• Ешқандай Нәтиже Табылған Жоқ

Д.Серикбаева ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЗАДАЧАХ И ПРИМЕРАХ Методические указания для магистрантов специальности 7М05301 – Техническая физика Усть-Каменогорск 2020 (2)Баятанова Л.Б

N/A
N/A
Protected

Academic year: 2023

Share "Д.Серикбаева ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В ЗАДАЧАХ И ПРИМЕРАХ Методические указания для магистрантов специальности 7М05301 – Техническая физика Усть-Каменогорск 2020 (2)Баятанова Л.Б"

Copied!
82
0
0

Толық мәтін

ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЕ ЛАЗЕРЫ И ЛАЗЕРНОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ

Определить мощность и энергию импульсов лазерного излучения N2 длительностью  108 с, необходимые для достижения плотности мощности излучения в фокусе q0 107 Вт/см2, при расходимости луча 1 мрад и фокусном расстоянии оптической системы составляет 3 см, установим телескопическую систему с линзой, размер луча в фокусе линзы определяется как d0 f , где  — расходимость лазерного луча за телескопическая система:     bx. Определить, какая часть лазерного излучения находится внутри круговой области rr0, где r0 – характерный размер гауссовского распределения плотности мощности излучения в пучке qq e0 r r02.

Определить радиус области, в которой сосредоточено 50 %, 90 % всей энергии гауссова пучка, если задан характерный размер гауссова распределения r0.

ОПТИЧЕСКИЕ СХЕМЫ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

При этом деталь располагается на координатном столе (рис. 2.2, а), на оси (при производстве гибких печатных форм рис. 2.2, б) и т. д. б) Движение оптической системы в заданной плоскости - так называемые плоттерные системы или системы с "летающей" оптикой (рис. 2.2, в) - или по определенной траектории в пространстве, когда излучение направляется в оптическую систему путем подачи робота по оптическому кабелю (рис. 2.2, в). г). Увеличение телескопа произвольное, материал маски — медная фольга толщиной 0,1 мм, материал образца — хромовая пленка на стекле толщиной 0,1 мкм.

Определить расходимость лазерного излучения, обеспечиваемую пятном диаметром 0,5 мм на поверхности Фобоса, если лазер находится на расстоянии 100 м от его поверхности. Вычислить длину l0 и диаметр d0 световой трубки, образующейся при пучок диаметром D0 и расходимостью  фокусируется линзой с фокусным расстоянием f. Провести размерный расчет оптической системы для фокусировки излучения (1,06 мкм) от световода с внутренним диаметром 500 мкм при значении инварианта Лагранжа-Гельмгольца м рад в пятне размером d0 100 мкм.

Рассчитать маску для заданной точности профилирования поверхности  0,1 мкм при длительности импульса излучения  109с, максимальном значении плотности мощности излучения на поверхности образца qmax 1010 Вт·см. Рассчитайте оптическую систему ввода излучения Nd :YAG-лазера с расходимостью 10' и диаметром пучка 5 мм в одномодовое оптическое волокно с числовой апертурой 0,22.

ОСНОВНЫЕ ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ

Оценить плотность мощности лазерного излучения, необходимую для нагрева алюминия, меди, вольфрама и железа до температуры плавления и кипения лазерным излучением с длиной волны 1,06 мкм при длительности импульса излучения 103 с и  10-3 с. 7 с Оценить плотность мощности лазерного излучения q0, необходимую для нагрева поверхностей алюминия, меди, вольфрама, железа до температуры плавления и кипения непрерывным излучением с длиной волны  1,06 мкм при размере области облучения . Оценить плотность мощности лазерного излучения q0, необходимую для нагрева поверхностей керамики, стекла, пластмассы.. а) до температуры размягчения лазерным излучением с длиной волны.. б) до температуры разрушения непрерывным излучением Nd. :YAG-лазер с размером области облучения r0  100 мкм.

Рассчитайте плотность мощности лазерного излучения q0 и мощность импульса P лазера на молекулярном азоте (длительность импульса 108 с), необходимые для поверхностного окисления, плавления и испарения меди в области облучения r05 мкм и 50 мкм. Определить, происходит ли локальное испарение поверхности вольфрама при фокусировке на нее непрерывного луча Nd:YAG-лазера мощностью 100 Вт (фокусное расстояние оптической системы f  5 см) при расходимости луча. Определить противодавление, действующее на стальную мишень при испарении слоя толщиной 10 мкм импульсом лазерного излучения длительностью 10-7 с, если скорость выхода пара 1 км/с.

ЛАЗЕРНАЯ МИКРООБРАБОТКА МАТЕРИАЛОВ

Такой режим квазистационарного развития лунки устанавливается при q107 – 108 Вт/см2 в конце лазерного импульса длительностью 1 мс. При лазерной резке металлов и полупроводников со скоростью Vск  1 см/с и размером облучаемой области r0  0,5 мм источник тепла обычно перемещается медленно и температура в центре облучаемой области определяется выражением ( 3.5). При этом из-за высокой теплопроводности материала температура поверхности может зависеть и от толщины обрабатываемой плиты или плиты h, если время 2r V0 ск больше времени теплопроводного нагрева плиты h а2 , т.е.

Рассчитайте глубину отверстия, полученного импульсом свободного движения, без учета строения жала, если  103 с, W 102 Дж, диаметр пятна в фокусе 20 мкм. Предложите оптико-механическую схему лазерного сверления отверстий диаметром от 10 до 200 мкм в щели толщиной 100 мкм, если производительность лазера 600 отверстий/мин, фокусное расстояние оптической системы f 50 мм, материалы сталь и медь. Сравните пороги резки для импульсного и непрерывного Nd:YAG-лазеров и скорости резки для толщины листа d  1 мм и одинаковой средней мощности P = 500 Вт.

Определить максимально допустимую скорость сканирования лазерного луча при лазерной гравировке напылением поверхности хрома облучением непрерывным Nd:YAG-лазером мощностью 100 Вт при радиусе пятна облучаемой области r0  0,3 мм.

ЛАЗЕРНОЕ ТЕРМОУПРОЧНЕНИЕ И СВАРКА

При значениях плотности мощности излучения, недостаточных для интенсивного парообразования (q105 106 Вт/см2 при длительности воздействия  ~ 10-3 с – 10-2 с), передача тепла в глубь свариваемых материалов осуществляется в основном за счет теплового проводимость. Определить диапазон допустимых значений плотности мощности излучения при стыковой сварке двух листов золотой и хромовой фольги толщиной 0,1 мм излучением Nd:YAG-лазера ( 104 с). Расчеты показывают, что для достижения температуры плавления ему необходима плотность мощности излучения q Вт/см2, для золота из-за высокого коэффициента отражения значительно больше.

Нагрев осуществляется Nd:YAG-лазером мощностью P = 100 Вт, диаметром лазерного луча d = 6 мм, расходимостью рад, фокальной точкой используемой линзы f = 50 см. Определить, как зависит диапазон допустимых значений плотности мощности излучения при стыковой сварке двух пластин из алюминия и хрома облучением Nd:YAG-лазером от положения облучаемой зоны.

ЛАЗЕРНАЯ ОБРАБОТКА ПЛЕНОЧНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ

При ψ 1 (нагрев пленки в основном определяется теплопроводностью подложки, а оптические свойства пленки влияют только на количество поглощенной энергии, h ~ 0,1 мкм, t104 с). Для обработки пленки чаще всего используются эксимерные лазеры, лазеры Nd:YAG, N2 и Cu, реже используются CO2-лазеры, лазеры на неодимовом стекле и гелий-неоновые лазеры. Определить плотность мощности излучения, необходимую для наплавления пленки хрома толщиной 0,1 мкм на стеклянную подложку под действием N2-лазера с длительностью импульса 10 нс.

Определить скорость сканирования при обработке металлической пленки на стекле облучением импульсным Nd:YAG лазером при  = 10-8 с, при диаметре зоны воздействия d0 10 мкм ошибка ширины среза 0,1 мкм. Во сколько раз уменьшится глубина нагретого слоя в подложке при лазерной обработке пленок при переходе от Nd:YAG-лазера в свободном режиме к N2-лазеру. Найти плотность мощности излучения, необходимую для расплавления пленки Cu толщиной 0,1 мкм на керамической подложке при сканировании в непрерывном режиме со скоростью 1 см/с лазерным лучом Nd:YAG с площадью облучения 15 мкм.

Определить, достигается ли температура окисления пленки Cr толщиной 0,1 мкм, нанесенной на стеклянную подложку, при нагреве лазерным излучением с длиной волны 1,06 мкм, длительностью импульса 10 нс и сканированием в непрерывном режиме со скоростью 1 м /с. Определить значение  для случаев обработки пленки меди на кварце и хрома на стекле импульсами излучения Nd:YAG-лазера в автономном режиме и N2-лазера. Оценить плотность мощности лазерного излучения q0 и мощность в импульсе лазера на молекулярном азоте, необходимую для окисления, плавления, испарения пленки Cr толщиной 0,1 мкм на стеклянной подложке с размером области облучения d110 мкм и d2  100 мкм,  = 10-8 мет.

Определить скорость сканирования непрерывного лазерного излучения, его плотность мощности и размер светового пятна при обработке металлической пленки (напыление или окисление пленок Cr на стекле), необходимые для получения элементов шириной 0,1 мкм, 1 мкм, 10 мкм.

ЛАЗЕРНЫЕ ТЕХНОЛОГИИ В МЕДИЦИНЕ

Таким образом, в зависимости от длины волны используемого излучения может преобладать либо оптический перенос энергии, глубина проникновения излучения в этом случае lop lterm (например, при облучении ткани излучением Nd:YAG-лазера  = 1,06 мкм при длительности воздействия менее минуты), либо передача энергии за счет теплопроводности - передача тепловой энергии lterm on (например, при использовании СО2-лазера с длительностью воздействия  1 мс). Благодаря глубокому проникновению излучения в биологические ткани Nd:YAG-лазер в основном используется для коагуляции тканей и остановки (или предотвращения) кровотечения. Излучение интенсивно поглощается молекулами воды в ткани, а показатель поглощения на 3-4 порядка выше, чем у Nd:YAG-лазера.

Определить диапазон скоростей сканирования для пучка непрерывного лазерного излучения с диаметром пятна в фокусе d = 10 мкм, если диапазон допустимых длительностей экспозиции находится в пределах от 10 мс до 10 мкс. Определить, какую скорость сканирования следует выбрать, чтобы обеспечить время воздействия излучения на биоткань  = 10 мс, при диаметре пятна d = 100 мкм. Определить мощность Nd:YAG-лазера, необходимую для достижения плотности мощности Q = 10 Вт/см3 в подповерхностном слое кожи при операции коагуляции кожного новообразования, если диаметр облучаемого участка 1 мм, поглощение индекс 5 см-1.

Определить энергию, сообщенную биологической ткани при облучении поверхности импульсами излучения XeCl-лазера длительностью 10-8 и энергией 2 Дж при частоте следования импульсов 20 Гц в течение 1 с. Найти плотность мощности непрерывного излучения Ar- и Nd:YAG-лазеров, необходимую для термокоагуляции мягких тканей (температура коагуляции T = 42°C) при времени воздействия излучения 1 с, а также необходимую мощность и скорость сканирования луча на радиусе площади облучения r0 = 1 мм. 8. Определите, во сколько раз плотность мощности излучения Ar-лазера на поверхности кожи должна быть больше плотности мощности излучения Nd:YAG-лазера, чтобы получить такую ​​же плотность мощности на глубине 1 мм.

Пренебрегая теплопроводностью, определить, какая температура будет достигаться на поверхности облучаемой кожи под действием непрерывных Ar- и Nd:YAG-лазеров, если мощность выбрать так, чтобы температура на глубине 1 мм достигала 60°С при исходное значение 25°C. Определяют время воздействия непрерывного излучения Nd:YAG-лазера при интерстициальной коагуляции опухоли печени с помощью световода, конец которого проводят через зонд в центр опухоли. Определить мощность лазерного излучения при длительности импульса 10 нс, необходимую для достижения медными частицами скорости 0,1 м/с при площади облучаемой поверхности 1 см2.

Анализ возможности снижения шероховатости поверхности боросиликатного стекла (температура испарения Ti 1200 С) с RzН = 100 мкм до Rz = 50 мкм путем обработки сходящимся пучком импульсного СО2-лазера с длительностью импульса 10 мкс и мощностью 60 Вт и оптической системой с фокусным расстоянием 2 см при диаметре пучка на выходе оптической системы 25 мм. Определить длину волны лазерного излучения для осуществления сквозной аморфизации стеклокерамической пластины (марки СТ-50) толщиной 0,5 мм, если она уже аморфизирована на глубину 0,3 мм от поверхности пластины. Сравнить два метода аморфизации стеклокерамической пластины (марка СТ-50) толщиной 0,5 мм излучением Nd:YAG и СО2-лазеров в случае, когда необходимо провести аморфизацию на глубину 0,3 мм. геометрическая форма криволинейной поверхности в стекле в результате локального теплового расширения при нагреве: а) гауссова пучка; б) пучок с равномерным распределением интенсивности; в) найти такую ​​форму распределения мощности, при которой образуется сферический сегмент.

Рассчитайте фокусное расстояние f и числовую апертуру NA исходной и полированной зон лазерного спекания в пористом стекле при заданных геометрических параметрах зоны спекания h = 10 мкм и d = 500 мкм (см. рис. 8.4) и известных значениях показателей. Определить время после начала воздействия излучения Nd:YAG-лазера на боковую стенку (цилиндрической) бутылки, когда пробка будет удалена из бутылки давлением пара, если известно, что энергия в импульсе 20 мДж. , частота следования импульсов 4 кГц, содержимое флакона жидкое, состоящее в основном из воды (88,5%) и спирта (11,5%), объем воздушной части (в горлышке флакона) 20 мл, пробка выдерживает избыточное давление в 0,5 атм.

НЕКОТОРЫЕ ДРУГИЕ ПРИМЕНЕНИЯ ЛАЗЕРНОЙ ОБРАБОТКИ

Ақпарат көздері

СӘЙКЕС КЕЛЕТІН ҚҰЖАТТАР