«алтайский государственный университет»





Скачать 356.24 Kb.
Название«алтайский государственный университет»
страница1/2
Дата публикации04.07.2013
Размер356.24 Kb.
ТипРеферат
100-bal.ru > Физика > Реферат
  1   2
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«АЛТАЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»

ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ

Кафедра общей и экспериментальной физики

ДИНАМИКА ПРОЦЕССОВ ПРИ ВЗАИМОДЕЙСТВИИ МОЩНОГО ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ СО СТЕКЛОМ, МРАМОРОМ, ГРАНИТОМ И Ag(СЕРЕБРОМ)

(квалификационная работа на соискание степени бакалавра физики)

Выполнил студент

4 курса 573 группы

_________ Жигулин П.С.

Научный руководитель

к.ф.-м.н., доц.

_________ Андрухова Т.В.

«Допустить к защите»

Заведующий кафедрой ОиЭФ Квалификационная работа защищена

д.ф.-м.н., проф. «___»____________2011г.

__________ Плотников В.А. Оценка_____________

«___»____________2011г.

Председатель ГАК

____________

Барнаул - 2011

Реферат

Целью данной работы являлось исследование динамики процессов при взаимодействии мощного лазерного излучения со стеклом, мрамором, гранитом и Ag(серебром).

В работе приводится краткое описание: научно исследовательских работ ведущихся в этом направлении; различные методики обработки гранита, мрамора, стекла и Ag; теории метода цветовой пирометрии, основные формулы, на которых основывается данный метод измерения температуры.

В ходе дипломной работы была проведена серия экспериментов по изучению динамики температуры на поверхности гранита, мрамора, стекла, серебра при воздействии лазерного излучения. Получены графические зависимости изменения температуры образцов от времени воздействия на них лазерного излучения.

Содержание

Введение

  1. Глава 1. Взаимодействие МЛИ с проводящими и непроводящими поверхностями (литературный обзор)

    1. Взаимодействие МЛИ со стеклом

    2. Взаимодействие МЛИ с гранитом и мрамором

    3. Взаимодействие МЛИ с проводящими поверхностями

    4. Процессы, происходящие в материалах при взаимодействии с МЛИ

      1. Процессы на разных мощностях излучения

      2. Возможности легирования материалов в условиях лазерного облучения

  2. Глава 2. Методики и установки, по исследованию процессов возникающих при взаимодействии МЛИ с проводящими (серебро, медь, свинец) и непроводящими материалами (мрамор, гранит, стекло)

    1. Описание установки по исследованию процессов возникающих при взаимодействии МЛИ с непроводящими материалами

      1. Принцип работы СО2-лазера

      2. Устройство блока сопряжения и самописца

      3. Метод цветовой пирометрии

      4. Устройство цветового пирометра

      5. Основные погрешности измерения температуры

      6. Градуировка цветового пирометра

      7. Методика проведения эксперимента

    2. Описание установки по исследованию процессов возникающих при взаимодействии МЛИ с проводящими материалами

      1. Устройство Nd : YAG лазера,

      2. Схема установки

      3. Методика проведения эксперимента

  3. Глава 3. Результаты экспериментального исследования МЛИ на различные образцы проводящих и непроводящих материалов

    1. Гранит, мрамор





Введение

Развитие технологии производства лазеров увеличило их долговечность, стабильность, КПД и мощность. Стало возможным фокусировать луч лазера на малой области пространства порядка длины волны, самого лазера.

В настоящее время существует множество работ по взаимодействию мощного лазерного излучения (МЛИ) с металлами, но слабо изучено образование вторичных частиц при этом воздействии. Ведутся исследования в области изучения влияние МЛИ на неметаллические материалы, такие как стекло, гранит, мрамор. Но данная проблема остается мало изученной об этом говорит малое число публикаций по данной тематике.

Целью работы является

а) исследование и получение вторичных частиц образующихся, при взаимодействии МЛИ с Ag(серебро), Cu(медь), Pb(свинец), SnPb – припой.

б) исследование динамики процессов происходящих при взаимодействии МЛИ с непроводящими поверхностями (гранит, стекло, мрамор).

в) анализ диффузионных, термических, диструкционных процессов происходящих на поверхности гранита, мрамора, стекла.

г) анализ диффузионных, термических, диструкционных, и процессов испарения на поверхности Ag(серебро), Cu(медь), Pb(свинец), SnPb – припоя.

Гранит и мрамор являются долговечные материалы. Спустя десятки лет они очень слабо подвержены разрушению. Отлично переносят влияние природных факторов (перепады температур, ветер, осадки) и сохраняют свои механические и декоративные свойства.

Исследование процессов образования вторичных частиц позволит оптимизировать технологии изготовления высокопрочных материалов, газовых сенсоров, фотокатализаторов, нанокерамик и др.

Изучение процессов, происходящих при взаимодействия МЛИ с проводящими материалами даст возможность получать нанопленки со сверхпроводящими и сверхотражающими свойствами. Получение диэлектрических волноводов и волноводов с отрицательными электрофизическими параметрами, имеющими низкий коэффициент преломления.

Глава 1. Взаимодействие МЛИ с проводящими и непроводящими поверхностями (литературный обзор)

1.1.Взаимодействие МЛИ со стеклом

Согласно определению [1] «стеклом называются все аморфные тела получаемые путем переохлаждения расплава независимо от их состава и температурной области затвердевания и обладающие в результате постепенно увеличения вязкости механическими свойствами твердых тел, причем процесс перехода из жидкого состояния в стеклообразное должен быть обратим».

Стекло не находится ни в одном агрегатном состоянии. И не по совокупности признаков не может быть отнесено ни к одному из 3 агрегатных состояний. Для агрегатного состояния стекла в физике появился особый термин «стеклообразное состояние».

В работе [2] предложен и реализован способ резки стеклянных пластин излучением импульсного Nd-лазера пикосекундными импульсами с пассивной синхронизацией мод. Метод основан на создании каналов микротрещин с последующим саморасколом. Лазер работал в TEM00 моде. Лазерная очередь состояла из 25 импульсов продолжительностью меньше, чем 100 пс. Энергия лазерного импульса была 30 мДж. Лазерное излучение было сфокусировано линзой (с фокусным расстоянием 25 см) в объеме образца. Энергия лазерного импульса выбрана такой, чтобы произошел оптический пробой на обратной стороне стеклянного образца. Максимальная скорость разделения при частоте следования импульсов 15 Гц составила 3 мм/с.

В работе [1] приведен анализ управляемого термораскалывания стекла.

При термораскалывании [1, 3] лазерный луч достаточной мощности перемещается вдоль поверхности стекла и нагревает ее до температуры, превышающей предел термостойкости, но не доходящей до значения температуры стеклования. Тогда при определенных условиях на некотором расстоянии от движущегося луча возникает трещина, которая следует за лучом, В результате стекло разделяется по описываемому лазерным лучом контуру. Лазерный луч как бы ведет за собой трещину, обеспечивая возможность вырезания изделий из стекла теоретически любой формы.

dsc03827

Рис.1. Пример гравировки СО2 лазером стекла

1.2 Взаимодействие МЛИ с гранитом и мрамором

У мрамора и гранита имеются свои физические свойства, которые определяются химическим составом.

Для практических целей большое значение имеет структурная классификация гранитов, в основу которой кладется размер полевошпатовых частиц [4]. Таким образом, подразделяют гранит на пять групп: мелкозернистые (с зернами полевого шпата 1-2 мм), довольно мелкозернистые (1-5 мм), среднезернистые (2-10 мм), крупнозернистые (3-15 мм), очень крупнозернистые(3-30 мм).

Цвет гранита играет важную роль при его практическом применении. Основной его фон обычно связан с окраской полевого шпата, который может быть розовым, желтым, серым, белым, зеленым. Кварц может быть стеклянно-прозрачным, молочно-белым, иногда цветным. Обилие черной и коричневой слюды сообщает граниту темный фон.

Мрамор – кристаллическая горная порода, образовавшаяся в результате перекристаллизации известняка и доломита. Таким образом различают кальцитовые и доломитовые мраморы [5,6].

В мраморе всегда содержатся примеси других минералов: кварц, халцедон, гематит, пирит, лимонит, хлорит и др. [7]. Примеси различно влияют на качество мрамора, снижая или повышая его декоративность. Окраска мрамора зависит от примесей. Большинство цветных мраморов имеют пеструю окраску. Рисунок определяется не только строением мрамора, но и направлением, по которому производится распиливание камня. Цвет и рисунок мрамора проявляются после его полировки[5].

Проводились исследования действия СО2 - лазера на прямоугольные бруски гранита и мрамора при экспозициях до 32 с. Поглощенные энергии лежали в интервале от 100 до 30000 Дж. Снижение прочности происходило в результате структурных изменений и наблюдалось после поглощения энергии порядка несколько тысяч джоулей.

В работах [8-10] приведены результаты исследования влияния примесей и структуры мрамора на динамику образования отверстия. Применялся твердотельный лазер непрерывного действия на кристалле АИГ с мощностью выходного излучения до 170 ватт. Лазерное излучение фокусировалось кварцевой линзой с фокусным расстоянием 5 см. При этом диаметр фокального пятна на поверхности мрамора равнялся 0.3 мм. Интенсивность излучения во всех случаях была одинаковой 1.4 * Вт/см2. В первом случае для изучения влияния зернистости авторы взяли два образца мрамора с одинаковой концентрацией примесей, но один был мелкозернистым, второй – крупнозернистым. Был сделан вывод, что в пределах точности эксперимента влияние зернистости на динамику развития каверны не проявляется.

Во втором случае для изучения влияния примесей на динамику развития каверны были взяты три вида мрамора с различной концентрацией примесей: большой, средней, малой. Авторы не обнаружили существенного влияния количество примесей.

Интересный пример применения лазеров для реставрации приведен в [11]. Поверхности скульптур, подвергаются продолжительному воздействия атмосферы, покрываются слоем темных осадков, толщина которых может достигать 0.5 мм. Очистка их является трудной реставрационной проблемой. Использование несфокусированного пучка излучения рубинового лазера с энергией 10 Дж и плотностью энергии пучка 10 Дж/см2 (для свободной генерации и продолжительности импульса 1мс) или же энергией 1 Дж плотностью энергии пучка 1 Дж/см2 (для модуляции добротности и продолжительности импульса 35нс) позволяет осуществить неразрушающую реставрацию покрытых патиной скульптур. Темная поверхность патины сильно поглощает лазерное излучение и удаляется в результате испарения. Светлое основание (поверхность скульптуры) сильно отражает излучение и при малой плотности мощности излучения (103-104 Вт/см2 – свободно генерирующий лазер) не подвергается разрушению.

dsc03825

Рис.2. Пример гравировке СО2 лазером на мраморе

1.3. Взаимодействие МЛИ с проводящими поверхностями

Известно [12], что при лазерном испарении металлов наблюдается образование двух видов частиц: это частицы расплава, образование которых связано с формированием ожога в виде кратера, и частицы конденсационного типа. Размеры частиц расплава обычно находятся в очень широком диапазоне 0.1 – 100мкм и поэтому малоинтересны. Схема образования конденсационных частиц следующая [13]: лазерное излучение разогревает металл до температуры кипения, образующиеся пары истекают в виде струи в окружающее пространство. Ускорение паров до звуковой скорости происходит в тонком слое у поверхности, при этом пар резко охлаждается и переходит в неустойчивое пересыщенное состояние, которое в дальнейшем, вследствие конденсационного скачка, переходит в насыщенное. Размеры конденсационного скачка ~ 103 длин свободного пробега частиц. Дальнейшее расширение и ускорение струй паров происходит в волне разрежения и вследствие охлаждение продуктов разрушения, при определенных условиях, происходит конденсация пара в капли с размерами до ~ 10-4 см; причем температура и скорость движения конденсата мало отличается от соответствующих местных величин для пара. Вследствие выделения энергии при конденсате возможно увеличение скорости потока и изменение некоторых его характеристик (плотности, температуры, давления). При воздействии излучения на металлы в вакууме (~ 10-2 мм.рт.ст.) в продуктах разрушения также обнаруживается конденсат с размерами частиц 10-5 ~ 10-4 см [14], образующийся в процессе расширения струи. Необходимо отметить, что в вышеперечисленных работах частицы, образующийся при разрушении мишеней, специально не исследовались, поэтому сведения о размерах частиц носят оценочный характер. Более информативны в этом отношении работы [15, 16], но в них изучаются не частицы металлов, а частицы, образующиеся при лазерном пиролизе углерода. Их авторы отмечают образование сферических частиц с характерными размерами в десяток нанометров, которые обнаруживаются в виде макроскопических полимерных структур; отмечается, что размеры конденсата практически не зависят от величины энергии воздействующего лазерного излучения, и распределение по размерам подчиняется логонормальному закону. Металлические частицы изучались в работе [17], в которой отмечалось, что в случае использования лазерного луча как средства генерации аэрозольных частиц, нитевидные агрегаты, состоящие из сферических , являются наиболее характерными образованиями, причем структура этих агрегатов практически не меняется при довольно сильных изменениях внешних условий. Такие объекты вполне могут обладать универсальной структурой с определенной фрактальной размерностью, но это требует измерения.

Исследуя вторичные частицы А. Антипов, С. М. Аракелян, С. В. Кутpовская, A.О. Кучеpик, Д. С. Ногтев, B.Г. Прокошев из Владимирского государственного университета предложили способ формирования наноструктурированных покрытий на основе технологии осаждения металлических наночастиц из коллоидных систем при воздействии импульсно-периодического лазерного излучения. Получены протяженные массивы наноструктур. С применением методов фрактальной геометрии определены структурные особенности сформировавшихся слоев. Предложена модель фрактальной диффузии[18].

Е. М. Егановой и Э. Н. Воронковым из Института нанотехнологий микроэлектроники приведены результаты изучения электрических характеристик пленок As2Se3, содержащих наночастицы золота. Экспериментам предшествовал предварительный расчет зависимости электропроводности от объемного содержания наночастиц на основе стандартных моделей, используемых для композитных материалов. При сравнении экспериментальных данных с расчетными обнаружены значительные расхождения, которые указывают на взаимодействие структурной матрицы с внедренными наночастицами[19].

Ю. Локтионов, Ю. Ю. Протасов из Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана предложили и впервые экспериментально осуществлен метод лазерно-индуцированной генерации пылевых газово-плазменных потоков высокого давления сложного химического и ионизационного состава при ультрафиолетовой (УФ) лазерной абляции полимерной матрицы, содержащей пылевую компоненту. Метод использует различие спектрально-энергетических порогов лазерной абляции и оптических свойств полимерных материалов и пылевых компонент в коротковолновой области спектра. Представлены результаты экспериментального исследования динамики и макроструктуры лазерно-индуцированных пылевых газово-плазменных потоков высокого давления при УФ (1 = 213 нм, 2 = 266 нм, 3 = 355 нм) лазерной абляции конденсированных мишеней на основе полимерной матрицы (C2F4)n с пылевой компонентой (SiO2, Al2O3, CeO2). Методами лазерной интерферометрии и теневой фоторегистрации определены спектрально-энергетические пороги и условия генерации пылевых структур в ионизованных парах матрицы мишени, их пространственно-временная локализация в газово-плазменном потоке вплоть до пространственного разделения испаренного вещества матрицы мишени и облака пылевой компоненты. Определены времена жизни гетерофазных потоков в зависимости от параметров лазерного воздействия на конденсированную мишень и заряд пылевых частиц[20].

А. В. Гончаров, П. В. Каштанов из Объединенного института высоких температур РАН, Москва представили модель образования и роста кластеров в пересыщенном паре кластеризуемого материала, основанная на численном анализе эволюции функции распределения кластеров по размерам. Проведены расчеты по представленной модели при параметрах кластерной плазмы, характерной для магнетронного метода генерации кластеров, произведено сравнение результатов, полученных в численном эксперименте, с оценками других авторов. Представлены результаты численного эксперимента с учетом коалесценции, показано, что они находятся в согласии с результатами расчетов по приближенным аналитическим моделям в области применимости последних[21].

С. А. Пикуз, О. В. Чефонов, С. В. Гасилов, П. С. Комаров, А. В. Овчинников, И. Ю. Скобелев, С. И. Ашитков, М. Б. Агранат, A. Я. Фаенов

исследовали характеристики рентгеновского излучения лазерной плазмы, генерируемой при взаимодействии фемтосекундного импульса с твердотельными мишенями, находящимися в воздушной среде, и рассмотрена возможность его использования для радиографии. Показано, что механизм генерации рентгеновского излучения при взаимодействии коротких мощных лазерных импульсов с твердотельными мишенями в газовой атмосфере связан с генерацией быстрых электронов в области пробоя газа. Экспериментально доказано, что в таких условиях даже при невысоких плотностях лазерного излучения < 1015 Вт/см2 медная мишень весьма эффективно излучает фотоны с энергиями до 10 КэВ. Измерен спектр такого рентгеновского источника, содержащий выраженные линии CuK и CuК и умеренное тормозное излучение. Показано, что источник может использоваться для получения с микронным разрешением абсорбционных изображений малоконтрастных объектов, находящихся в воздушной атмосфере, тем самым открывая возможность исследований различных медико-биологических объектов in vivo[22].

1.4. Процессы, происходящие в материалах при взаимодействии с МЛИ

1.4.1. Процессы на разных мощностях излучения

При плотности мощности порядка 105 Вт/см2 начинается плавление материала. По мере поступления световой энергии граница между жидкой и твердой фазами (поверхность расплава), постепенно перемещается вглубь материала. При этом площадь расплава увеличивается, теплота начинает более интенсивно отводиться в глубинные слои за счет процессов теплопроводности, в результате устанавливается стационарная поверхность расплава.

При воздействии потоком излучения порядка 106…108 Вт/см2 материал в зоне облучения разрушается с образованием кратера, окруженного ярко светящимся плазменным факелом. Плазменный факел представляет собой движущийся пар, нагретый и ионизированный лазерным излучением (рис. 3). Реактивное давление пара, выбрасываемого с поверхности материала, сообщает мишени импульс отдачи. Испарение происходит с поверхности тонкого слоя жидкого материала, нагретого до температуры в несколько тысяч градусов. Температура слоя определяется равенством поглощенной энергии и потерь на охлаждение, связанное с испарением. Роль теплопроводности в охлаждении слоя при этом несущественна.

http://pcbplate.ru/wp-content/uploads/38-2.jpg

Рис.3. Плазменный факел.

При еще большем повышении плотности световой мощности поглощающий слой вещества разогревается так сильно, что сразу превращается в плазму. В этом случае уже нельзя говорить об испарении мишени, границе раздела фаз и т.п. Энергия лазерного излучения расходуется на нагревание плазмы и продвижение фронта разрушения и ионизации вглубь мишени. Температура плазмы оказывается столь высокой, что в ней образуются ионы с почти ободранной электронной оболочкой, что до недавнего времени наблюдалось только в излучении солнечной короны.

При интенсивности излучения 1011 Вт/см2 возникает оптический пробой газа — лазерная искра: в фокусе оптической системы наблюдается яркая световая вспышка и сильный звук. Образование лазерной искры состоит из двух стадий: 1) образование в фокусе линзы первичной (затравочной) плазмы, обеспечивающей сильное поглощение лазерного излучения; 2) распространение плазмы вдоль луча в области фокуса[25].

1.4.2.Возможности легирования материалов в условиях лазерного облучения

При развитии высоких температур в условиях лазерного облучения интенсифицируются различные процессы в материале, в частности, диффузионные. Изучение диффузионных явлений в материале при воздействии на него лазерного излучения представляет интерес в связи с необходимостью, разработки технологического процесса локального микролегирования поверхности конструкционных материалов с целью их упрочнения.

Первые исследования [23] были проведены по изучению возможности диффузионного насыщения поверхности металла углеродом. Опыты по облучению железа, на поверхность которого наносились слои различных углеродосодержащих соединений, в том числе и графит, проводились с использованием импульсного лазерного излучения. Результаты рентгеноструктурного анализа свидетельствуют о насыщении железа углеродом, причем до достаточно высокой концентрации с образованием твердого раствора железо — углерод. Металлографические исследования показали, что на поверхности железа с покрытием после лазерного облучения образуется белый слаботравящийся слой с равномерной микротвердостью, достигающей 1400 кгс/мм2. За ним идет термообработанный слой с микротвердостью 1000 кгс/мм2.

С точки зрения реализации процесса насыщения поверхности конструкционных материалов легирующими элементами в условиях лазерного облучения наиболее перспективным является изучение диффузионных явлений в жидкой фазе, а также в условиях конвективного и механического перемешивания расплава двухкомпонентной системы.

С целью исследования механизма массопереноса в условиях лазерного облучения выполнялись эксперименты по насыщению технического железа молибденом[23].

При исследовании процесса легирования материала в условиях лазерного облучения изучались различные способы предварительного нанесения слоя легирующего элемента на матрицу: накатка фольги из легирующего материала, электролитическое осаждение легирующего материала, детонационное покрытие, плазменное напыление легирующих элементов, нанесение порошка или специальной обмазки и др. Наиболее значительным недостатком первого способа нанесения слоя легирующего элемента является высокое тепловое сопротивление между легирующим элементом и матрицей, препятствующее расплавлению матричного материала и приводящее к испарению слоя легирующего элемента. В меньшей мере этот недостаток присущ двум следующим указанным способам.

Эксперименты на алитированных стальных образцах (сталь 45) показали, что нанесенный электроискровым способом слой алюминия в условиях лазерного облучения в значительной мере испаряется и лишь несущественная часть его попадает в ванну расплава.

Как показывает анализ температурных полей в материале, в условиях лазерного облучения зона с измененной структурой в общем случае представляет собой полусферу (гиперболоид вращения), ограниченную определенной изотермой. Поэтому увеличение шага S линейного размещения таких полусфер, а значит, и скорости обработки вызовет и неравномерность формирования зоны с измененной структурой по глубине.

Повышение износостойкости твердосплавных инструментальных материалов после лазерного термоупрочнения может достигать 6 раз. Одним из основных аргументов, объясняющих наблюдаемый факт, признается увеличение микротвердости модифицированных лазерным воздействием приповерхностных слоев твердого сплава. Однако износостойкость инструментальных твердых сплавов весьма чувствительна к режимам облучения и условиям эксплуатации.

Условия отжига и отпуска достигаются при облучении со сравнительно низкими значениями плотностей мощности. Для лазерного термоупрочнения требуются более высокие уровни воздействия, что связано с необходимостью достижения температур структурно-фазовых превращений.

Диапазон плотностей мощности лазерного воздействия определяется верхним и нижним пределами, которые связаны соответственно с началом плавления и отпуска материала. При обработке на оптимальном режиме достигается наибольший упрочняющий эффект и глубина модифицированного слоя. Следует отметить, что из-за различающихся химических составов модифицируемых сталей и сплавов, несоблюдения режимов предварительной термической обработки рекомендуется использовать образцы-свидетели для каждой партии облучаемых изделий. Образцы-свидетели необходимы для конкретизации режимов лазерного термоупрочнения и исключения разупрочняющих эффектов. Подбор режимов лазерного воздействия проводят, исходя из размеров обрабатываемого образца или изделия. При выборе схемы обработки и соответствующего технологического оборудования учитывают геометрию изделия и возможности локального термоупрочнения [24].

Глава 2. Методики и установки, по исследованию процессов возникающих при взаимодействии МЛИ с проводящими (серебро, медь, свинец) и непроводящими материалами (мрамор, гранит, стекло).

2.1. Описание установки по исследованию процессов возникающих при взаимодействии МЛИ с непроводящими материалами

Большую группу газовых лазеров составляют газоразрядные лазеры, в которых активной средой является разреженный газ (давление 1–10 мм рт. ст.), а накачка осуществляется электрическим разрядом, который может быть тлеющим или дуговым и создается постоянным током или переменным током высокой частоты (10–50 МГц).

Существует несколько типов газоразрядных лазеров. В ионных лазерах излучение получается за счет переходов электронов между энергетическими уровнями ионов. Примером служит аргоновый лазер, в котором используется дуговой разряд постоянного тока.

Лазеры на атомных переходах генерируют за счет переходов электронов между энергетическими уровнями атомов. Эти лазеры дают излучение с длиной волны 0,4–100 мкм. Для накачки служит тлеющий разряд, создаваемый постоянным напряжением примерно 1000 В.

Наиболее распространен из молекулярных лазер на диоксиде углерода (СО2-лазер). Он может давать мощность до 10 кВт и имеет довольно высокий КПД – около 40%. К основному углекислому газу обычно ещё добавляют примеси азота, гелия и других газов. Для накачки применяют тлеющий разряд постоянного тока или высокочастотный. Лазер на диоксиде углерода создает излучение с длиной волны около 10 мкм.



Рис.4. СО2-лазер

2.1.1.Принцип работы СО2-лазера

Активной средой почти любого лазера служит вещество, в определенных молекулах или атомах которого в определенной паре уровней можно создать инверсную заселенность. Это означает, что количество молекул, находящихся в верхнем квантовом состоянии, соответствующем радиационному лазерному переходу, превышает количество молекул, находящихся в нижнем. В отличие от обычной ситуации луч света, проходя через подобную среду, не поглощается, а усиливается, что открывает возможность генерации излучения.

Инверсия в СО2-лазере создается при помощи электрического разряда, каким механизмом – будет сказано чуть ниже. Чтобы луч усилился в высокой степени, он должен пройти в активной среде большой путь. Для этого ее помещают в резонатор. Самый простой резонатор – это два плоских зеркала, от которых случайно зарожденный луч отражается многократно. Одно из зеркал – полностью отражающее («глухое»), другое – полупрозрачное, чтобы выпускать излучение. Эти общие принципы почти в первозданном виде воплощены в простейшей конструкции СО2-лазера для небольших мощностей, примерно до 100 Вт.

В СО2-лазере используется переход между двумя колебательными (точнее, колебательно-вращательными) уровнями основного электронного состояния молекулы СО2. Длина волны излучения λ = 10,6 мкм принадлежит далекой инфракрасной области. Линейная молекула СО2 может совершать колебания трех типов. Частота n1 соответствует симметричным колебаниям, n2 – деформационным, n3 – антисимметричным. Лазерный квант излучается при переходе из состояния 001 в 100; цифры означают квантовые числа колебаний n1, n2, n3. Возможный также переход 001 020 с λ = 9,4 мкм весьма слаб. Энергия лазерного кванта составляет 41% энергии верхнего уровня 001. Это теоретический предел для КПД лазера. Если бы вся энергия при накачке шла исключительно на возбуждение уровня 001 СО2 и каждое возбуждение сопровождалось радиационным переходом 001 100, энергия лазерного излучения составляла бы 41% затрат. Реальный КПД всегда значительно ниже.

Верхний лазерный уровень в СО2-лазере возбуждается ударами электронов разрядной плазмы. Тлеющий разряд является одним из двух наиболее распространенных видов газового разряда постоянного тока (другой разряд – дуговой). Тлеющий разряд видели все – вспомните рекламные трубки на улицах. Плазменный столб между электродами может быть сделан любой длины, лишь бы было приложено достаточно напряжения. Столб может как угодно изгибаться, повторяя изгибы трубки. Температура электронного газа Те ~ 104 К гораздо выше температуры газа тяжелых частиц Т, которая может не на много превышать комнатную (разрядной трубки нередко можно коснуться рукой). Степень ионизации на несколько порядков меньше термодинамически равновесной, соответствующей Те[26][27].

2.1.2. Устройство блока сопряжения и самописца

Блок-схема установки и внешний вид двухкоординатного самописца с оптической системой приведен на рисунке 5. В установке использовались: IBM-совместимый компьютер Pentium-166; двухкоординатный самописец ЭНДИМ 622.01 с оптической системой; СO2-лазер типа ЛГН-703,с длиной волны 10.6 мкм, непрерывного действия, мощностью не менее 107 Вт. с водяным охлаждением; устройство сопряжения компьютера с графопостроителем и лазером Управление установкой осуществляется с помощью программы, написанной на Delphi 4, которая представляет собой графический редактор. Он позволяет создавать рисунки в виде метафайлов, которые представляют собой совокупность нарисованных объектов: прямых линий, кривых, квадратов и эллипсов. Затем последовательно с заданной скоростью эти нарисованные объекты выводятся на двухкоординатный самописец, в котором вместо пера рисует лазерный луч. В начале рисования каждого объекта открывается шторка лазера, а по окончании рисования закрывается. Уровень мощности лазерного излучение регулировался путем изменения напряжения на блоке питания лазера с помощью латра. Применяемый способ позволяет плавно регулировать мощность излучения лазера в пределах от 30 до 100 Вт, без изменения распределения плотности мощности по сечению лазерного луча. Мощность лазерного излучения измеряется с помощью измерителя ИМО-2.

Рассмотрим работу устройства сопряжения компьютера с графопостроителем и лазером. Принципиальная схема устройства сопряжения приведена на рисунке 4. Устройство сопряжения содержит; микросхему порта ввода-вывода D1; регистры защелки D2-D4; устройство преобразования цифрового двоичного кода в напряжение на базе двенадцатиразрядных ЦАП D5-D6 с операционными усилителями D7-D8; схему управления шторкой лазера.



Рис.5. Схема установки для профильной обработки неметаллических материалов с помощью лазерного излучения: 1- устройство сопряжения ПЭВМ с двух координатным самописцем ЭНДИМ 622.01; 2- ПЭВМ типа IBM PC/AT; 3- обрабатываемый материал; 4- СО2-лазер непрерывного действия; 5- лазерный луч; 6- зеркало; 7- зеркало и фокусирующий объектив; 8- двух координатный самописец ЭНДИМ 622.01.


Рис.6. Фотография двухкоординатного самописца с оптической системой.


Рис.7. СО2 – лазер



Рис.8. Прерыватель



Рис.9. Протяжной механизм

j:\диплом\фотки эксперемента\dsc03833_1024x768.jpg

Рис.10. Устройство сопряжения

Также устройство сопряжения содержит блок питания, который не показан на рисунке. Все элементы устройства сопряжения смонтированы на разработанных двухсторонних печатных платах. Обмен данными между компьютером и устройство сопряжения осуществляется через параллельный порт компьютера. Использовался разъем параллельного порта типа Centronics (25- контактный разъем). В нем были использованы восемь линий данных (с 2 по 9 контакт), четыре управляющих выхода (1,14,16,17) и один контакт в качестве земли (18) Компьютер может работать с тремя параллельными устройствами (LPT1- LPT3). Каждое параллельное устройство имеет свой адаптер. Адаптер управляется тремя регистрами ввода/вывода и адреса портов этих регистров различны для каждого адаптера. Область данных BIOS содержит базовые адреса для каждого адаптера. Базовый адрес соответствует младшему адресу группы из трех адресов портов. Базовый адрес для LPTI-0040:0008, для LPT2 - 0О40:0О0А и т.д. Какой адаптер назначен какому номеру LPT – не определено. По этой причине программа, которая прямо адресуется в параллельный порт, должна выискивать адреса, которые он использует. К параллельному порту подключается микросхема 580ВВ55А, которая представляет собой программируемое устройство ввода-вывода параллельной информации. Она содержит информационный канал ввода-вывода D, шесть управляющих входов, три независимых регистра ввода – вывода параллельной информации a, b, с и регистр управления РУ. Микросхема может работать в трех режимах (0,1,2). В данном устройстве она работает в режиме передачи информации от информационного канала D в регистры a, b, с (режим 0). Еще имеется возможность независимой программной установки любого бита в регистре с. Подпрограмма программирования микросхемы 580ВВ55А через параллельный порт, написанная на языке ассемблера.

Прямые, квадраты и эллипсы, содержащиеся в метафайле, представляют собой совокупность в виде начальных и конечных координат. Программа преобразует эти координаты в последовательность точек (X,Y). В устройстве сопряжения использовались двенадцатиразрядные ЦАП 59411AI, в которых использовалось 11 разрядов. Поэтому координаты X и Y представляют собой 11 разрядные числа и изменяются от 0 до 2047. Поверхность самописца представляет собой квадрат 2047*2047 точек. Одиннадцатиразрядные координаты X и Y программно разбиваются на три восьми разрядных числа А, В и С. Младшие восемь битов координат X и Y представляются в виде чисел А и В. Старшие три бита координаты X записываются в три младших бита числа С (0,1,2), а три старших бита координаты Y в три старших бита числа С (5,6,7). Третий бит числа С служит для управления регистрами защелками (устанавливается в ноль), а четвертый - для управления шторкой лазера (устанавливается в 1). Затем эти числа А,В,С последовательно записываются в соответствующие регистры микросхемы 580ВВ55А a, b, с. После установки третьего бита регистра с в 1 происходит отпирание регистров защелок и происходит преобразование цифрового кода в напряжение, а после установки в ноль происходит их запирание с запоминанием соответствующих значений битов координат X и Y. Одновременно происходит их преобразование в напряжение. После чего установленная на самописце оптическая система устанавливается в соответствующее положение. При установке четвертого бита регистра с в 0 происходит открывание шторки лазера. Схема ЦАП собрана по стандартной схеме.

Оптическая система, установленная на двух координатном самописце, состоит из двух зеркал и фокусирующей линзы из NaCI. Зеркала представляют собой кремниевые пластинки толщиной 0.5 мм с напылением и диэлектрической защитой. Для предотвращения перегрева зеркал они закреплены на стальных пластинах. Одно из зеркал неподвижно установлено относительно поперечины в специальном поворотном столике. Второе зеркало и линза неподвижно установлены относительно двигающейся каретки в специальном объективе. Первое зеркало отражает лазерный луч под углом 45 градусов параллельно поверхности самописца и обрабатываемого образца. Второе зеркало отражает его перпендикулярно к поверхностям и направляет ею в линзу, которая фокусирует лазерный луч на поверхности образца.

Основные технические характеристики описанной установки:

1. Тип СO2-лазера - ЛГН-703;

2. Максимальная мощность излучения - 100 Вт;

3. Наибольшие размеры обрабатываемого материала - 280*380 мм;

4. Максимальная скорость перемещения лазерного луча - 100 см/с;

5 Время срабатывания затвора лазера - 20 мс;

6. Максимальная погрешность позиционирования - 0.2

2.1.3. Метод цветовой пирометрии

Для решения поставленной задачи необходим не возмущающий метод измерения температуры материала, способный регистрировать высокотемпературные и быстро протекающие процессы с высокой точностью при минимальном времени регистрации. Методом, удовлетворяющим данным условиям, является цветовой метод или метод спектрального отношения. Данный метод предполагает измерение интенсивности световых потоков излучающего объекта на двух длинах волн.

В экспериментальной установке, описание которой приводится ниже, в качестве фотоприёмников использовались фотоумножители с интерференционными светофильтрами. Связь светового потока с температурой выражается законом Планка, который может быть заменён законом Вина для упрощения счета и не нанося ущерба для точности в указанном диапазоне температур.

  1   2

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

«алтайский государственный университет» iconИзобретения
Бийский технологический институт (филиал) гоу впо «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова» (бти алтгту),...
«алтайский государственный университет» iconМинистерство образования и науки российской федерации фгбоу впо «алтайский...
Краснодарский государственный историко-археологический музей-заповедник им. Е. Д. Фелицына
«алтайский государственный университет» iconФедеральное государственное бюджетное образовательное учреждение...
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «алтайский государственный...
«алтайский государственный университет» icon«Алтайский государственный университет»
При разработке учебно –методического комплекса учебной дисциплины в основу положены
«алтайский государственный университет» iconПолучение основы для творожного продукта
Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова (Алтгту), г. Барнаул
«алтайский государственный университет» iconЯ. Е. Лукерина Барнаул, Алтайский государственный университет
Муниципальное автономное общеобразовательное учреждение «Панковская средняя общеобразовательная школа»
«алтайский государственный университет» iconДипломный проект защищен
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Алтайский государственный...
«алтайский государственный университет» icon«Алтайский государственный университет»
Гос впо по специальности 080105. 65 Финансы и кредит, утвержденный Министерством образования РФ «17» марта 2000 г., №180 эк/сп
«алтайский государственный университет» iconАссортимент стабилизаторов для производства сгущенных молочных консервов
Фбгоу впо «Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова», г. Барнаул
«алтайский государственный университет» icon«Алтайский государственный технический университет им. И. И. Ползунова»...
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«алтайский государственный университет» iconМ. П. Щетинин д т. н., Писарева Е. В. к т. н., Фролова А. Е. Гоу...
Возможности использования вторичного молочного сырья в производстве кондитерских изделий
«алтайский государственный университет» iconПродуктивный потенциал суданской травы в условиях низкогорий Горного Алтая
Работа выполнена в фгоу впо «Горно-Алтайский государственный университет», на кафедре «Растениеводство»
«алтайский государственный университет» iconОбразовательный стандарт учебной дисциплины «Силовые агрегаты»
Разработан кафедрой «Автомобили и автомобильное хозяйство» фгбоу впо «Алтайский государственный технический университет им. И. И....
«алтайский государственный университет» iconПамятка для студентов группы тмп–81 по изучению дисциплины «Биохимия» (6 семестр)
...
«алтайский государственный университет» iconЭлементы технологии возделывания суданской травы в условиях низкогорий горного алтая
Работа выполнена в фгу впо «Горно-Алтайский государственный университет», на кафедре "Агрономия"
«алтайский государственный университет» iconФедеральное агентство по образованию государственное образовательное...
Утверждены: Ученым советом Федеральным государственным бюджетным образовательным учреждением высшего профессионального образования...


Школьные материалы


Заказать интернет-магазин под ключ!

При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
100-bal.ru
Поиск