Послідовність виконання роботи. “Технологія лазерної обробки”

ЛАБОРАТОРНИЙ ПРАКТИКУМ

З ДИСЦИПЛІНИ

“ Технологія лазерної обробки ”

частина І

ДЛЯ СТУДЕНТІВ НАПРЯМУ ПІДГОТОВКИ

6.050502 “Інженерна механіка”

 

В авторській редакції

 

 

-----------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Гарн_. Times New Roman. Обл_.-вид. арк. 3,22. Зам_. № 11-е

---------------------------------------------------------------------------------------------------------------

Черкаський державний технологічний університет

Свідоцтво про державну реєстрацію ДК № 896 від 16.04.2002 р_.

бульвар Шевченка, 460, м_. Черкаси, 18006.

ВСТУП

 

Курс "Технологія лазерної обробки" є однією з базових професійно-орієнтованих дисциплін підготовки інженерів за спеціальністю „Обробка матеріалів за спец технологіями”. Метою вивчення даного курсу є набуття студентами знань, навичок та умінь щодо методів дослідження характеристик лазерного випромінювання, налагодження установок технологічних лазерів, вивчення властивостей матеріалів після обробки лазером, підбору технологічних параметрів лазерної обробки. Лабораторні роботи є невід'ємною частиною курсу. При їх виконанні студенти закріплюють знання, отримані при вивченні теоретичного матеріалу.

Журнал звітів лабораторних робіт повинен бути оформлений згідно ГОСТ 2.105-95.

Звіт кожної лабораторної роботи повинен містити назву роботи, мету, теоретичні відомості, таблиці або графіки з результатами виконання лабораторної роботи та висновок.

Звіт оформлюється на бланках для текстових матеріалів за формою 5. Текстова частина має бути написана від руки або у вигляді машинописного тексту чи комп'ютерного набору через 1,5 інтервалу.

Підготовка до лабораторної роботи повинна розпочинатись заздалегідь. До початку роботи студент повинен оформити звіт - записати назву роботи, мету і теоретичні відомості. Підготувати відповіді на контрольні запитання, ознайомитись з матеріалами за темою даної роботи в рекомендованій літературі. Під час виконання лабораторної роботи студент повинен занотувати необхідні параметри, заповнити таблицю або побудувати графіки. Зробити висновки по виконаній роботі, спираючись на теоретичні знання, набуті під час підготовки до лабораторної роботи, та результати практичного виконання роботи.

Після кінцевого оформлення звіту з лабораторної роботи студент має захистити її викладачу, що проводить лабораторні заняття. Звіти лабораторних робіт виконані протягом семестру підшиваються в журнал. Захищені лабораторні роботи є допуском до складання іспиту або заліку з даного курсу.

ЗМІСТ

 

Лабораторна робота №1 ВИВЧЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Лабораторна робота №2 ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ТЕХНОЛОГІЧНИХ ЛАЗЕРІВ
Лабораторна робота №3 ФОКУСУВАННЯ ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ
Лабораторна робота №4 ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №4
Лабораторна робота №5 ВИВЧЕННЯ КОНСТРУКЦІЇ ВИМІРНИКА ДЛЯ ЛАЗЕРНОЇ ДОЗИМЕТРІЇ ІЛД-2
Лабораторна робота №6 РОЗПОВСЮДЖЕННЯ ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ В ОПТИЧНИХ СВІТЛОВОДАХ
Лабораторна робота №7 HE-NE ЛАЗЕР. ПРИНЦИП ДІЇ, БУДОВА Й ОСНОВНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ
Лабораторна робота №8 ВИВЧЕННЯ ПОГЛИНАЛЬНОЇ ЗДІБНОСТІ МЕТАЛІВ ПРИ ОБРОБЦІ ЛАЗЕРОМ
Лабораторна робота №9 ВИВЧЕННЯ КОНСТРУКЦІЇ ТА ПРИНЦИПУ ДІЇ CD- ТА DVD-ROM ПРИВОДІВ

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА №1

 

ВИВЧЕННЯ ХАРАКТЕРИСТИК ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ

Мета роботи: ознайомитись з характеристиками лазерного випромінювання при проходженні у повітряному середовищі.

 

Лабораторне обладнання

1. Лазери газові ЛГ-78 та ЛГН-207Б.

2. Лазер напівпровідниковий LSM-464.

3. Інструкції з експлуатації та техніки безпеки при роботі з лазерами.

4. Набір дзеркал.

5. Експериментальна оптична установка.

 

Послідовність виконання роботи

1. Ознайомитись із характеристиками лазерного випромінювання.

2. Вивчити інструкцію з техніки безпеки при роботі з лазерами ЛГ-78 та ЛГН-207Б.

3. Змінюючи відстань між лазерами та мішенню з кроком 50 см виміряти діаметри лазерного променя, визначити розбіжність променя.

4. Замалювати неоднорідну структуру променя, що спостерігається на мішені.

5. Зібрати експериментальну оптичну установку.

6. Отримати за допомогою експериментальної установки контрастну інтерференційну картину. При цьому відстані від світлоділильної пластини до дзеркал 6 та 8 повинні бути рівними.

7. Переміщати дзеркало 8 по рейці 9 доки контраст між смугами зменшиться до нуля. Визначити різницю довжин оптичних шляхів, що буде дорівнювати довжині когерентності.

8. Зробити висновки по роботі.

 

Загальні відомості

До характеристик лазерного випромінювання відносяться: монохроматичність, когерентність, направленість та поляризація випромінювання, просторово-часова структура випромінювання, часова структура випромінювання.

Монохроматичність. Лазерне випромінювання має надзвичайно вузьку спектральну лінію, тобто представляє собою світло практично однієї довжини хвилі. Монохроматичність лазерного випромінювання зобов'язана наявності головним чином наступних ефектів: а) резонансному характеру взаємодії між активним середовищем й електромагнітним випромінюванням, у наслідку чого відбувається посилення випромінювання із центральною частотою в смузі взаємодії, б) наявності резонатора із двох дзеркал, що забезпечує виникнення генерації тільки на частотах цього резонатора.

Для кількісного аналізу ступеня монохроматичності випромінювання вводиться величина ∆ν або (∆ω = 2π∆ν) називана шириною лінії даного джерела. Ширину лінії можна також характеризувати в шкалі довжин хвиль ∆λ. Співвідношення між цими величинами знаходять із виразу с = λν, де с - швидкість світла. Для малих значень ∆λ маємо:

∆ν = (с/λ²)∆λ. (1.1)

∆λ = (с/ν²)∆ν. (1.2)

У випадку, коли лазер генерує в одномодовому режимі й вихідному випромінюванні не змінюється в часі, теоретична межа монохроматичності визначається із виразу:

, (1.3)

де Р - вихідна потужність, τ_с - час життя фотона в резонаторі, рівне τ_с = d/γ_c, де γ - втрати в резонаторі за один прохід, d - його довжина.

Практично, такі ефекти, як, наприклад, вібрація або термічне розширення резонатора, приводять до того, що граничне значення ∆ω стає значно більшим. Для випадку многомодового режиму, монохроматичность пов'язана із числом генеруємих мод. Ширина лінії випромінювання в цьому випадку часто виявляється порядку мегагерц.

Якби світло містило випромінювання один-єдиної частоти, то відповідна спектральна лінія була б нескінченно вузькою (∆ν = 0) і таке світло було б абсолютно монохроматичним. Однак навіть одномодовий лазер, що генерує випромінювання з найвищим ступенем монохроматичності, яка досягнута на сьогоднішній день, далекий від ідеального.

Когерентність. Електромагнітні коливання лазерного випромінювання мають однакову частоту, або довжину хвилі, однакову фазу, або різницю фаз. Цим лазерне випромінювання відрізняється від випромінювання інших джерел. Когерентність – це властивість електромагнітних хвиль, коли відбувається узгодженість у часі і просторі декількох хвильових процесів. Випромінювання, яке володіє когерентністю теоретично можна фокусувати у пляму діаметром, рівним довжині хвилі випромінювання.

Наявність когерентності випромінювання перевіряється при розгляді амплітуд і фаз хвильового електромагнітного поля. Тому поняття когерентності дуже тісно зв'язують з іншим фундаментальним явищем випромінювання — інтерференцією — додаванням хвильових полів із взаємним посиленням або з взаємним ослабленням у залежності від координат простору і часу. Класичний експеримент Юнга інтерференції від двох отворів (рис. 1.1) може служити якісною мірою когерентності збурювання поля двох джерел випромінювання. Якщо обидва джерела мають однакову яскравість, то наявність чітких інтерференційних смуг можна вважати ознакою доброї когерентності, тоді як відсутність смуг відповідає повній некогерентності. Стаціонарність інтерференційної картини з високим контрастом також визначає когерентність випромінювання. З достатнім ступенем наближення можна вважати, що когерентність є властивість електромагнітних полів, коли відбувається узгодження в часі і просторі декількох хвильових процесів. Якість когерентності оцінюється по інтерференційній картині, що спостерігається в експерименті.

 

Рис. 1.1. Схема класичного експерименту Юнга для спостереження інтерференційної картини: S — джерело; S_1,2 — положення діафрагм.

 

Просторова когерентність у заданий момент часу зв'язана з кореляцією між фазами хвиль електромагнітного поля в різних крапках простору. Якщо обрати дві крапки різниця фаз між якими в початковий момент часу дорівнює нулю, то просторова когерентність присутня коли ця різниця фаз не змінюється у часі.

Тимчасова когерентність характеризує кореляцію між фазами електромагнітного поля в заданій крапці простору в різні моменти часу.

Довжину когерентності зручно вимірювати за допомогою інтерферометра Майкельсона (рис 1.2). Світло від джерела S коллімується лінзою, а потім ділиться напівпрозорою пластиною П на два пучки рівної інтенсивності. Ці пучки поширюються по різних напрямках: один до дзеркала M₁, інший - до дзеркала M₂. Відбиваючись від дзеркал, пучки йдуть у зворотному напрямку до світлоподіляючої пластини. Так як частина світла відбивається від неї, а інша частина проходить через неї, то пластина служить і для складання двох пучків в один пучок, що попадає на екран. Так як відстані від пластини до дзеркал L₁ й L₂ різні, то світло у двох розділених пучках проходить шляхи різної довжини. При цьому повна різниця довжин шляхів, прохідних пучками, становить:

DL=2(L₁ - L₂). (1.4)

Рис.1.2. Інтерферометр Майкельсона: S- джерело світла, П – напівпрозоре дзеркало, М₁, М₂ – дзеркала, Е –екран.

Направленість випромінювання. Однією з важливих властивостей лазерного випромінювання являється висока направленість пучка. Це означає, що енергія може легко переноситись по пучку на значні відстані, а при необхідності легко фокусуватись на площини невеликих розмірів. Випромінювання, яке генерується іншими джерелами розповсюджується в широкому тілесному куті і фокусується з великими втратами енергії на відбиття і поглинання. У реальних лазерах спостерігається збільшення розбіжності променя. Це обумовлено рядом причин. Перша полягає в тім, що хвиля на виході лазера навіть у резонаторі із плоскими дзеркалами є не плоскою, а має сферичність внаслідок дифракції хвилі усередині резонатора; крім того, амплітуда поля в межах дзеркала також змінюється. Друга причина збільшення розбіжності - наявність неоднорідностей в активному середовищі й недосконалість оптичних елементів резонатора, що приводить до перекручування розподілу поля на дзеркалах резонатора. Третя причина "розширення" діаграми спрямованості багатомодовий склад випромінювання лазера, точніше, наявність поперечних типів коливань.

Поляризація. Представлення про поляризацію випромінювання як його особливу фізичну властивість уперше ввів у 1704 р. І. Ньютон, а термін «поляризація» належить французькому військовому інженерові Э. Малюсу (1775—1812 рр).

Електромагнітні хвилі в яких напрямки векторів електричного Е и магнітного Н полів зберігаються незмінними в просторі або змінюються по визначеному законі, називаються поляризованими. За напрямок поляризації приймається напрямок вектора електричного поля Е, оскільки напрямки векторів Е и Н є взаємно ортогональними. Досліджуючи поляризацію випромінювання, виключимо з розгляду магнітне поле і будемо цікавитися орієнтацією вектора Е в площині хоу, ортогональній напрямкові поширення хвилі. Розрізняють кілька типів поляризації хвилі: лінійно-поляризоване, поляризоване по колу й еліптично поляризоване випромінювання. Характер поляризації визначається рухом кінця вектора Е, що, в залежності від типу поляризації, описує або синусоїду, або окружність, або еліпс у проекції на площину хоу з частотою, рівній частоті поширення хвилі в просторі. В залежності від напрямку обертання вектора Е розрізняють праву і ліву поляризацію (обертання вектора Е проти годинникової стрілки, якщо дивитися проти напрямку поширення світла). Площина, що проходить через напрямок випромінювання й ортогональна до площини коливань векторів, називають площиною поляризації (рис. 1.2 а, б).

Розглянемо квантову природу поляризації. Зміна квантових чисел атома, супроводжувана переходами, зокрема, з випромінюванням фотонів, регламентується правилами відбору. Це дозволені квантові переходи.

Фізична сутність явища поляризації заснована на правилі відбору для магнітного квантового числа фотона m_i = 0; ±1. Наприклад, при m_i = 0 поглинається або випромінюється лінійно поляризоване випромінювання. При m_i = +1 випромінювання має праву кругову поляризацію, при m_i = -1 — ліву кругову поляризацію. Маса спокою фотона дорівнює нулю, тому що по релятивістських законах фотон може рухатися тільки зі швидкістю світла.

Крім магнітного моменту й імпульсу, фотон має ще спин — момент кількості руху S. Спин фотона дорівнює одиниці і як елементарна векторна величина спрямована протилежно моментові m_i. Квантова природа спина виявляється в тім, що він може мати тільки дискретну орієнтацію в просторі, що і визначає анізотропію поляризації фотона.

Таким чином, поляризацію фотона пояснює не тільки дискретна орієнтація магнітного моменту m_i, але й орієнтація його спина S. Така дискретність орієнтації спина фотона полягає в тому, що вектор S може мати тільки два напрямки — співпадаюче з напрямком руху фотона (праву кругову поляризацію), або протилежне — ліву кругову поляризацію. Лінійно поляризаційне випромінювання не має спина, тому що в цьому випадку кожен фотон визначається суперпозицією двох взаємновиключаючих протилежних кругових поляризацій.

Якщо розглянути видимий спектр (оптичний діапазон довжин хвиль), то світлове випромінювання, що представляє собою сукупність електромагнітних хвиль однакової інтенсивності, коливання яких відбуваються у всіляких мислимих напрямках, ортогональних до напрямку поширення світла, називають природним.

Наприклад, природне сонячне світло не поляризоване, тому що складається з безлічі плоскополяризованих хвиль із усілякими напрямками поляризації, а електричне поле його сумарної хвилі безладно змінює величину і напрямок. Перетворити сонячне неполяризоване світло в лінійно поляризоване можна пропустивши його через поляроїд — елементарний оптичний прилад, що пропускає хвилі з визначеним напрямком вектора Е и поглинаючий або відхиляючий хвилі з іншими напрямками поляризації. Поляроїдом може служити, наприклад, герапатитова плівка (сіль йоду і хініну), затиснута між двома скляними пластинками, турмалін і навіть целофан. Кращі поляроїди дорогі, тому що них виготовляють з натурального ісландського шпату або кристалічного кварцу у виді складених призм Волластона, Глана, Томпсона, Франка-Рихттера, Сенармона, Николя і т.д. Лінійна поляризація випромінювання на виході цих призм здійснюється за рахунок явища подвійної променезаломлюваності в кристалах.