Анненков Ю.М. и др. Основы электротехнологий: практикум

Подождите немного. Документ загружается.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Ю.М. Анненков, М.М. Михайлов,

В.В. Шарафутдинова, В.И. Меркулов

Основы электротехнологий

Практикум

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

«ТОМСКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ»

Ю.М. Анненков, М.М. Михайлов,

В.В. Шарафутдинова, В.И. Меркулов

Основы электротехнологий

Практикум

Издательство ТПУ

Томск 2005

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ББК 34.6я73

УДК 621.7/.9(076.5)

А 71

Анненков Ю.М., Михайлов М.М., Шарафутдинова В.В.,

Меркулов В. И.

А 713 Основы электротехнологий: практикум. − Томск: Изд-во.

ТПУ, 2005 г. − 104 с.

ISBN

В лабораторном практикуме изложены физико-химические основы

обработки материалов, выполняемых ультразвуком, электронным и ла-

зерным пучками, плазменным, электрохимическим, термовакуумным

способами, а также основы электрической сварки. Приведено технологи-

ческое оборудование, позволяющее проводить обработку материалов вы-

шеуказанными методами.

Лабораторный практикум подготовлен на кафедре электроизоля-

ционной и кабельной техники ТПУ и предназначен для студентов

направ-

ления 551300 "Электротехника, электромеханика и электротехнологии".

УДК 621.7/.9(076.5)

Рекомендовано к печати редакционно-издательским советом

Томского политехнического университета

Рецензенты

Доктор технических наук, профессор кафедры физической

электроники Томского университета систем управления и

радиоэлектроники

С.В. Смирнов

Кандидат физико-математических наук, ведущий научный

сотрудник ПНИЛ ЭДиП ТПУ

А.М. Притулов

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ИЗГОТОВЛЕНИЕ ОТВЕРСТИЙ В ТВЕРДЫХ МАТЕРИАЛАХ

С ПОМОЩЬЮ ИЗЛУЧЕНИЯ ОПТИЧЕСКОГО КВАНТОВОГО

ГЕНЕРАТОРА

1. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

1.1. Генерация лазерного излучения

Понятие «лазер» прочно вошло в современный научный, техниче-

ский и бытовой обиход, хотя и прошло и немного лет со дня создания

первых лабораторных образцов этих приборов. К чести Российской

науки у

истоков лазерной физики стояли, наряду с иностранными, и

наши ученые. К ним относятся Фабрикант, Бутаева, Басов, Прохоров.

Именно Басов и Прохоров вместе с американским ученым Таунсом ста-

ли лауреатами Нобелевской премии 1964г. за исследование и создание

лазеров. В переводе с английского языка «LASER» - Light Amplification

by Stimulated Emission of Radiation – означает: «Усиление света под дей-

ствием вынужденного излучения»

Главная особенность лазерного излучения состоит в его когерентно-

сти, то есть постоянстве амплитуды, фазы, энергии и направления рас-

пространения фотонов. Эти свойства обеспечивают два главных пре-

имущества лазерного света: возможность распространения на сверх-

большие расстояния и возможность фокусировки энергии в очень ма-

лом объеме пространства или материала. Таким образом, отличие лазе

ров от других источников света заключается в том, что они обеспечи-

вают концентрирование энергии излучения в пространстве, времени и

спектре в очень узкие интервалы. Такими уникальными свойствами не

обладает ни один естественный вид излучения. Именно свойство лока-

лизоваться в малом объеме обеспечивает использование лазерного из-

лучения в различных современных технологиях,

включая электротехно-

логии.

Электромагнитное излучение (ЭМИ), генерируемое лазером, имеет

двоякую природу. С одной стороны, излучение представляет собой

электромагнитные волны, т.е. колебания электрического и магнитного

полей, с другой – обладает корпускулярными свойствами.

Волновые свойства излучения характеризуются частотой (ν) и дли-

ной волны (λ). Волна распространяется с постоянной скоростью

с=3⋅10

см/с. Для всех типов ЭМИ справедливо соотношение c=

, из

которого видно, что с увеличением частоты уменьшается длина волны

излучения. Наиболее широко используемые лазеры генерируют излуче-

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

ние в диапазоне от 0,2 мкм (ультрафиолетовая область света - УФ) до

10 мкм (инфракрасная область света - ИК).

Корпускулярная природа света заключается в том, что излучение

может быть представлено как поток дискретных квантов энергии (фото-

нов). Каждый фотон несёт определённое количество энергии

chE h=⋅= , обладает массой

m =

и импульсом

kcm

p ⋅=⋅= h

, где

h=h = 6,62⋅10

-34

Дж⋅сек - постоянная планка,

характеризуется волновым числом

В проявлении корпускулярно-волнового дуализма света имеется

важная закономерность. Если перемещаться по шкале электромагнит-

ных волн слева направо, от длинных волн (ИК) в сторону более корот-

ких (УФ), то волновые свойства света будут проявляться всё слабее,

уступая место корпускулярным свойствам.

Волновые и квантовые свойства света связаны между собой:

n А ≈ , т.е квадрат амплитуды световой волны в какой-либо точке

пространства пропорционален числу фотонов, попадающих в эту точку.

Таким образом, волновые и корпускулярные свойства света взаимно

дополняют друг друга. Корпускулярные свойства света обусловлены

тем, что энергия, импульс и масса излучения сосредоточены в квазича-

стицах – фотонах. Вероятность нахождения фотонов в различных

точ-

ках пространства определяется волновыми свойствами света - ампли-

тудой световой волны (волновые свойства фотона проявляются в том,

что для него нельзя точно указать точку пространства в соответствии с

принципом неопределенности Гейзенберга).

Лазерные лучи зарождаются при электронных переходах в активных

элементах рабочего тела (рис. 1).

Под действием излучения накачки (рис.2) атомы или молекулы

легко

возбуждаются, при этом электроны переходят на более высокие энерге-

тические уровни (Е

), а затем возвращаются в основное состояние (Е

при этом избыточная энергия генерируется в виде электромагнитного

Рис. 1. Принципиальная схема ОКГ :

1 – система накачки, 2 – рабочее тело

(вещество), 3 - непрозрачное зеркало, 4 -

полупрозрачное зеркало, 5 - система

фокусировки, 6 – лучи.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

излучения строго определённой длины волны, которая определяется

разностью энергий двух энергетических состояний:

Е - Е

, (1)

где Е

, Е

- энергия атома соответственно на нижнем и верхнем уровнях

соответственно;

Наибольшее распространение, благодаря высокой технологичности,

получили лазеры, работающие

по трёх и четырёхуровневой

(рис. 2) схемам, предложен-

ным в 1955 году Басовым Н.Г

и Прохоровым А.М.

В результате внешнего воз-

действия (накачка лазера) в

рабочем теле активные части-

цы (атомы, ионы, молекулы

)

поглощают энергию (свето-

вую, тепловую и т.д), что при-

водит к переходу валентных

электронов на верхние энерге-

тические уровни (Е

, Е

). По-

сле прекращения светового

импульса накачки электроны

стремятся вернуться в основ-

ное состояние (Е

) путем двух

последовательных переходов.

На первом этапе возбужден-

ные электроны, находящиеся на уровнях накачки, передают часть своей

энергии кристаллической решетке в виде фононов. Это безиз-

лучательный переход на промежуточный метастабильный уровень. (Е

)

На этом уровне электроны сохраняют свою энергию в течение довольно

длительного времени порядка 10

-3

с. В результате электроны скаплива-

ются на метастабильном уровне и их концентрация превышает концен-

трацию валентных электронов в основном состоянии (Е

). Такая ситуа-

ция называется «инверсия населенности уровней» и представляет собой

первое условие (принцип) генерации лазерного излучения.

Следующий принцип генерации состоит в формировании вынужден-

ного излучения, наличие которого было постулировано в 1905г. Эйн-

штейном.

Если электрон активной частицы находится в возбужденном состоя-

нии на метастабильном уровне Е

, то существует вероятность вынуж-

ис. 2. Четырехуровневая модель ра-

боты лазера:

- основное состояние активного атома

(иона), Е

– метастабильный уровень, Е

– уровни накачки, переходы 1-3 и 1- 4 -

накачка лазера, безизлучательные перехо-

ды 4-2, 3-2, излучательный (рабочий) пе-

еход - 3.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

денного испускания света под действием поля проходящего мимо фото-

на с энергией

Е - Е=

h . В результате этого рождается еще один фо-

тон полностью когерентный первому фотону. Иными словами первич-

ный и вторичный фотоны неразличимы. Таким образом, в соответствии

с принципом вынужденности излучения формируется лазерный пучок

света.

Однако, для того чтобы лазерная генерация была устойчивой и ин-

тенсивной необходимо усилить этот поток, то есть обеспечить

четвер-

тый принцип, который называется принципом самовозбуждения и за-

ключается в следующем.

Новые фотоны, индуцированные падающим светом проходят через

рабочее тело лазера, в котором имеются как атомы с возбужденными

на уровень Е

электронами, так и атомы, находящиеся в основном со-

стоянии. Последние препятствуют усилению лазерного излучения, по-

скольку взаимодействие с ними фотонов приводит к поглощению света

и уменьшению интенсивности пучка. В случае преобладания актов вы-

нужденного излучения среда становится усиливающей, то есть в фор-

муле Бугера коэффициент поглощения имеет отрицательный знак, что

определяет

выражение Фабриканта:

eФФ

⋅− , где α – отрицатель-

ный коэффициент поглощения, х – расстояние, пройденное фотоном в

рабочем теле.

Для усиления лазерного света необходимо обеспечить обратную

связь, то есть часть мощности подать с выхода на вход системы. В этих

целях в лазерах используют оптический резонатор: рабочее тело поме-

щается между двумя параллельными зеркалами с разными

коэффици-

ентами отражения (модифицированный интерферометр Фабри-Перо)

Любой фотон, возникший в рабочем теле за счет спонтанного излуче-

ния, является источником начала генерации света. Действительно, если

рожденный фотон движется вдоль оси резонатора, то он образует лави-

ну фотонов, двигающихся в том же направлении. Этот поток фотонов

будет поочередно отражаться от зеркал, усиливаясь

при каждом про-

хождении через рабочее тело вследствие вынужденного испускания

света. Для вывода лазерного излучения одно из зеркал делается полу-

прозрачным. Для того, чтобы волна, дважды отразившись от зеркал,

возвратилась к испустившему ее центру в той же фазе, в которой она

была испущена, необходимо выполнение условия резонанса:

⋅=

L2, где L – расстояние между зеркалами, λ – длина волны,

m=1,2…

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Таким образом, для устойчивой генерации лазерного излучения не-

обходимо выполнить следующие принципы:

Принцип монохроматичности. Фотоны лазерного излучения име-

ют одинаковую длину волны.

2. Принцип инверсии населённости. В неравновесном состоянии

имеется «обращённое» распределение атомов по энергетическим со-

стояниям: на верхнем уровне концентрация атомов больше, чем на

нижнем

3. Принцип вынужденности излучения (закон Эйнштейна). Атом,

находящийся в возбуждённом состоянии может под действием фотона

перейти в основное, низшее энергетическое состояние с выделением

фотона, когерентного фотону возбуждения.

Принцип самовозбуждения обеспечивается резонаторной систе-

мой и состоит в усилении света при многократном прохождении потока

фотонов через рабочее тело.

1.2. Разновидности лазеров.

Оптические квантовые генераторы подразделяют:

•

по виду накачки: оптическая, электрическая (инжекционная), хи-

мическая, радиационная.

•

по режиму работы: непрерывные лазеры; импульсные лазеры.

•

по типу рабочего тела: твёрдотельные с примесями, газовые, по-

лупроводниковые, жидкостные.

Рассмотрим основные разновидности лазеров.

Жидкостные лазеры. В этом типе лазера в качестве активной среды

используется раствор неорганических соединений редкоземельных эле-

ментов и органических красителей. Среди лазеров на неорганических

соединениях наибольшее развитие получили лазеры на растворе окси-

хлорида селена с примесью неодима. Такой лазер генерирует излучение

длиной волны 3 мкм. Очень интенсивно развиваются лазеры на органи-

ческих красителях.

В качестве красителей применяют родамин 6G

Cl). Он хорошо растворяется в метиловом спирте и воде.

КПД лазеров на красителях доходит до 50 % , они обладают высокой

направленностью излучения и могут работать как в импульсном режи-

ме, так и в непрерывном. Основное достоинство жидкостных лазеров –

возможность перестройки частоты от ближнего УФ (0,34 мкм) до

ближайшей ИК области (11,74 мкм) – простой заменой красителя.

Полупроводниковые лазеры. В качестве активного вещества в по-

лупроводниковых лазерах применяют обычно арсенид галлия, а так же

кремний с примесью индия, фосфат галлия, арсенид индия и др. полу-

проводниковые материалы. По виду накачки лазеры делятся на:

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

•

лазеры с инжекционной накачкой (пропускание электрического тока

через p-n- переход). Конструкция полупроводниковых лазеров напо-

минает конструкцию плоского диода, поэтому эти лазеры называют

ещё диодными лазерами. Полупроводниковые лазеры генерируют

излучение в ИК области за счёт процессов рекомбинации, происхо-

дящих в р-n переходе. Излучение полупроводникового лазера с ин-

жекционной накачкой характеризуется большой расходимостью за

счет того, что генерируются лучи эллиптического сечения с малой

осью эллипса, параллельной р-n переходу.

•

Лазеры с радиационной накачкой (перевод электронов из валентной

зоны в зону проводимости ионизирующим излучением)

Достоинство полупроводниковых лазеров – малый вес, небольшие

размеры (1×1×1 мм), малая потребляемая мощность, высокий КПД. Для

увеличения мощности данные лазеры могут быть собраны в блоки, со-

стоящие из большого количества отдельных лазеров.

Газовые лазеры. Для проведения более энергоёмких процессов, та-

ких как, сварка швом, резка толстых диэлектрических материалов и ме-

таллов, требуются более мощные лазеры. Для этой цели применяют га-

зовые лазеры.

В газовых ОКГ для возбуждения частиц применяется электрический

тлеющий разряд. В импульсном режиме активная среда возбуждается

газовым разрядом высокочастотного (24 - 30 МГц) поля, которое

подво-

дится от специального генератора. Для работы в непрерывном режиме

активная среда в излучателе возбуждается стационарным тлеющим раз-

рядом между расположенными в излучателе электродами, к которым

подведено напряжение от высоковольтного выпрямителя.

В качестве активного материала применяют азот (N

) (длина волны

излучения 0,34 мкм) или углекислоту (CO

) (длина волны 10,6 мкм).

Также примером газового ОКГ может быть лазер на смеси гелия и нео-

на, генерирующий излучение с длиной волны 1,118; 1,153; 1,16; 1,199 и

1,207 мкм. Наиболее интенсивно излучение при λ= 1,1530 мкм. Такие

лазеры могут работать в непрерывном режиме при мощности в сотни и

тысячи ватт. Для того, чтобы газ при этом не

нагревался, его непре-

рывно прокачивают через стеклянную трубку или в газовую смесь до-

бавляют гелий, способствующий её охлаждению благодаря своей высо-

кой теплопроводности.

Лазеры на углекислом газе излучают в результате колебательных пе-

реходов молекул, что и определяет большую длину волны (10,6 мкм),

они обладают наиболее высоким КПД.

каф. ЭИКТ ЭЛТИ ТПУ

Твёрдотельные лазеры на примесях. Активной средой в данном

типе лазеров могут быть рубин (плавленая окись алюминия с добавкой

0,05 % трёхвалентного хрома), стекло с примесями неодима (до 5 %),

алюмоитриевый гранат с неодимом. В качестве источника возбуждения

активных атомов рабочего тела используется импульсная газоразрядная

лампа.

Например, при накачке кристалла рубина излучением длиной волны

λ = 0,569 мкм ионы хрома поглощают

это излучение, что приводит к

переходу валентного электрона на верхний энергетический уровень. В

основное состояние электроны возвращаются в результате двух после-

довательных переходов. На первом этапе электроны предают часть сво-

ей энергии кристаллической решетке. Это - безизлучательный переход

на промежуточный (метастабильный) уровень. На этом уровне электро-

ны сохраняют свою энергию в

течение длительного времени. В резуль-

тате создается так называемая избыточная населенность метастабильно-

го уровня, после чего электроны переходят в основное состояние, излу-

чая при этом красный свет λ = 0,6943 мкм и λ = 0,6929 мкм. Соотноше-

ние между энергиями излучательных и безизлучательных переходов в

основном определяет коэффициент полезного действия лазера.

Чтобы усилить излучение, нужно

заставить участвовать в генериро-

вании возможно большее число возбужденных частиц. Для этого уве-

личивают размеры активного вещества и используют резонаторную

систему - две отражательные пластины, расположенные по торцам ак-

тивного вещества. Одна из пластин полностью отражающая, другая -

частично. При многократном отражении волны в резонаторе в излуче-

ние вовлекается все больше возбужденных

частиц, в результате чего

электромагнитная волна резонансно усиливается. Усиленное излучение

выводится наружу через частично отраженную пластину резонатора.

1.3. Характеристики лазерного излучения

Излучение лазера является узконаправленным (так как испускаются

лишь волны, многократно отраженные и не испытавшие существенного

отклонения от оси объемного резонатора). Это значит, что энергия мо-

жет легко передаваться по лучу на значительные расстояния и в соот-

ветствии с законами геометрической оптики – легко сфокусирована на

площадке небольших размеров. Угловая расходимость луча ОКГ

опре-

деляется из дифракционной теории по формуле:

22,1

= , (2)

где d - диаметр источника излучения.