WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |
каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ Ю.М. Анненков, М.М. Михайлов, В.В. Шарафутдинова, В.И. Меркулов Основы электротехнологий Практикум каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ» Ю.М. Анненков, М.М. Михайлов, В.В. Шарафутдинова, В.И. Меркулов Основы электротехнологий Практикум Издательство ТПУ Томск 2005 2 каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ ББК 34.6я73 УДК 621.7/.9(076.5) А 71 Анненков Ю.М., Михайлов М.М., Шарафутдинова В.В., Меркулов В. И.

А 713 Основы электротехнологий: практикум. - Томск: Изд-во.

ТПУ, 2005 г. - 104 с.

ISBN В лабораторном практикуме изложены физико-химические основы обработки материалов, выполняемых ультразвуком, электронным и лазерным пучками, плазменным, электрохимическим, термовакуумным способами, а также основы электрической сварки. Приведено технологическое оборудование, позволяющее проводить обработку материалов вышеуказанными методами.

Лабораторный практикум подготовлен на кафедре электроизоляционной и кабельной техники ТПУ и предназначен для студентов направления 551300 "Электротехника, электромеханика и электротехнологии".

УДК 621.7/.9(076.5) Рекомендовано к печати редакционно-издательским советом Томского политехнического университета Рецензенты Доктор технических наук, профессор кафедры физической электроники Томского университета систем управления и радиоэлектроники С.В. Смирнов Кандидат физико-математических наук, ведущий научный сотрудник ПНИЛ ЭДиП ТПУ А.М. Притулов © Томский политехнический университет, 2005 © Оформление. Издательство ТПУ, 2005 3 каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТВЕРСТИЙ В ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛАХ С ПОМОЩЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО КВАНТОВОГО ГЕНЕРАТОРА 1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 1.1. Генерация лазерного излучения Понятие «лазер» прочно вошло в современный научный, технический и бытовой обиход, хотя и прошло и немного лет со дня создания первых лабораторных образцов этих приборов. К чести Российской науки у истоков лазерной физики стояли, наряду с иностранными, и наши ученые. К ним относятся Фабрикант, Бутаева, Басов, Прохоров.

Именно Басов и Прохоров вместе с американским ученым Таунсом стали лауреатами Нобелевской премии 1964г. за исследование и создание лазеров. В переводе с английского языка «LASER» - Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation – означает: «Усиление света под действием вынужденного излучения» Главная особенность лазерного излучения состоит в его когерентности, то есть постоянстве амплитуды, фазы, энергии и направления распространения фотонов. Эти свойства обеспечивают два главных преимущества лазерного света: возможность распространения на сверхбольшие расстояния и возможность фокусировки энергии в очень малом объеме пространства или материала. Таким образом, отличие лазеров от других источников света заключается в том, что они обеспечивают концентрирование энергии излучения в пространстве, времени и спектре в очень узкие интервалы. Такими уникальными свойствами не обладает ни один естественный вид излучения. Именно свойство локализоваться в малом объеме обеспечивает использование лазерного излучения в различных современных технологиях, включая электротехнологии.

Электромагнитное излучение (ЭМИ), генерируемое лазером, имеет двоякую природу. С одной стороны, излучение представляет собой электромагнитные волны, т.е. колебания электрического и магнитного полей, с другой – обладает корпускулярными свойствами.

Волновые свойства излучения характеризуются частотой () и длиной волны (). Волна распространяется с постоянной скоростью с=31010 см/с. Для всех типов ЭМИ справедливо соотношение = c, из которого видно, что с увеличением частоты уменьшается длина волны излучения. Наиболее широко используемые лазеры генерируют излучекаф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ ние в диапазоне от 0,2 мкм (ультрафиолетовая область света - УФ) до 10 мкм (инфракрасная область света - ИК).

Корпускулярная природа света заключается в том, что излучение может быть представлено как поток дискретных квантов энергии (фотонов). Каждый фотон несёт определённое количество энергии E = h = hc, обладает массой m = E c2 и импульсом ф p = m c = h k, где h = h / 2 = 6,6210-34 Джсек - постоянная планка, ф характеризуется волновым числом k = 2 /.

В проявлении корпускулярно-волнового дуализма света имеется важная закономерность. Если перемещаться по шкале электромагнитных волн слева направо, от длинных волн (ИК) в сторону более коротких (УФ), то волновые свойства света будут проявляться всё слабее, уступая место корпускулярным свойствам.

Волновые и квантовые свойства света связаны между собой:

А2 nф, т.е квадрат амплитуды световой волны в какой-либо точке пространства пропорционален числу фотонов, попадающих в эту точку.

Таким образом, волновые и корпускулярные свойства света взаимно дополняют друг друга. Корпускулярные свойства света обусловлены тем, что энергия, импульс и масса излучения сосредоточены в квазичастицах – фотонах. Вероятность нахождения фотонов в различных точках пространства определяется волновыми свойствами света - амплитудой световой волны (волновые свойства фотона проявляются в том, что для него нельзя точно указать точку пространства в соответствии с принципом неопределенности Гейзенберга).

Лазерные лучи зарождаются при электронных переходах в активных элементах рабочего тела (рис. 1).

Рис. 1. Принципиальная схема ОКГ :

1 – система накачки, 2 – рабочее тело (вещество), 3 - непрозрачное зеркало, 4 - полупрозрачное зеркало, 5 - система фокусировки, 6 – лучи.



Под действием излучения накачки (рис.2) атомы или молекулы легко возбуждаются, при этом электроны переходят на более высокие энергетические уровни (Е2), а затем возвращаются в основное состояние (Е1), при этом избыточная энергия генерируется в виде электромагнитного каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ излучения строго определённой длины волны, которая определяется разностью энергий двух энергетических состояний:

Е2 - Е, (1) = h где Е1, Е2 - энергия атома соответственно на нижнем и верхнем уровнях соответственно;

Наибольшее распространение, благодаря высокой технологичности, получили лазеры, работающие по трёх и четырёхуровневой N4 (рис. 2) схемам, предложенЕным в 1955 году Басовым Н.Г Е3 N3 и Прохоровым А.М.

1 В результате внешнего возN2 действия (накачка лазера) в Е3 рабочем теле активные частицы (атомы, ионы, молекулы) N1 поглощают энергию (светоЕвую, тепловую и т.д), что приводит к переходу валентных Рис. 2. Четырехуровневая модель раэлектронов на верхние энергеботы лазера:

Е1- основное состояние активного атома тические уровни (Е3, Е4). По(иона), Е2 – метастабильный уровень, Е3, сле прекращения светового Е4 – уровни накачки, переходы 1-3 и 1- 4 - импульса накачки электроны накачка лазера, безизлучательные перехостремятся вернуться в основды 4-2, 3-2, излучательный (рабочий) пеное состояние (Е1) путем двух реход - 3.

последовательных переходов.

На первом этапе возбужденные электроны, находящиеся на уровнях накачки, передают часть своей энергии кристаллической решетке в виде фононов. Это безизлучательный переход на промежуточный метастабильный уровень. (Е2) На этом уровне электроны сохраняют свою энергию в течение довольно длительного времени порядка 10-3 с. В результате электроны скапливаются на метастабильном уровне и их концентрация превышает концентрацию валентных электронов в основном состоянии (Е1). Такая ситуация называется «инверсия населенности уровней» и представляет собой первое условие (принцип) генерации лазерного излучения.

Следующий принцип генерации состоит в формировании вынужденного излучения, наличие которого было постулировано в 1905г. Эйнштейном.

Если электрон активной частицы находится в возбужденном состоянии на метастабильном уровне Е2, то существует вероятность вынужкаф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ денного испускания света под действием поля проходящего мимо фотона с энергией h = Е2 - Е1. В результате этого рождается еще один фотон полностью когерентный первому фотону. Иными словами первичный и вторичный фотоны неразличимы. Таким образом, в соответствии с принципом вынужденности излучения формируется лазерный пучок света.

Однако, для того чтобы лазерная генерация была устойчивой и интенсивной необходимо усилить этот поток, то есть обеспечить четвертый принцип, который называется принципом самовозбуждения и заключается в следующем.

Новые фотоны, индуцированные падающим светом проходят через рабочее тело лазера, в котором имеются как атомы с возбужденными на уровень Е2 электронами, так и атомы, находящиеся в основном состоянии. Последние препятствуют усилению лазерного излучения, поскольку взаимодействие с ними фотонов приводит к поглощению света и уменьшению интенсивности пучка. В случае преобладания актов вынужденного излучения среда становится усиливающей, то есть в формуле Бугера коэффициент поглощения имеет отрицательный знак, что х определяет выражение Фабриканта: Ф - Ф0 e, где – отрицательный коэффициент поглощения, х – расстояние, пройденное фотоном в рабочем теле.

Для усиления лазерного света необходимо обеспечить обратную связь, то есть часть мощности подать с выхода на вход системы. В этих целях в лазерах используют оптический резонатор: рабочее тело помещается между двумя параллельными зеркалами с разными коэффициентами отражения (модифицированный интерферометр Фабри-Перо) Любой фотон, возникший в рабочем теле за счет спонтанного излучения, является источником начала генерации света. Действительно, если рожденный фотон движется вдоль оси резонатора, то он образует лавину фотонов, двигающихся в том же направлении. Этот поток фотонов будет поочередно отражаться от зеркал, усиливаясь при каждом прохождении через рабочее тело вследствие вынужденного испускания света. Для вывода лазерного излучения одно из зеркал делается полупрозрачным. Для того, чтобы волна, дважды отразившись от зеркал, возвратилась к испустившему ее центру в той же фазе, в которой она была испущена, необходимо выполнение условия резонанса:

2L = m, где L – расстояние между зеркалами, – длина волны, m=1,2… каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ Таким образом, для устойчивой генерации лазерного излучения необходимо выполнить следующие принципы:

1. Принцип монохроматичности. Фотоны лазерного излучения имеют одинаковую длину волны.

2. Принцип инверсии населённости. В неравновесном состоянии имеется «обращённое» распределение атомов по энергетическим состояниям: на верхнем уровне концентрация атомов больше, чем на нижнем 3. Принцип вынужденности излучения (закон Эйнштейна). Атом, находящийся в возбуждённом состоянии может под действием фотона перейти в основное, низшее энергетическое состояние с выделением фотона, когерентного фотону возбуждения.

4. Принцип самовозбуждения обеспечивается резонаторной системой и состоит в усилении света при многократном прохождении потока фотонов через рабочее тело.

1.2. Разновидности лазеров.

Оптические квантовые генераторы подразделяют:

• по виду накачки: оптическая, электрическая (инжекционная), химическая, радиационная.





• по режиму работы: непрерывные лазеры; импульсные лазеры.

• по типу рабочего тела: твёрдотельные с примесями, газовые, полупроводниковые, жидкостные.

Рассмотрим основные разновидности лазеров.

Жидкостные лазеры. В этом типе лазера в качестве активной среды используется раствор неорганических соединений редкоземельных элементов и органических красителей. Среди лазеров на неорганических соединениях наибольшее развитие получили лазеры на растворе оксихлорида селена с примесью неодима. Такой лазер генерирует излучение длиной волны 3 мкм. Очень интенсивно развиваются лазеры на органических красителях. В качестве красителей применяют родамин 6G (C26H27N2O3Cl). Он хорошо растворяется в метиловом спирте и воде.

КПД лазеров на красителях доходит до 50 %, они обладают высокой направленностью излучения и могут работать как в импульсном режиме, так и в непрерывном. Основное достоинство жидкостных лазеров – возможность перестройки частоты от ближнего УФ (0,34 мкм) до ближайшей ИК области (11,74 мкм) – простой заменой красителя.

Полупроводниковые лазеры. В качестве активного вещества в полупроводниковых лазерах применяют обычно арсенид галлия, а так же кремний с примесью индия, фосфат галлия, арсенид индия и др. полупроводниковые материалы. По виду накачки лазеры делятся на:

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ • лазеры с инжекционной накачкой (пропускание электрического тока через p-n- переход). Конструкция полупроводниковых лазеров напоминает конструкцию плоского диода, поэтому эти лазеры называют ещё диодными лазерами. Полупроводниковые лазеры генерируют излучение в ИК области за счёт процессов рекомбинации, происходящих в р-n переходе. Излучение полупроводникового лазера с инжекционной накачкой характеризуется большой расходимостью за счет того, что генерируются лучи эллиптического сечения с малой осью эллипса, параллельной р-n переходу.

• Лазеры с радиационной накачкой (перевод электронов из валентной зоны в зону проводимости ионизирующим излучением) Достоинство полупроводниковых лазеров – малый вес, небольшие размеры (111 мм), малая потребляемая мощность, высокий КПД. Для увеличения мощности данные лазеры могут быть собраны в блоки, состоящие из большого количества отдельных лазеров.

Газовые лазеры. Для проведения более энергоёмких процессов, таких как, сварка швом, резка толстых диэлектрических материалов и металлов, требуются более мощные лазеры. Для этой цели применяют газовые лазеры.

В газовых ОКГ для возбуждения частиц применяется электрический тлеющий разряд. В импульсном режиме активная среда возбуждается газовым разрядом высокочастотного (24 - 30 МГц) поля, которое подводится от специального генератора. Для работы в непрерывном режиме активная среда в излучателе возбуждается стационарным тлеющим разрядом между расположенными в излучателе электродами, к которым подведено напряжение от высоковольтного выпрямителя.

В качестве активного материала применяют азот (N2) (длина волны излучения 0,34 мкм) или углекислоту (CO2) (длина волны 10,6 мкм).

Также примером газового ОКГ может быть лазер на смеси гелия и неона, генерирующий излучение с длиной волны 1,118; 1,153; 1,16; 1,199 и 1,207 мкм. Наиболее интенсивно излучение при = 1,1530 мкм. Такие лазеры могут работать в непрерывном режиме при мощности в сотни и тысячи ватт. Для того, чтобы газ при этом не нагревался, его непрерывно прокачивают через стеклянную трубку или в газовую смесь добавляют гелий, способствующий её охлаждению благодаря своей высокой теплопроводности.

Лазеры на углекислом газе излучают в результате колебательных переходов молекул, что и определяет большую длину волны (10,6 мкм), они обладают наиболее высоким КПД.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ Твёрдотельные лазеры на примесях. Активной средой в данном типе лазеров могут быть рубин (плавленая окись алюминия с добавкой 0,05 % трёхвалентного хрома), стекло с примесями неодима (до 5 %), алюмоитриевый гранат с неодимом. В качестве источника возбуждения активных атомов рабочего тела используется импульсная газоразрядная лампа.

Например, при накачке кристалла рубина излучением длиной волны = 0,569 мкм ионы хрома поглощают это излучение, что приводит к переходу валентного электрона на верхний энергетический уровень. В основное состояние электроны возвращаются в результате двух последовательных переходов. На первом этапе электроны предают часть своей энергии кристаллической решетке. Это - безизлучательный переход на промежуточный (метастабильный) уровень. На этом уровне электроны сохраняют свою энергию в течение длительного времени. В результате создается так называемая избыточная населенность метастабильного уровня, после чего электроны переходят в основное состояние, излучая при этом красный свет = 0,6943 мкм и = 0,6929 мкм. Соотношение между энергиями излучательных и безизлучательных переходов в основном определяет коэффициент полезного действия лазера.

Чтобы усилить излучение, нужно заставить участвовать в генерировании возможно большее число возбужденных частиц. Для этого увеличивают размеры активного вещества и используют резонаторную систему - две отражательные пластины, расположенные по торцам активного вещества. Одна из пластин полностью отражающая, другая - частично. При многократном отражении волны в резонаторе в излучение вовлекается все больше возбужденных частиц, в результате чего электромагнитная волна резонансно усиливается. Усиленное излучение выводится наружу через частично отраженную пластину резонатора.

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 11 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.