Реферати українською » Физика » Застосування лазерів в технологічними процесами


Реферат Застосування лазерів в технологічними процесами

під час використання як джерело світла лазерів й виробництвом призвели до створення принципово нових пристроїв (підсилювачі яскравості, квантові гирометры, швидкодіючі оптичні схеми та інших.). На очах одного покоління сталося формування нових наукових установ та технічних напрямів - голографії, нелінійної і інтегральної оптики, лазерних технологій, лазерної хімії, використання лазерів для керованого термоядерного синтезу та інших завдань енергетики. Нижче наведено короткий перелік застосувань лазерів у різноманітних галузях науку й техніки, де унікальні властивості лазерного випромінювання забезпечили значний прогрес чи сприяли цілком новим науковим і технічних рішень.

 Висока монохроматичность і когерентність лазерного випромінювання забезпечують успішне застосування лазерів в спектроскопії, ініціюванні хімічних реакцій, у поділі ізотопів, в системах виміру лінійних і кутових швидкостей, переважають у всіх додатках, заснованих на виключно використанні інтерференції, в систем зв'язку і светолокации. Окремо слід, очевидно, виділити застосування лазерів в голографії.

Висока щільність енергії і потужність лазерних пучків, можливість фокусування лазерного випромінювання в пляма малих розмірів використовують у лазерних системах термоядерного синтезу, в технологічними процесами, як лазерна різка, зварювання, свердління, поверхове загартовування і розмірна обробка різних деталей. Ці самі властивості і спрямованість лазерного випромінювання забезпечують успішне застосування лазерів у військовій техніці.

Спрямованість лазерного випромінювання, його мала расходимость застосовуються при провешивании напрямів (у будівництві, геодезії, картографії), для целенаведения і цілевказування, в локації, зокрема й у виміру відстаней до штучних супутників Землі, в систем зв'язку через космос і підводного зв'язку.

Зі створенням лазерів стався колосального прогресу у розвитку нелінійної оптики, дослідженні й використанні таких явищ, як генерація гармонік, самофокусировка світлових пучків, многофотонного поглинання, різних типів розсіювання світла, викликаних полем лазерного випромінювання.

Лазеры успішно використовують у медицині: в хірургії (зокрема хірургії очі, руйнація каміння на нирках та т.д.) і терапії різноманітних захворювань, в біології, де фокусування в мале пляма дозволяє діяти деякі клітини і навіть з їхньої частини.

Більшість із перелічених вище областей застосування лазерів є самостійні і великі розділи науки чи техніки і вимагає, природно, самостійного розгляду. Мета наведеного тут стислого і неповного переліку застосувань лазерів - проілюструвати то величезне вплив, яке надало поява лазерів в розвитку науку й техніки, життя сучасного суспільства.

Застосування лазерів в ювелірної галузі:

 

Останніми роками намітилася тенденція розширення застосування лазерів в ювелірної галузі. Найбільшого торгівлі поширення набули верстати в обробці з твердотільними лазерами на алюмо-иттриевом гранаті, випромінювання що досить добре поглинається основними матеріалами ювелірної промисловості - дорогоцінними металами і каменями. Частина технологічних процесів лазерної обробки повністю відпрацьована і впроваджена ювелірної галузі, деякі процеси та технології перебувають у стадії розробки, і, можливо, незабаром можна буде застосувати в обробці виробів ювелірної промисловості. Тому мені постараюся розглянути всіх можливих варіанти застосування лазерів в технологічними процесами ювелірної промисловості.
      

Пробивка отворів в каменях. Серед перших застосувань лазерів була пробивка отворів в вартових каменях. Сверление отворів завжди був надзвичайно трудомісткою операцією. Сучасна лазерна технологія дозволяє прошивати отвори необхідної форми в каменях різних типів дуже швидко і якістю.
         

Лазерна зварювання. Серед перших застосувань лазерів в ювелірної галузі існували операції ремонту різних виробів з допомогою лазерного зварювання. Прикладом застосування в серійному масовому виробництві лазерного зварювання є лазерна зварювання ланцюгів за її виробництві.


Рис. 4. Типи свариваемых ланцюгів.

Справді, всім відомо, і успішно застосовується обладнання виробництва ланцюжків, особливо італійських фірм. Особливістю цього процесу є його двухстадийность: спочатку формується ланцюжок, потім виробляється її пайка традиційними методами. Лазеры дозволяють виконувати зварювання ланки ланцюга безпосередньо за його формуванні в одній технологічної операції, і тому ж устаткуванні. Вперше таку технологію було розроблено зварювання золотих ланцюжків італійської фірмою Lаservall. Також можливо застосування зварювання при поєднанні різних вузлів ювелірні вироби, закріпленні голок знаків (мал.2), зварювання великого кільця для замку тощо. Переваги зварювання лазером - локальність введення тепла, відсутність флюсів та присадочного матеріалу (припоя), низькі втрати матеріалу під час зварювання, можливість сполуки деталей виробів з каменями, практично без нагріву всього вироби загалом. Слід підкреслити особливо, що лазерна зварювання одне з найбільш складних технологічних процесів і вимагає відпрацювання технології (правил складання, режимів зварювання, підготовку й конструювання вузла під зварювання) практично у разі застосування цієї процесу.

 

Лазерна зварювання з присадкою (наплавлення). Такий процес може здійснюватися аналогічно зварюванні, але з переплавлением в зварювальної зоні додатково присадочного матеріалу - припоя. То може вирішене питання заварки внутрішніх порожнин і раковин виробів, вскрывающихся при поліруванню і шліфовки виробів після лиття, і навіть зварювання сполук з більшими на зазорами.

Лазерна маркірування і гравіювання. Однією з найцікавіших методів обробки дорогоцінних металів є маркірування і гравіювання. Сучасні лазери, оснащені комп'ютерним управлінням, дозволяють наносити на метал методом лазерної маркірування й гравировки (модифікації поверхні під впливом лазерного випромінювання.) будь-яку графічну інформацію - малюнки, написи, вензелі, логотипи. Причому зображення можна наносити як і растровом, і у контурном зображенні. Сучасне устаткування дозволяє переміщати лазерний промінь зі швидкістю понад два метри на хвилину забезпечуватиме графічне дозволу металі до 10...15 ліній на міліметр. У такій техніці можливо виготовлення з низькою собівартістю різних підвісок, шпильок, та інших ювелірні вироби зі своєрідною лазерної графікою (рис.3). Також цікавим застосуванням лазерної технології гравировки є нанесення лазером різних логотипів, вензелів власників, товарних марок і знаків на елементи їдальні посуду, що з дорогоцінних металів, і некоштовних металів, наприклад для позначення «нерж.» на клинках ножів.


Рис.6. Зразки лазерної маркірування й гравировки ювелірні вироби.

     Високе дозвіл (тонкі лінії), точність і повторюваність (менш 5 мкм) графичес-кого малюнка на металі дозволяє ефективно застосувати лазер для маркування розмітки виробів під подальшу ручну гравірування, наприклад під час виготовлення пам'ятних знаків, медалей чи інструмент їх виробництва. Широкий діапазон режимів обробки на лазерах дозволяє точно дозувати енергію лазерного випромінювання, що у своє чергу забезпечує можливість високоточної обробки двошарових матеріалів, наприклад ювелірні вироби з некоштовних металів попередньо покритих лаком. Видалення лаку під впливом лазерного випромінювання без порушення геометричних параметрів поверхні металу, дає можливість провести у майбутньому гальваническое осадження коштовного металу практично будь-якого графічного зображення отримати незвичне виріб.

Маркування діамантів. Сучасне розвиток лазерів і лазерної техніки, вдосконалення параметрів лазерного випромінювання, розробка принципово нових лазерних випромінювачів відкрило можливості маркірування діамантів. За повідомленнями журналу "Ювелирное Обозрение" американський інститут геммологии з метою поліпшення характеристик ринку діамантів розпочав маркуванню лазером діамантів вагою від 0,99 карат. Аналогічні роботи проводяться у Росії. Так, на рис. 4. наведено приклад нанесення зображення лазером на синтетичний алмаз, котрий за фізико-хімічним властивостями дуже близький до натуральному каменю і є гарним модельним матеріалом на дослідження технологічного процесу маркування діамантів. Оскільки, розмір добре ідентифікованих знаків на наведеному малюнку становить близько 125 мкм, то відкривається можливість маркування лазером по рундисту діамантів вагою від 0,2 карат, оскільки розмір рундиста у своїй становить близько 200 мкм. Це дуже перспективна технологія.

Клеймение. Клеймение є різновидом лазерної маркування, коли зображення формується на металі внаслідок проектування попередньо створеного малюнка лазерним променем. Такий метод дозволяє легко отримувати невеликі розміри на металі використовується щоб поставити именников підприємства-виготовлювача вироби і пробірних клейм. Високе дозвіл дає змогу отримувати зображення з високим рівнем захисту від відтворення (підробки) і може застосовуватися щоб поставити пробірних клейм.

Тавро на виробі водночас є знаком його якості. Технологія нанесення клейма лазером не призводить до втрати якості виробів, не вимагає операцій заправки клейма, має високої продуктивністю і эргономичностью. Особливо ефективно застосування лазерного таврування на легковагі і тонкостінні вироби з дорогоцінних металів.

Застосування лазерів у справі:

На цей час склалися основних напрямів, якими йде впровадження лазерної техніки у військове справа. Цими заходами є:

1. Лазерна локація (наземна, бортова, підводна).

2. Лазерна зв'язок.

3. Лазерні навігаційні системи.

4. Лазерное зброю.

5. Лазерні ситним ПРО і ПКО, створювані у межах стратегічної оборонної ініціативи - СОІ.

Зараз, отримані такі параметри випромінювання лазерів, які можуть істотно підвищити тактико-технічні дані різних зразків військової апаратури (стабільність частоти порядку 10-14, пікова потужність 10-12 Вт, потужність безперервного випромінювання 104 Вт, кутовий розчин променя 10-6 радий, t=10-12 з,... =0,2...20 мкм.

Лазерна локація. Лазерной локацией називають область оптикоэлектроники, що займається виявленням і визначенням місцеположення різних об'єктів з допомогою електромагнітних хвиль оптичного діапазону, випромінюваного лазерами. Об'єктами лазерної локації може бути танки, кораблі, ракети, супутники, промислові та військові споруди. Принципово лазерна локація здійснюється активним методом. Нам вже відомо, що лазерне випромінювання відрізняється від температурного тим, що є узконаправленным, монохраматичным, має велику імпульсивну міць і високу спектральную яскравість. Усе це робить оптичну локацию конкурентоспроможної тоді як радіолокацією, особливо в її використанні у космосі (де немає яка поглинає впливу атмосфери) й під водою (де шару низки хвиль оптичного діапазону існують вікна прозорості).

У основі лазерної локації, як і і радіолокації, лежать три основних властивості електромагнітних хвиль:

1. Здатність відбиватися від об'єктів. Мету й фон, якою вона розташована, по-різному відбивають впале ними випромінювання. Лазерное випромінювання відбивається від усіх предметів: металевих і неметалічних, від лісу, ріллі, води. Понад те, воно відбивається від будь-яких об'єктів, розміри котрих значно менша довжини хвилі, краще, ніж радіохвилі. Це знаємо з основний закономірності відображення, через яку слід, що замість коротше довжина хвилі, то вона відбивається. Потужність відображеного у разі випромінювання зворотно пропорційна довжині хвилі от у четвертій ступеня. Лазерному локатору принципово властива і велика обнаружительная здатність, ніж радиолокатору - ніж, коротше хвиля, тим вона вища. Саме тому виявлялася з розвитком радіолокації тенденція переходу від довгих хвиль до коротшим. Проте виготовлення генераторів радіодіапазону, випромінюючих понад короткі радіохвилі, ставало дедалі важчою справою, та був і зайшло у безвихідь.

Створення лазерів відкрило нові перспективи у техніці локації.

2. Здатність поширюватися прямолінійно. Використання вузькоспрямованої лазерного променя, яким здійснюватися перегляд простору, дозволяє визначити напрям на об'єкт (пеленг мети).

 Цей напрям своєї знаходять розміщенням осі оптичної системи, формує лазерне випромінювання (в радіолокації - в напрямі антени). Чим вже промінь, то з більшою точністю то, можливо визначено пеленг. Определим коефіцієнт спрямованого дії, і діаметр антени за такою простої формули,  

 G =  4п  * P.S

          / 2

де G - коефіцієнт спрямованого дії, P.S - площа антени, м2, / - довжина хвилі випромінювання мкм.

Прості розрахунки доводять - щоб отримати коефіцієнт спрямованості близько 1,5 при користуванні радіохвиль сантиметрового діапазону, треба мати антену діаметром близько 10м. Таку антену важко поставити на танк, а тим більше літальний апарат. Вона громіздка і нетранспортабельна. Потрібно використовувати коротші хвилі.

Кутовий розчин променя лазера, виготовленого з допомогою твердотельного активного речовини, як відомо, не перевищує 1,0 - 1,5 градуси й у своїй без додаткових оптичних фокусирующих систем (антен). Отже, габарити лазерного локатора може бути значно менше, ніж аналогического радіолокатора. А використання незначних за габаритами оптичних систем дозволить звузити промінь лазера за кілька кутових хвилин, у цьому виникне потреба.

3. Здатність лазерного випромінювання поширюватися із постійною швидкістю дає можливість визначати дальність до об'єкта. Так. при імпульсному методі дальнометрирования використовується таке співвідношення:

                            L =  ct  і

                                           2                          

де L - відстань до об'єкта, км, З - швидкість поширення випромінювання км/с, t і - час проходження імпульсу до цілі й назад, з.

Розгляд цієї співвідношення показує, що потенційна точність виміру дальності визначається точністю виміру часу проходження імпульсу енергії до об'єкту і назад. Зрозуміло, що замість, коротше імпульс, краще (за наявності хорошою смуги пропускання, кажуть радисти). Але нам до вже відомо, що сама фізикою лазерного випромінювання закладено можливість отримання імпульсів з тривалістю 10-7 - 10-8  з. І це забезпечує хороші дані лазерного локатору.

Які ж параметрами прийнято характеризувати локатор? Які його паспортні дані?

Насамперед зона дії. Під нею розуміють область простору, у якій ведеться спостереження. Її кордону обумовлені максимальної і мінімальної дальності дії і межами огляду по розі місця та азимуту. Ці розміри визначаються призначенням військового лазерного локатора.

Іншим параметром локатора є час огляду. Під ним розуміється час, протягом якого лазерний промінь наводить однократний огляд заданого обсягу простору.

Наступним параметром локатора є зумовлені координати. вони залежить від призначення локатора. Якщо він призначений визначення місцезнаходження наземних і надводних об'єктів, досить вимірювати дві координати: дальність і азимут. При спостереженні за повітряними об'єктами потрібні три координати. Ці координати слід визначати із заданої точністю, яка від систематичних і випадкових помилок. Їх розгляд за межі цієї книжки. Проте користуватимемося таким поняттям, як що дозволяє здатність. Під роздільну здатність розуміється можливість роздільного визначення координат близько розташованих цілей. Кожній координаті відповідає своя що дозволяє здатність. З іншого боку, використовується така характеристика, як перешкодозахищеність. Це здатність лазерного локатора працювати за умов природних (Сонце, Місяць) і штучних перешкод.

І дуже важливою характеристикою локатора є надійність.

Схожі реферати:

Навігація