82. Светолучевая обработка физические принципы, применяемое технологическое оборудование.

В 1961 г. был разработан первый образец оптического квантового генератора (ОКГ), в котором в качестве рабочего тела был синтетический рубин.Термин Лазер получился по первым буквам английского выражения: Light Amplification by Stimulated Emisson of Radiation (усиление света с помощью индуцированного излучения).В 1961 г. был создан газовый лазер (рабочее тело -- гелий+неон). Это наиболее мощные лазеры. С их помощью можно получить непрерывное излучение мощностью до сотен кВm. Затем появились полупроводниковые лазеры.Рабочий диапазон излучения ОКГ охватывает область от ультрафиолетового с длиной волны 0,3 мкм до инфракрасного с длиной волны 300 мкм.Лазеры нашли широкое применение (для передачи информации и связи, для измерения расстояний с большой точностью).Особое место занимает лазерная технология - использование ОГК для нагрева, плавления, испарения, сварки и резки материалов.По плотности потока энергии (до Вm/м2) лазер пока не имеет себе равных.

Физические основы получения и применения светолучевых источников энергии

плазменный излучение сварка деталь

Полихроматический свет и его использование для технологических целей

Обычное световое излучение - полихроматический свет - состоит из различных частот, лежащих в диапазоне видимой части спектра.

По длинам волн л (мкм) диапазон светового излучения условно делится на несколько областей:

ИК 750…0,76 мкм

Красная 0,76…0,62 мкм

Оранжевая 0,62…0,59 мкм

Желтая 0,59…0,56 мкм

Зеленая 0,56…0,50 мкм

Голубая 0,50…0,48 мкм

Синяя 0,48…0,45 мкм

Фиолетовая 0,45…0,40 мкм

УФ 0,40…0,005 мкм.

Полихроматическое излучение возникает в результате нагрева тел. Это излучение происходит в виде отдельных порций -- квантов или фотонов.

Энергия фотона:

е =h·f , Дж (6.1)

Где h=6,625--постоянная Макса Планка (1858…1947 г.г.) -- немецкого физика, в 1918 г. получившего Нобелевскую премию;f -- частота излучения, Гц.

В обычных условиях атомы вещества излучают одновременно кванты различной энергии, так как переход электронов с одних орбит (с дальних на ближние) на другие не носит организованного характера.

Для применения энергии света для тех или иных технологических процессов требуется фокусировка луча; полихроматичность играет в данном случае отрицательную роль.

Так как волны разной длины имеют различный коэффициент преломления, то полихроматичный свет (проходя через линзу) фокусируется в виде пятна довольно значительных размеров.

Это явление носит название хроматической аберрации (отклонение от норм, искажение …).

Диаметр светового пятна достигает сотен и тысяч мкм. В результате максимальная плотность энергии в пятне нагрева не превышает Вm/м2, что соизмеримо с нагревом от пламени газовой горелки и в 104…105 раз меньше, чем для монохроматического луча лазера.

Система линз ш75…120 мм не дает возможность получить в фокусе пятно диаметром менее 1…2 мм, а сферическое зеркало диаметром 1 м фокусирует солнечные лучи в пятно диаметром 20…60 мм.В промышленности световую энергию используют от источников света в виде ламп накаливания или дуговых газоразрядных ламп. Их мощность до нескольких десятков кВm (в кварцевых корпусах).Кварцевые лампы нагревают поверхности до температуры 600…1200 °К; газоразрядные (с системами фокусировки) -- до 1800…2000 °К, что вполне достаточно для плавления ряда материалов.

Когерентное излучение

Если частота f и длина волны л постоянны и не зависят от времени ф, то волна монохроматична.Если амплитуда, частота, фаза, направление распространения и поляризация электромагнитной волны постоянны во времени или изменяются по определенному закону, то такая волна когерентна.Монохроматичная волна всегда когерентна, а когерентность двух немонохроматических волн означает, что они обладают одинаковым набором частот f и разность их фаз постоянна во времени.Чем короче длина волны, тем меньше расходимость параллельных пучков энергии этих волн. Это используется (для) при локации и определении расстояний до предметов.Для монохроматического излучения теоретически достижимый диаметр сфокусированного луча составляет 0,4…1 мкм (но из-за отсутствия идеальной монохроматичности и когерентности луча этот диаметр несколько больше).Получить когерентное световое излучение удалось средствами квантовой электроники.