростными камерами, чтобы установить причину любого сбоя. Однако, взрыв сопровождается выделением огромной энергии, выполняющей роль фоновой засветки, «ослепляющей» любые видеорегистраторы. В работе [97] сказано, что в одном из своих трудов группы ученых Oxford Lasers и General Electric показали, что метод лазерной подсветки может решить эту задачу. Также данный метод может быть использован в различных задачах обработки изображений, в которых должны одновременно отображаться как ярко светящиеся, так и темные объекты. Изначально, метод лазерной подсветки применяли для регистрации быстропротекающих процессов.
На рис. 1 показано схематичное отношение полезного сигнала к паразитному сигналу фоновой засветки при использовании метода лазерной подсветки (рис. 1.а), и при комбинации данного метода со спектральной подсветкой (рис. 1.б). Видно, что применение спектральной фильтрации в комбинации с методом лазерной подсветки значительно увеличивает отношение полезного сигнала к шуму.

Весь текст будет доступен после покупки

1. Boichenko A.M., Evtushenko G.S., Nekhoroshev V.O., Shiyanov D.V., Torgaev S. N. CuBr-Ne-HBr laser with a high repetition frequency of the lasing pulses at a reduced energy deposition in the discharge // Physics of Wave Phenomena. 2015. Vol. 23, № 1. P. 1–13.
2. Мусоров И. С. Евтушенко., Г. С. Скоростной усилитель яркости на парах металлов для систем визуального контроля и диагностики // ЛИИ, т. 2, вып. 2, сс. 032-039, авг. 2022.
3. Musorov I. S., Torgaev S. N., Evtushenko G. S. A CuBr-Based Brightness Amplifier with a Repetition Frequency of Superradiance/Amplification Pulses up to 200 kHz // Technical Physics Letters. - 2021 - Vol. 47 - № 17. - p. 18-21. doi: 10.1134/S1063785021090108
4. G.S. Evtushenko, Methods and Instruments for Visual and Optical Diagnostics of Objects and Fast Processes (Nova Science Publishers, N. Y., 2018), p. 1-164.
5. Г.Г. Петраш, Оптические системы с усилителями яркости (Наука, Москва, 1991), Т. 206, с. 3-149.
6. M.V. Trigub, G.S. Evtushenko, S.N. Torgaev, D.V. Shiyanov, T.G. Evtushenko, Optics communications, 376 (10), 81 (2016)//DOI: 10.1016/j.optcom.2016.04.039
7. R.S. Hargrove, R. Grove, T. Can, IEEE Journal of Quantum Electron., 15 (11), 1228 (1979)//DOI: 10.1109/JQE.1979.1069930.
8. S. Mohammadpour Lima, Laser Physics, 30 (3), 035003 (2020)//DOI: 10.1088/1555-6611/ab7013.
9. Musorov, I.S., Torgaev, S.N., Kulagin, A.E. Evtushenko G.S. 300 kHz metal vapor brightness amplifier. Opt Quant Electron 55, 52 (2023). https://doi.org/10.1007/s11082-022-04178-6
10. Abdul Ghani B., Hammadi M. Modeling the plasma kinetics mechanisms of CuBr-laser with neon-hydrogen additives // Optics and Laser Technology. 2006, Vol.8, No 2. pp. 67-76.
11. Nekhoroshev V. O., Fedorov V. F., Evtushenko G. S., Torgaev S. N. "Copper bromide vapour laser with a pulse repetition rate up to 700 kHz", Quantum Electronics, 2012, Vol.42, No10, pp.877–879.

Весь текст будет доступен после покупки