Федеральное агентство по образованию Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Омский государственный технический университет»
Кафедра: «Оборудование и технологии сварочного производства»
Домашняя работа
по дисциплине «Теория сварочных процессов»
«Лазерная сварка»
Выполнил студент:
Черемисин Е.Ю. гр. СМ-211
Проверил:
Лопаев Б.Е.
Омск-2013
Фотонно-лучевые источники
Практическое применение волновой теории света и усовершенствование технологии изготовления оптических линз, стекол и зеркал позволили создать целый ряд разнообразных оптических приборов. Была установлена принципиальная возможность фокусировки светового пучка на относительно небольших поверхностях и концентрации энергии, достаточной для разогрева и плавления различных материалов. В качестве источника светового излучения использовали Солнце.
Устройства для технологического применения солнечной энергии в земных условиях имеют до сих пор сугубо экспериментальный характер, так как они требуют непрерывного слежения за перемещающимся относительно Земли Солнцем и зависят от состояния атмосферы. Вместе с тем возможность использования даровой солнечной энергии, плотность мощности которой составляет в среднем около 400 Вт/м^2, стимулирует развитие различных способов ее преобразования в другие виды энергии (прежде всего в тепловую и электрическую).
Создание лазеров позволило широко применять их в различных исследованиях для передачи информации, для связи и измерения расстояний с большой точностью. Особое место занимает «Лазерная технология» как группа процессов, использующих мощное излучение лазера для нагрева, плавления, испарения, сварки и резки материалов. Это направление начало развиваться с 60-х голов ХХ в., и в настоящее время лазер рассматривают как один из наиболее перспективных лучевых источников энергии.
В некоторых областях технологического применения с лазером конкурируют электронный луч и полихроматические источники света, что связано прежде всего с более простым в изготовлении и эксплуатации оборудованием для осуществления процессов, в которых используются эти источники.
Когерентное излучение и его основные свойства
Обычный полихроматический свет, излучаемый нагретыми телами, можно представить в виде набора большого числа гармонических электромагнитных волн с различными частотами и хаотично изменяющимися во времени фазами.
При распространении гармонической электромагнитной волны в пространстве создаются чередующиеся электрическое поле напряженностью Е и магнитное поле напряженностью Н.
Если частота колебаний и длина волны не зависят от времени, то волна называется монохроматической. Реальные электромагнитные волны не являются монохроматическими.
Немонохроматическую волну можно представить в виде суммы конечного (или бесконечного) числа монохроматических волн, и чем уже диапазон, в котором группируются частоты монохроматических составляющих немонохроматической волны, тем ближе она по свойствам к монохроматической волне.
Аргумент синуса (косинуса), называемой фазой колебаний гармонической волны, определяет состояние колебательного процесса в момент времени в точке пространства при распространении электромагнитной волны с начальной фазой. Согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов называется когерентностью. Если разность фаз колебаний двух электромагнитных волн постоянна или изменяется не хаотически, а упорядоченно, по определенному закону, то такие волны когерентны. Монохроматические волны всегда когерентны, а взаимная когерентность двух немонохроматических волн означает, что они обладают одинаковым набором частот и разность их начальных фаз постоянна во времени.
Генерация когерентных радиоволн была осуществлена еще до появления лазеров, но генерировать когерентный свет стало возможным только после создания лазерных источников оптического излучения. Получение когерентных электромагнитных волн оптического диапазона благодаря их высокой частоте позволяет передавать по оптическому каналу связи гораздо больше информации, чем по радиоканалу. Чем короче длина волны, тем меньшую расходимость можно получить при формировании из этих волн параллельных пучков энергии, а это обстоятельство весьма важно при локации и определении расстояния до предметов.
Получить при помощи обычных источников монохроматический свет достаточной интенсивности не представляется возможным. С целью создания мощных источников когерентного света физики исследовали различные способы его генерации и аналогично генерации радиоволн пытались применить для этой цели электронные потоки и объемные резонаторы. Однако размеры резонатора должны быть соизмеримы с длиной волны, что в данном случае трудно осуществимо. Традиционное для радиотехники генерирование колебаний при помощи электронных потоков в данном случае оказалось не осуществимым, и получение когерентных электромагнитных волн в оптическом диапазоне было реализовано средствами квантовой электроники.
Квантовая электроника оперирует отдельными молекулами и атомами, используя для генерации колебаний их резонансные свойства. Атомы, молекулы и кристаллы представляют собой сложные микросистемы, состоящие из ядер и электронов. Энергия относительного движения частиц, составляющих атом или молекулу, в соответствии с современными физическими воззрениями может принимать только строго определенные значения энергии, которые называют уровнями энергии. Система энергетических уровней составляет энергетический спектр атома; нижний уровень с минимальной энергией называется основным, а остальные – возбужденными. Энергетический спектр атома зависит от его структуры, а число электронов, обладающих данной энергией, называется заселенностью соответствующего энергетического уровня.
Если атому, находящемуся на основном уровне, сообщить энергию, он может перейти на один из возбужденных уровней. Наоборот, возбужденный атом может самопроизвольно перейти на один из нижерасположенных уровней, испустив при этом определенную порцию энергии в виде кванта света (фотона). Если излучение происходит при переходе атома с уровня энергии En на уровень Em, то частота испускаемого фотона:
Vnm=En-Em/h
Именно такие спонтанные процессы излучения и происходят в нагретых телах. Нагрев переводит часть атомов в возбужденное состояние, и при переходе в нижние состояния они излучают кванты света. Излучение разных атомов происходит независимо друг от друга и носит статистический характер. Фотоны хаотически испускаются атомами в виде так называемых волновых цугов, которые не согласованы друг с другом во времени, имеют различную фазу и случайный характер направления распространения. Поэтому спонтанное излучение некогерентно и ненаправлено.
Кроме спонтанного излучения возбужденного атома существует вынужденное излучение, когда атомы начинают излучать энергию под действием внешнего электромагнитного поля. Явление вынужденного излучения дает возможность управлять излучением атомов с помощью электромагнитного поля и таким путем усиливать или генерировать когерентное световое излучение.
Чтобы это осуществить практически, нужно выполнить следующие условия:
Необходимо обеспечить резонанс – совпадение частоты падающего света с одной из частот энергетического спектра.
Наряду с вынужденным излучением света атомами, находящимися на верхнем уровне, происходит резонансное поглощение энергии атомами, находящимися на нижнем уровне. При этом атом поглощает световой квант и переходит на уровень ниже, что препятствует генерации света. Для генерации когерентного света необходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне было больше числа атомов на нижнем уровне. В естественных же условиях на более высоком уровне при любой температуре всегда меньше частиц, чем на более низком. Для возбуждения когеретного излучения надо принять специальные меры.
В процессе генерации излучения часть излучаемой световой энергии должна все время оставаться внутри рабочего вещества, вызывая вынужденное излучение все новых порций атомов, т.е. осуществляя обратную связь. Это обычно выполняется при помощи зеркал.
Усиление, обеспечиваемое рабочим веществом, должно превышать некоторое пороговое значение, зависящее от коэффициента отражения полупрозрачного зеркала. Чем меньше этот коэффициент, тем больше должно быть пороговое усиление, обеспечиваемое рабочим веществом, иначе генерируемое рабочим веществом излучение затухнет.
Выполнение этих условий позволяет создать систему, способную генерировать когерентное световое излучение. Такая система получила название оптического квантового генератора (ОКГ), или лазера. Таким образом, лазер – это генератор пучка электромагнитных волн инфракрасного, видимого и ультрафиолетового диапозонов. В отличие от излучения традиционных световых источников, лазерное излучение обладает высокой когерентностью, малой угловой расходимостью, высокой монохроматичностью и большой мощностью. Работа этого генератора основана на принципе усиления вынужденного излучения.