Лазерные технологии с момента своего открытия широко применяются в самых разных отраслях науки и техники, а также в быту. Все мы пользуемся лазерными принтерами, лазерными указками, в магазинах используются считыватели штрих-кодов на основе лазерного луча. В медицине с помощью лазеров проводятся сложнейшие операции и многое другое. Наш курс посвящен физическим основам лазерных технологий. Цель курса — дать глубокое понимание физических процессов, происходящих при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом и рассмотреть физические проблемы этого взаимодействия. Применение знаний, полученных при изучении курса, будет способствовать повышению эффективности как существующих производств, так и внедрению лазерных технологических процессов в еще не охваченные области промышленности. Курс включает два основных раздела: 1. Физические процессы, происходящие при взаимодействии мощного лазерного излучения с металлами, полупроводниками и диэлектриками; 2. Лазерные технологические установки и лазерные технологические процессы. В этом курсе Вы: • узнаете, что статистика Ферми-Дирака, которой подчиняются свободные электроны в металле, накладывает значительные ограничения на процесс поглощения лазерного излучения, • откроете для себя многообразие физических процессов поглощения лазерного излучения полупроводниками, • получат возможность оценить возможность реализации того или иного технологического процесса, • научитесь правильно выбирать и составлять схему установки. В рамках курса Вы познакомитесь не только с принципами работы различных технологических лазеров, но и с недостатками и преимуществами всех используемых активных элементов технологических лазеров, включая самые современные волоконные лазеры. В качестве примера использования лазеров в технологии будет подробно рассмотрена современная лазерная технология в области электроники и создания интегральных схем. Весьма интересным представляется раздел лазерной химии, основанный на резонансном возбуждении атомов и молекул лазерным излучением. Здесь Вы получите новую информацию об уникальных возможностях лазерного излучения для разделения изотопов (включая разделение изотопов в атомной промышленности), получению особо чистых веществ и синтезу новых материалов. По завершении этого курса Вы сможете: 1. объяснить, как проходит процесс взаимодействия лазерного излучения с металлами, полупроводниками и диэлектриками; 2. выбрать оптимальный тип технологического лазера для осуществления того или иного технологического процесса; 3. построить оптимальную схему лазерной технологической установки; 4. дать рекомендации для оптимизации того или иного технологического процесса; 5. дать рекомендации по внедрению лазерной технологии в различные производства. Чтобы наиболее полно овладеть материалом курса, учащиеся должны знаниями основ физики твердого тела, лазерной физики, квантовой механики и статистической физики
Лазерные технологические установки на основе CO2-лазеров
Loading...
來自 National Research Nuclear University MEPhI 的課程
Введение в лазерные технологии
5 個評分
Explore Related Videos
At Coursera, you will find the best lectures in the world. Here are some of our personalized recommendations for you
從本節課中
Лазерные технологические установки на основе СО2-лазеров
В этом модуле Вы узнаете, как создается инверсная населенность в энергетической системе уровней СО2 молекул, чем определяется к.п.д. СО2-лазеров. Будут приведены схемы построения лазерных технологических установок на основе лазеров с диффузионным охлаждением, лазеров с конвективным охлаждением с продольной и поперечной прокачкой газовой смеси, непрерывных, импульсных и импульсно-периодических лазеров.
與講師見面
Менушенков Алексей ПавловичДоктор физико-математических наук, профессор
Кафедра физики твердого тела и наносистем
На прошлой лекции мы рассмотрели
возможности применения твердотельных лазеров,
для реализации технологических процессов.
СО2-лазеры так же используются,
они в значительной степени уступают конкуренцию,
но во многих процессах, которые требуются
очень больших энергий, ну например,
процессы резки элементов деталей самолетов,
ракет, подводных лодок и так далее.
До сих пор СО2-лазеры обладают
конкурентоспособностью в этих процессах,
поэтому мы рассмотрим сегодня
свойства СО2-лазеров в качестве
технологически активных элементов.
Значит СО2 работают на
использовании газовой смеси
состоящей из молекул СО2, азота и гелия.
Азот необходим для того, чтобы
передавать возбужденное состояние
колебательно-вращательного спектра азотной молекулы,
непосредственно молекулам СО2,
поскольку они находятся в резонансе.
Какие же рабочие уровни?
Вот мы посмотрим на слайде.
В СО2, соответственно, газе
есть три типа колебаний,
которые используются для организации
верхнего и нижнего рабочих уровней,
так называемые колебания молекулы
симметричны, антисимметричны и деформационные.
Симметричные, когда относительно молекулы углерода
атомы кислорода колеблются симметрично,
ассиметрично, когда колеблются не симметрично,
а деформационные, когда молекулы изгибаются.
Мы видим на слайде какие рабочие уровни
используют колебания типа одного,
другого или третьего.
Разность энергий позволяет реализовать
излучение в области 10,6 микрон и 9,6 микрон,
которые используются в технологии.
Важным параметров в технологических лазерах
на СО2 смеси является
коэффициент полезного действия.
Коэффициент полезного действия,
он достаточно сложно описывается,
он определяется произведением
коэффициентом полезного действия квантового,
колебательного, оптического,
разрядного и системы обслуживания.
Важно определить, что такое квантовый
коэффициент полезного действия.
Это отношение энергии кванта
к энергии верхнего рабочего уровня,
и оно составляет 41 %,
поэтому если вы после прохождения курса
когда-нибудь ответите на вопрос о том,
что может ли коэффициент полезного действия
СО2-лазера превышать 50% положительно,
то это покажет вашу полную, так сказать,
не состоятельность в понимании этого процесса.
Значит 41 %, запомните.
Дальше есть, соответственно,
колебательный коэффициент полезного действия,
описывающий эффективность оптической системы
и эффективность разрядной системы,
и эффективность всей системы обслуживания.
Лазеры на газовой смеси делятся на два типа:
лазеры с так называемым диффузионным охлаждением
и лазеры быстропроточные
или с конвективным охлаждением,
то есть первый тип, соответственно классификации,
это по типу охлаждения.
Во-первых, давайте подумаем, почему
вообще нужно охлаждение?
Конечно, смесь разогревается,
конечно, казалось бы, надо, конечно, ее охлаждать,
но принципиально то, что при нагреве смеси,
происходит разная степень зависимости
населенности верхнего и рабочего уровней.
Нижний уровень, соответственно, меняет
экспоненциальность температуры, а верхняя – линейна.
Поэтому есть точка пересечения,
когда при нагреве у нас пропадает инверсия.
Поэтому принципиально охлаждать смесь нужно
вследствие того, что пропадает инверсия.
Ну и конечно тогда есть здесь максимальная зависимость
инверсии от температуры,
то есть оптимальная температура для смеси.
В случае если используется лазеры
с диффузионным охлаждением, то охлаждение смеси
достигается диффузией тепла от,
соответственно, разогретого внутри трубки пространства
к охлаждаемым водой стенкам трубки,
где происходит разряд.
Все определяется коэффициентом диффузии тепла,
то есть определяется возможностью охлаждения,
принципиально мы могли бы, как бы в разряд
закачать большую энергию,
энергия определяется средним от
произведения плотности электрического тока
на среднюю напряженность поля,
но это значение ограничено возможностью охлаждения.
Поэтому первый важный вывод —
лазеры с диффузионным охлаждением имеют
ограничения на свою мощность
за счет способа или системы охлаждения.
Другой тип охлаждения — лазеры быстропроточные.
В этом случае смесь охлаждается
не за счет диффузии тепла,
а за счет ее смены в рабочей камере.
Смесь меняется быстрой прокачкой,
то есть каждый раз поступает охлажденная смесь,
которая соответственно может работать,
в которой есть легко создать инверсную населенность.
Ну и естественно, что лазеры
с диффузионным охлаждением имеют некую
предельную мощность, которая определяется
важным параметром.
Вообще для газовых лазеров важный параметр,
так называемый энергосъем
с единицы длины резонатора.
То есть если мощность лазера поделить
на длину резонатора, который реализован в лазере,
то мы получим такую характеристику,
по которой можно эти лазеры сравнивать.
Оказывается, что
для лазеров с диффузионным охлаждением,
за счет того что можно снять только
часть энергии за счет диффузии тепла,
это значение ограничено, от 50 до 100 Ватт с метра.
Поэтому для того, чтобы получить киловатную машину,
надо набрать много метров резонатора.
То есть сделать такую очень объемную систему.
Ну и когда начинала развиваться
технологическое применение СО2-лазера,
такие лазеры были созданы.
Они представляли из себя такие трубы:
5–10 метров, 5–6 метров,
в которых последовательно собиралось
несколько параллельно труб,
и в этих трубах создавалась, соответственно,
инверсия населенности,
и снималось излучение порядка 1 кВт.
Это ограничение на скорость охлаждения,
конечно, неудобная для развития мощных лазеров.
Поэтому более перспективными стали лазеры
с конвективным охлаждением.
Энергосъем существенно возрос,
и были реализованы разные типы лазеров.
Лазеры с конвективным охлаждением
с продольной прокачкой, где прокачивался
СО2 с азотом через трубы,
такие же трубки как и в лазерах
с диффузионным охлаждением,
но они уже не охлаждались водой,
а соответственно прокачивались и менялась смесь.
И следующий этап развития,
были созданы лазеры с поперечной прокачкой,
где уже соответственно организовывался разряд,
где разрядная камера совмещалась
с камерой резонатора в поперечном
направлении прокачки газа,
и уже в таких лазерах гораздо легче было бы получить
большие мощности.
Такие лазеры были созданы во многих странах
со средней мощностью в непрерывном режиме —
3, 5, 10 кВт и выше.
Ну и собственно вот эти лазеры с поперечной прокачкой
и составили основу технологического парка
лазеров для обработки больших деталей
в автомобильной промышленности,
в авиационной промышленности,
в ракетостроении и так далее.
Постепенно, поскольку есть преимущество
твердотельных лазеров, за счет конкуренции
на многих производствах постепенно происходит замена.
В значительной степени замена на волоконные лазеры.
