Учебный проект по физике на ...

пинцеты начали использоваться для изучения структуры и принципа работы
белков.
ВООРУЖЕНИЕ:
 Лазерный прицел. В большинстве военных применений лазер
используется для облегчения прицеливания с помощью какого­нибудь оружия.
Например, лазерный прицел — это маленький лазер, обычно работающий в
видимом диапазоне и прикреплённый к стволу пистолета или винтовки так, что
его луч параллелен стволу. Благодаря слабой расходимости лазерного луча,
даже на больших расстояниях прицел даёт маленькое пятнышко. Человек
просто наводит это пятно на цель и таким образом видит, куда именно
направлен его ствол.Большинство лазеров используют красный лазерный диод.
Некоторые используют инфракрасный диод, чтобы получить пятно, не видимое
невооруженным глазом, но различимое приборами ночного видения. В 2007 году
компания Lasermax, специализирующаяся на выпуске лазеров для военных
целей, объявила о начале первого массового производства зелёных лазеров,
доступных для стрелкового оружия. Предполагается, что зеленый лазер будет

лучше, чем красный, видим в условиях яркого света по причине более высокой
чувствительности сетчатки человеческого глаза к зеленой области спектра.
 Системы обнаружения снайперов.
Принцип данных систем
основывается на том, что луч, проходя через линзы, будет отражаться от какого­
либо светочувствительного объекта (оптические преобразователи, сетчатка
глаза
).
Как преимущество — подобные системы являются активными, то есть
обнаруживают снайперов до выстрела, а не после. С другой стороны эти
системы демаскируют себя, так как являются излучателями.

Постановка помех снайперам. Возможна постановка помех путем
«сканирования» лазерным лучом местности, не позволяя вражеским
снайперам вести прицельную стрельбу или даже наблюдение в оптические
приборы.

Дальномеры.
Введение противника в заблуждение. В данном случае подразумевается
«несмертельное» вооружение,
главное назначение которого —
предотвратить нападение со стороны противника. Устройство создаёт
лазерный луч небольшой мощности, направляемый в сторону противника (в

основном, эта технология используется против авиации и танков).
Противник полагает, что на него нацелено высокоточное оружие, он
вынужден спрятаться или отступить вместо нанесения собственного удара.

состоящее
из импульсного лазера и детектора излучения. Измерив время, за которое луч
преодолевает путь до отражателя и обратно и зная значение скорости света,
можно рассчитать расстояние между лазером и отражающим объектом.
Лазерный дальномер — простейший вариант лидара. Значение расстояния до
цели может использоваться для наведения оружия, например танковой пушки.
Лазерный дальномер — устройство,

znanio.ru

Проект "Использование лазеров" - Физика

ЛАЗЕРЫ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ В МЕДИЦИНЕ

Несмотря на общую природу световых и радиоволн, многие годы оптика и радиоэлектроника развивались самостоятельно, независимо друг от друга. Казалось, что источники света — возбужденные частицы и генераторы радиоволн — имеют мало общего. Лишь с середины XX столетия появились работы по созданию молекулярных усилителей и генераторов радиоволн, которые положили начало новой самостоятельной области физики — квантовой электронике.

Квантовая электроника изучает методы усиления и генерации электромагнитных колебаний с использованием вынужденного излучения квантовых систем. Достижения в этой области знаний находят все большее применение в науке и технике. Ознакомимся с некоторыми явлениями, лежащими в основе квантовой электроники и работы оптических квантовых генераторов — лазеров.

Лазеры представляют собой источники света, работающие на базе процесса вынужденного (стимулированного, индуцированного) испускания фотонов возбужденными атомами или молекулами под воздействием фотонов излучения, имеющих ту же частоту. Отличительной чертой этого процесса является то, что фотон, возникающий при вынужденном испускании, идентичен вызвавшему его появление внешнему фотону по частоте, фазе, направлению и поляризации. Это определяет уникальные свойства квантовых генераторов: высокая когерентность излучения в пространстве и во времени, высокая монохроматичность, узкая направленность пучка излучения, огромная концентрация потока мощности и способность фокусироваться в очень малые объемы. Лазеры создаются на базе различных активных сред: газообразной, жидкой или твердой. Они могут давать излучение в весьма широком диапазоне длин волн - от 100 нм (ультрафиолетовый свет) до 1.2 мкм (инфракрасное излучение) - и могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режимах.

Лазер состоит из трех принципиально важных узлов: излучателя, системы накачки и источника питания, работа которых обеспечивается с помощью специальных вспомогательных устройств.

Излучатель предназначен для преобразования энергии накачки (перевода гелий-неоновой смеси 3 в активное состояние) в лазерное излучение и содержит оптический резонатор, представляющий собой в общем случае систему тщательно изготовленных отражающих, преломляющих и фокусирующих элементов, во внутреннем пространстве которого возбуждается и поддерживается определенный тип электромагнитных колебаний оптического диапазона. Оптический резонатор должен иметь минимальные потери в рабочей части спектра, высокую точность изготовления узлов и их взаимной установки.

Создание лазеров оказалось возможным в результате реализации трех фундаментальных физических идей: вынужденного излучения, создания термодинамически неравновесной инверсной населенности энергетических уровней атомов и использования положительной обратной связи.

Возбужденные молекулы (атомы) способны излучать фотоны люминесценции. Такое излучение является спонтанным процессом. Оно случайно и хаотично по времени, частоте (могут быть переходы между разными уровнями), по направлению распространения и поляризации. Другое излучение — вынужденное, или индуцированное — возникает при взаимодействии фотона с возбужденной молекулой, если энергия фотона равна разности соответствующих уровней энергии. При вынужденном (индуцированном) излучении число переходов, совершаемых в секунду, зависит от числа фотонов, попадающих в вещество за это же время, т. е. от интенсивности света, а также от числа возбужденных молекул. Другими словами, число вынужденных переходов будет тем больше, чем выше населенность соответствующих возбужденных энергетических состояний.

Индуцированное излучение тождественно падающему во всех отношениях, в том числе и по фазе, поэтому можно говорить о когерентном усилении электромагнитной волны, что используется в качестве первой основополагающей идеи в принципах лазерной генерации.

Вторая идея, реализуемая при создании лазеров, заключается в создании термодинамически неравновесных систем, в которых вопреки закону Больцмана, на более высоком уровне находится больше частиц, чем на более низком. Состояние среды, в котором хотя бы для двух энергетических уровней оказывается, что число частиц с большей энергией превосходит число частиц с меньше энергией, называется состоянием с инверсной населенностью уровней, а среда — активной. Именно активная среда, в которой фотоны взаимодействуют с возбужденными атомами, вызывая их вынужденные переходы на более низкий уровень с испускание квантов индуцированного (вынужденного) излучения, является рабочим веществом лазера. Состояние с инверсной населенностью, уровней формально получается из распределения Больцмана для Т

Состояние с инверсной населенностью можно создать, отбирая частицы с меньшей энергией или специально возбуждая частицы, например, светом или электрическим разрядом. Само по себе состояние с отрицательной температурой долго не существует.

Третья идея, используемая в принципах лазерной генерации, возникла в радиофизике и заключается в использовании положительной обратной связи. При ее осуществлении часть генерируемого вынужденного излучения остается внутри рабочего вещества и вызывает вынужденное излучение все новыми и новыми возбужденными атомами. Для реализации такого процесса активную среду помещают в оптический резонатор, состоящий обычно из двух зеркал, подобранных так, чтобы возникающее в нем излучение многократно проходило через активную среду, превращая ее в генератор когерентного вынужденного излучения.

Первый такой генератор в диапазоне СВЧ (мазер) был сконструирован в 1955 г. независимо советскими учеными Н. Г. Басоиым и А. М. Прохоровым и американскими — Ч. Таунсом и др.. Так как работа этого прибора была основана на вынужденном излучении молекул аммиака, то генератор был назван молекулярным.

В 1960 г. был создан первый квантовый генератор видимого диапазона излучения — лазер с кристаллом рубина в качестве рабочего вещества (активной среды). В том же году был создан газовый гелий-неоновый лазер. Все огромное многообразие созданных в настоящее время лазеров можно классифицировать по видам рабочего вещества: различают газовые, жидкостные, полупроводниковые и твердотельные лазеры. В зависимости от типа лазера энергия для создания инверсной населенности сообщается разными способами: возбуждение очень интенсивным светом — «оптическая накачка», электрическим газовым разрядом, в полупроводниковых лазерах — электрическим током. По характеру свечения лазеры подразделяют на импульсные и непрерывные.

Рассмотрим принцип работы твердотельного рубинового лазера. Рубин — это кристалл окиси алюминия Аl203, содержащий в виде примеси примерно 0,05% ионов хрома Сг3+. Возбуждение ионов хрома осуществляют методом оптической накачки с помощью импульсных источников света большой мощности. В одной из конструкций применяют трубчатый отражатель, имеющий в сечении форму эллипса. Внутри отражателя помещены прямая ксеноновая импульсная лампа и рубиновый стержень, расположенные вдоль линий, проходящих через фокусы эллипса (рис. 1). Внутренняя поверхность алюминиевого отражателя хорошо отполирована или посеребрена. Основное свойство эллиптического отражателя заключается в том, что свет, вышедший из одного его фокуса (ксеноновой лампы) и отраженный от стенок, попадает в другой фокус отражателя (рубиновый стержень).

Рубиновый лазер работает по трехуровневой схеме (рис. 2 а). В результате оптической накачки ионы хрома переходят с основного уровня 1 в короткоживущее возбужденное состояние З. Затем происходит безызлучательный переход в долгоживущее (метастабильное) состояние 2, с которого вероятность спонтанного излучательного перехода относительно мала. Поэтому происходит накопление возбужденных ионов в состоянии 2 и создается инверсная населенность между уровнями 1 и 2. В обычных условиях переход со 2-го на 1-й уровень происходит спонтанно и сопровождается люминесценцией с длиной волны 694,3 нм. В резонаторе лазера есть два зеркала (см. рис. 1), одно из которых имеет коэффициент отражения R интенсивности отраженного и падающего на зеркало света), другое зеркало полупрозрачное и пропускает часть падающего на него излучения {R

Наряду с рубиновым лазером, работающим по трехуровневой схеме, широкое распространение получили четырехуровневые схемы лазеров на ионах редкоземельных элементов (неодим, самарий и др.), внедренных в кристаллическую или стеклянную матрицы (рис. 24, б). В таких случаях инверсная населенность создается между двумя возбужденными уровнями: долгоживущий уровнем 2 и короткоживущим уровнем 2'.

Очень распространенным газовым лазером является гелий-неоновый, возбуждение в котором возникает при электрическом разряде. Активной средой в нем служит смесь гелия и неона в соотношении 10:1 и давлении около 150 Па. Излучающими являются атомы неона, атомы гелия играют вспомогательную роль. На рис. 24, в показаны энергетические уровни атомов гелия и неона. Генерация происходит при переходе между 3 и 2 уровнями неона. Для того чтобы создать между ними инверсную населенность, необходимо заселить уровень 3 и опустошить уровень 2. Заселение уровня 3 происходит с помощью атомов гелия. При электрическом разряде электронным ударом происходит возбуждение атомов гелия в долгоживущее состояние (со временем жизни около 10 3 с). Энергия этого состояния очень близка к энергии уровня 3 неона, поэтому при соударении возбужденного атома гелия с невозбужденным атомом неона происходит передача энергии, в результате чего заселяется уровень 3 неона. Для чистого неона время жизни на этом уровне мало и атомы переходят на уровни 1 или 2, реализуется больцмановское распределение. Опустошение уровня 2 неона происходит в основном за счет спонтанного перехода его атомов в основное состояние при соударениях со стенками разрядной трубки. Так обеспечивается стационарная инверсная населенность уровней 2 и 3 неона.

Основным конструктивным элементом гелий-неонового лазер-(рис. 3) является газоразрядная трубка диаметром около 7 мм. В трубку вмонтированы электроды для создания газового разряда и возбуждения гелия. На концах трубки под углом Брюстера расположены окна, благодаря которым излучение оказывается плоскополяризованным. Плоскопараллельные зеркала резонатора монтируются вне трубки, одно из них полупрозрачное (коэффициент отражения R

Зеркала резонатора делают с многослойными покрытиями, и вследствие интерференции создается необходимый коэффициент отражения для заданной длины волны. Чаще всего используются гелий-неоновые лазеры, излучающие красный свет с длиной волны 632,8 нм. Мощность таких лазеров небольшая, она не превышает 100 мВт.

Применение лазеров основано на свойствах их излучения: высокая монохроматичность ( ~ 0,01 нм), достаточно большая мощность, узость пучка и когерентность.

Узость светового пучка и малая его расходимость позволили использовать лазеры для измерения расстояния между Землей и Луной (получаемая точность — около десятков сантиметров), скорости вращения Венеры и Меркурия и др.

На когерентности лазерного излучения основано их применение в голографии. .На основе гелий-неонового лазера с использованием волоконной оптики разработаны гастроскопы, которые позволяют голографически формировать объемное изображение внутренней полости желудка.

Монохроматичность лазерного излучения очень удобна при возбуждении спектров комбинационного рассеяния света атомами и молекулами .

Широкое применение лазеры нашли в хирургии, стоматологии, офтальмологии, дерматологии, онкологии. Биологические эффекты лазерного излучения зависят как от свойств биологического материала, так и от свойств лазерного излучения.

Все лазеры, используемые в медицине, условно подразделяются на 2 вида: низкоинтенсивные (интенсивность не превышает 10 Вт/см2, чаще всего составляет около 0,1 Вт/см2) — терапевтические и высокоинтенсивные — хирургические. Интенсивность наиболее мощных лазеров может достигать 1014 Вт/см2, в медицине обычно используются лазеры с интенсивностью 102— 106 Вт/см2.

Низкоинтенсивные лазеры — это такие, которые не вызывают заметного деструктивного действия на ткани непосредственно во время облучения. В видимой и ультрафиолетовой областях спектра их эффекты обусловлены фотохимическими реакциями и не отличаются от эффектов, вызываемых монохроматическим светом, полученным от обычных, некогерентных источников. В этих случаях лазеры являются просто удобными монохроматическими источниками света, обеспечивающими точную локализацию и дозированность воздействия. Примерами может служить использование света гелий-неоновых лазеров для лечения трофических язв, ишемической болезни сердца и др., а также криптоновых и др. лазеров для фотохимического повреждения опухолей в фотодинамической терапии.

Качественно новые явления наблюдаются при использовании видимого или ультрафиолетового излучения высокоинтенсивных лазеров. В лабораторных фотохимических экспериментах с обычными источниками света, а также в природе при действии солнечного света обычно осуществляется однофотонное поглощение. Об этом говорится во втором законе фотохимии, сформулированном Штарком и Эйнштейном: каждая молекула, участвующая в химической реакции, идущей под действием света, поглощает один квант излучения, который вызывает реакцию. Однофотонность поглощения, описываемая вторым законом, выполняется потому, что при обычных интенсивностях света практически невозможно одновременное попадание в молекулу, находящуюся в основном состоянии, двух фотонов. Если бы такое событие осуществилось, то выражение приобрело бы вид:

2hv = Et - Ek,

что означало бы суммирование энергии двух фотонов для перехода молекулы из энергетического состояния Ek в состояние с энергией Ег. Не происходит также поглощения фотонов электронно-возбужденными молекулами, так как их время жизни мало, а обычно используемые интенсивности облучения невелики. Поэтому концентрация электронно-возбужденных молекул низка, и поглощение ими еще одного фотона чрезвычайно маловероятно.

Однако если увеличить интенсивность света, то становится возможным двухфотонное поглощение. Например, облучение растворов ДНК высокоинтенсивным импульсным лазерным излучением с длиной волны около 266 нм приводило к ионизации молекул ДНК, подобной вызываемой у-излучением. Воздействие ультрафиолета с низкой интенсивностью ионизации не вызывало. Установлено, что при облучении водных растворов нуклеиновых кислот или их оснований пикосекундными (длительность импульса 30 пс) или наносекундными (10 нс) импульсами с интенсивностями выше 106 Вт/см2 приводило к электронным переходам, завершавшимся ионизацией молекул. При пикосекундных импульсах (рис. 4, а) заселение высоких электронных уровней происходило по схеме (S0 — S1 — Sn), а при hv hv наносекундных (рис. 4., б) — по схеме (S0 — S1 -► Тг - Тп). В обоих случаях молекулы получали энергию, превышающую энергию ионизации.

Полоса поглощения ДНК располагается в ультрафиолетовой области спектра при

Поглощение любого излучения приводит к выделению некоторого количества энергии в виде тепла, которое рассеивается от возбужденных молекул в окружающее пространство. Инфракрасное излучение поглощается главным образом водой и вызывает в основном тепловые эффекты. Поэтому излучение высокоинтенсивных инфракрасных лазеров вызывает заметное немедленное тепловое действие на ткани. Под тепловым воздействием лазерного излучения в медицине понимают в основном испарение (резание) и коагуляцию биотканей. Это касается различных лазеров с интенсивностью от 1 до 107 Вт/см2 и с продолжительностью облучения от миллисекунд до нескольких секунд. К ним относятся, например, газовый С02-лазер (с длиной волны 10,6 мкм), Nd:YAG-лазep (1,064 мкм) и другие. Nd:YAG-лазep — наиболее широко исполь-зуемый твердотельный четырехуровневый лазер. Генерация осуществляется на переходах ионов неодима (Nd3+),введенных в кристаллыY3Al5012 иттрий-алюминиевого граната (YAG).

Наряду с нагревом ткани происходит отвод части тепла за счет теплопроводности и тока крови. При температурах ниже 40 °С не обратимые повреждение не наблюдаются. При температуре 60 °С начинается денатурация белков, коагуляция тканей и некроз. При 100- 150 °С вызывается обезвоживание и обугливание, а при температурах свыше 300 °С ткань испаряется.

Когда излучение исходит от высокоинтенсивного сфокусированного лазера, количество выделяющегося тепла велико, в ткани возникает температурный градиент. В месте падения луча ткань испаряется, в прилегающих областях пронсходит обугливание и коагуляция (рис. 6). Фотоиспарение является способом послойного удаления или разрезания ткани. В результате коагуляции завариваются сосуды и останавливается кровотечение. Так сфокусированным лучом непрерывного С02-лазера ( ) с мощностью около 2 • 103 Вт/см2 пользуются как хирургическим скальпелем для разрезания биологических тканей.

Если уменьшать длительность воздействия (10 - 10 с) и увеличивать интенсивность (выше 106 Вт/см2), то размеры зон обугливания и коагуляции становятся пренебрежимо малыми. Такой процесс называют фотоабляцией (фотоудалением) и используют для послойного удаления ткани. Фотоабляция возникает при плотностях энергии 0,01—100 Дж/см2.

При дальнейшем повышении интенсивности (10 Вт/см и выше) возможен еще один процесс — «оптический пробой». Это явление заключается в том, что из-за очень высокой напряженности электрического поля лазерного излучения (сравнимой с напряженностью внутриатомных электрических полей) материя ионизации, образуется плазма и генерируются механические ударные волны. Для оптического пробоя не требуется поглощения квантов света веществом в обычном смысле, он наблюдается прозрачных средах, например в воздухе.

Использованная литература

1. А. Н. Ремизов «Медицинская и биологическая физика»-М., 2003. -50 с.

2. «Лазеры в хирургии». Под редакцией проф. О.К. Скобелкина. – М., 2005.- 65 с.

3. «Лазеры в клинической медицине». Под редакцией С. Д. Плетнева – С.-П., 2006. 67 с.

4. Захаров В.П., Шахматов Е.В. лазерная техника: учеб. Пособие. – Самара: изд-во САГУ, 2006. – 278 с.

5. Справочник по лазерной технике. Пер. С немецкого. М., Энергоатомиздат, 1991. – 544 с.

6. Жуков Б.Н., Лысов Н.А., Бакуцкий В.Н., Анисимов В.И. лекции по лазерной медицине: учебное пособие. – Самара: СМИ, 1993. – 52 с.

7. Применение лазерной хирургической установки «скальпель-1» для лечения стоматологических заболеваний. – М.: Министерство здравоохранения СССР, 1986. – 4 с.

8. Канюков В.Н., Терегулов Н.Г., Винярский В.Ф., Осипов В.В. развитие научно-технических решений в медицине: учебное пособие. – Оренбург: ОГУ, 2000. – 255 с.

2

multiurok.ru

Лазеры и их применение - презентация, доклад, проект

Описание слайда:

Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами[12]. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляроиды, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера. Генерируемое лазером излучение является монохроматическим (одной или дискретного набора длин волн), поскольку вероятность излучения фотона определённой длины волны больше, чем близко расположенной, связанной с уширением спектральной линии, а, соответственно, и вероятность индуцированных переходов на этой частоте тоже имеет максимум. Поэтому постепенно в процессе генерации фотоны данной длины волны будут доминировать над всеми остальными фотонами[12]. Кроме этого, из-за особого расположения зеркал в лазерном луче сохраняются лишь те фотоны, которые распространяются в направлении, параллельном оптической оси резонатора на небольшом расстоянии от неё, остальные фотоны быстро покидают объём резонатора. Таким образом луч лазера имеет очень малый угол расходимости. Наконец, луч лазера имеет строго определённую поляризацию. Для этого в резонатор вводят различные поляроиды, например, ими могут служить плоские стеклянные пластинки, установленные под углом Брюстера к направлению распространения луча лазера.

myslide.ru

Iteach

Материал из ИнтеВики — обучающей площадкой для проведения тренингов программы Intel

Текущие события

Проектная деятельность в информационной образовательной среде 21 века/Нижний Новгород НГПУ январь 2014 года


Учебный Курс "Проектная деятельность в информационно-образовательной среде ХХI века", Ижевск, ноябрь 2013 г.


Основной курс программы Intel Обучение для будущего Новокузнецк октябрь-декабрь 2013


Основной курс программы Intel Обучение для будущего Ростовская область октябрь 2013


Проектная деятельность в информационной образовательной среде 21 века/НИРО/Курс для тьюторов/23 сентября - 20 октября 2013 года


Дистанционный курс ТЕО (Омская обл, осень 2013) преподаватель - Маркер Надежда Юрьевна


Семинар Созвездия Веб 2.0/Екатеринбург сентябрь 2013 преподаватель - Ирина Нургалеева


Обучение тьюторов, группа TEO РК, май-июнь 2013 преподаватель - Ольга Урсова


Очно-дистанционный курс программы Intel Обучение для будущего НИРО Нижний Новгород март-май 2013


Очно-дистанционный курс программы Intel Обучение для будущего НИРО Нижний Новгород февраль-апрель 2013


Курс "Информационно-коммуникационные технологии как средство реализации ФГОС" Екатеринбург - Арамиль март 2013


Тренинг по основному курсу программы "Обучение для будущего", ВГПУ, 1 курс магистратуры, исторический факультет - 6 февраля - 20 мая 2013г. — преподаватель — Ирина Суслова


Курс "Информационные технологии в практике работы учителя" 04.01.13 - 02.02.2013 — преподаватель — Анна Кологерманская


Курс для руководителей ИКТ: стратегия развития образовательного учреждения (Омский МР, декабрь 2012) — преподаватель —Любовь Мальцева


Курсы Проектная деятельность в информационной образовательной среде 21 века, Балаковская площадка, декабрь 2012 — преподаватель — Светлана Морозова


Тренинг Информационно-коммуникационные технологии в управлении воспитательным процессом,Тюкалинск,декабрь 2012 — преподаватель — Наталья Ильяш


Тренинг по основному курсу программы "Обучение для будущего",октябрь 2012, ЯНАО г.Ноябрьск — преподаватель — Елена Ремизова


В рамках он-лайн конференции "Новая школа: мой маршрут" проводится сетевое мероприятие Проектный инкубатор-2012





Архив событий


  • Окружающий мир – мир сложных систем (информатика, 11 класс, автор Круподерова К.Р.)
  • Информационная цивилизация (информатика, 11 класс, автор Кошелев В. Г.)
  • Математика для будущих банкиров (алгебра, 9 класс, автор Склемина Г. А.)
  • Волшебная сила музыки (музыка, биология и др., 5-8 классы, автор Красноперова Т. В.)
  • Полуостров сокровищ (окружающий мир, краеведение, 4 класс, автор Тимохина Е.Г.)
  • Удивительное рядом (окружающий мир, краеведение, русский язык, 2-4 классы, автор Тимохина Е.Г.)

Нам уже...

wiki.iteach.ru

Новая «лазерная» революция и её перспективы | Лазерные технологии

К.т.н. Скрипченко А. И.
К.т.н. Смирнов Н.В. ОАО
«Институт сварки России»

Введение. О появлении нового лазера.

В качестве промышленных источников для лазерной сварки и резки долгое время использовались два основных типа лазеров – газовые СО2 и твердотельныеYAG. Вокруг этих классов лазеров и была выстроена почти вся масштабная мировая лазерная отрасль. Тем же абсолютно путем следовали и «лазерщики» СССР, в общем тоне сильно отставая от ведущих стран Запада.
Целью статьи не является анализ текущего состояния отрасли России, которая в общем-то сохранилась и в виде коллективов разработчиков и в виде устойчивых фирм-производителей определенных типов оборудования. Основной удар отрасли был нанесен не отсутствием инвестиций или государственной поддержки (которая имела и имеет место быть во всех развитых странах), а резким падением спроса на высокотехнологичное промышленное оборудование. Уже несколько лет такой спрос опять начинает становиться заметным и поэтому производственным менеджерам нужно знать состояние современного рынка лазерного оборудования.
А на рынке тем временем происходит революция. Тихая, но весьма и весьма значительная. В её результате на рынок уверенно входит самый новейший тип лазеров – волоконный, и по всем признакам следует ожидать очень серьезных, даже революционных изменений на рынке лазерных технологий. Сама технология мощных волоконных лазеров была с нуля разработана частной российской фирмой НТО «ИРЭ-Полюс» (история фирмы), которую организовал талантливый физик и одновременно талантливый менеджер – Валентин Гапонцев (интервью с ним [2]).
В настоящее время фирма уже превратилась в международный концерн IPG с производствами компонентов в США и сборочным производством в Германии. К середине 2005 года объём проданной фирмой лазерной мощности составляет более 30 кВт/мес и к концу года будет доведен до 60 кВт/мес. Это совсем не так много в сравнении с такими монстрами, как Rofin – Sina, объём продаж которых на порядок больше. Тем не менее, рост производства и линейки продуктов волоконных лазеров настолько впечатляет, что к новым возможностям стоит внимательно присмотреться.
Партнёр нашего института – компания «Артлазер», «присмотрелась» к этому инструменту еще три года назад, когда занималась разработкой и производством мобильных ручных маркеров для нанесения номеров на кузов автомобиля для одного из автосборочных производств. Поначалу планировалось использование «классического» YAG-лазер с передачей излучения к маркиратору по оптоволокну, но добиться требуемой надежности при работе на конвейере не удавалось.И впервые увидев на выставке в Москве новые волоконные лазеры, сразу приобрели 100 Вт-излучатель. И не ошиблись, так как прибор уже более 2 лет работает в двухсменном режиме без каких-то замечаний. Самое замечательное, что к этой необычно компактной коробочке вообще не нужно подходить, про него можно было бы образно сказать «купили и забыли».
Итак, что же это за чудо техники и какие новые возможности оно несет нам, разрабатывающим промышленные технологии или использующим их в своем производстве?

Что это такое – волоконный лазер?

Волоконный лазер конструктивно принципиально отличается от классических лазеров. Активным элементом этого лазера является кварцевое оптическое волокно, легированное иттербием, эрбием и реже другими элементами. Накачка волоконного активного элемента осуществляется специальными лазерными диодами. Мощные волоконные лазеры поэтому представляют собой стойку с накачивающими модулями по 200 или 350 Вт светового выхода, внутри которых содержится десятки таких первичных диодов. Классического резонатора в этом лазере нет, точнее он выполнен интегральной технологией на самом оптоволоконном резонаторе, излучение выводится из лазера по оптоволоконному кабелю и так доставляется прямо к технологической головке. Про все заботы с юстировкой оптической системы пользователь вообще может забыть.
Команда Валентина Гапонцева не только разработала принципиальные решения, но и создала инфраструктуру серийного производства всех компонентов таких лазеров – лазерных диодов, активных волокон, всех узлов оптической стыковки, и.т.п. Именно поэтому сейчас догнать IPG почти невозможно – повторить-то через какое-то время, наверное, можно – но, «попробуй сделать по нашей цене». Кроме того, IPG затратила просто гигантские усилия в обеспечение длительного ресурса и надежности лазера.

Из конструктивных особенностей следуют основные новые свойства:
• Полное отсутствие малоресурсных элементов, ресурс диодов накачки не менее 50000 часов, а в ближайшее время фирма установит эту цифру на уровне 100000 часов.
• Такой же общий ресурс, связанный с тем, что в лазере нет локальных энергетически высоконагруженных мест, отсюда некритичность к качеству охлаждения.
• Низковольтная конструкция, в лазере нет напряжений более 24 В (прощай разряды и техника безопасности)
• Нет оптического тракта передачи излучения к рабочей головке, излучение передается по оптическому кабелю длиной от 10 до 200 м. Естественно, кабель надежно защищен металлорукавом.
• Высокий КПД – 22-25%, что более чем в 2 раза выше КПД СО2-систем и в 7-10 раз выше КПД твердотельных лазеров.
• Очень высокое качество излучения, для многомодовых мощных моделей лучшее или сравнимое с качеством лучших СО2-систем, для одномодовых качество излучения еще на порядок выше. Очень впечатляет демонстрация «удаленной сварки», когда луч фокусируется из головки на руке робота на расстоянии 1 м от головки.
• Удивительная компактность лазера, особенно в сравнении с СО2-лазерами.
• Длина волны излучения 1.07 мкм близка к волне излучения YAG-лазеров и для фокусировки может быть использована классическая стеклянная и кварцевая оптика.

Модельный ряд лазеров в настоящее время включает излучатели непрерывного режима одномодовые от 50 до 750 Вт и многомодовые от 1000 до 20000 Вт, а также импульсные лазеры для маркировки мощностью от 5 до 25 Вт.
Внешне волоконный лазер малой мощности (100-500 Вт) выполнен в виде обычного прямоугольного корпуса для установки в стойки, более мощные модели сами представляют собой одиночную или двойную стойку (см. Рис.1). Для размещения лазера 2000 Вт мощности достаточно 1 кв.м. площади.
Самое интересное, что такая архитектура лазера очень близка сознанию современного технического менеджера, который привык к разного рода телекоммуникационным стойкам и который мыслит образами функциональных блоков и соединений между ними и панически боится каких-то непонятных разрядов, оптических элементов и прочей специальной аппаратуры. Здесь же он имеет перед собой набор блоков, соединенных вместо электрических кабелей оптическими.
Для проектировщика производств или технологических участков важно понять новую метафору лазера – лазер теперь представляется просто источником чистой лучевой энергии и при желании его можно просто подключать к разным технологическим постам и участкам. Дорогой источник высококачественной энергии должен работать, а не простаивать.

Тестирование возможностей

Теперь о самом важном и самом интересном – о технологических возможностях.
Коротко о импульсных волоконных лазерах серии YLP мощностью 10 и 20 Вт. Эти лазеры полностью заменяют классические YAG лазеры для задач гравировки и маркировки почти любых материалов, отличаются удивительной компактностью и не требуют водяного охлаждения.
Непрерывные лазеры серии YLR. Именно лазер этой серии YLR-100-SM был использован в упомянутой выше системе мобильной лазерной маркировки кузовов автомобилей. Но его возможности гораздо выше.
Была проведена тест-демонтрация лазера YLR-100-SM на опытном заводе ВАЗ для задачи трехмерной вырезки отверстий в штамповках. Режущая головка была закреплена на руке робота Cuka и были получены следующие результаты
• Скорость резки стали 08пс толщиной 0.9 мм с кислородом – более 70 мм/с (4 м/мин), далее скорость ограничивалась динамикой робота
• Скорость резки стали 08пс толщиной 1.5 мм с кислородом – 60 мм/с (3 м/мин) .
Следует отметить, что никакой особой оптимизации оптической системы не выполнялось, излучение в резаке фокусировалось двухлинзовой системой с фокусным расстоянием 50 мм (единственной, бывшей в наличии). Расчеты показывают, что одномодового лазера оптимальное фокусное расстояние должно быть в 2-3 раза больше.
Далее мы провели тесты по резке с фокусным расстоянием 100 мм без кислорода:
• Тест резки нержавеющей стали показал, что образец толщиной 0.9 мм режется со скоростью около 1м/мин, причем ширина реза всего – 0.15 мм,
• При толщине 1.5 мм металл проплавлялся насквозь, но расплав при имеющемся давлении сжатого воздуха (3.5 ат) просто не выдувался из тонкого реза. Формировался, по существу, сварной валик, что говорит о возможности лазерной сварки толщин порядка 1 мм волоконным лазером мощностью всего 100 Вт
• Фанера толщиной 10 мм резалась с очень тонким резом не более 0.25 мм
Поскольку одномодовые волоконные лазеры серии YLR выпускаются до мощностей 750 Вт, то можно путем простой интерполяции ожидать от них великолепной резки сталей до толщин 10 мм, а возможно и таких же толщин алюминиевых сплавов, так как высокое качество излучения позволяет получать высокие плотности мощности в пятнах менее 0.2 мм с длиной перетяжки 5-10 мм. При этом ширина реза минимальна, а значит обеспечивается и повышенная точности резки.
Многомодовые лазеры серий YLR-XXXX выпускаются до мощностей 20000 Вт и могут использоваться для лазерной резки больших толщин и лазерной сварки.
Мы протестировали резку лазером YLR-2000 (2000 Вт) снабженном довольно длиннофокусной режущей головкой с фокусировкой в пятно около 0.4-0.5 мм. Лазер устойчиво резал легированную сталь толщиной от 6 до 12 мм с характерными скоростями 1.5-2.5 м/мин. Применение кислорода увеличивало скорость резки, но качество заметно снижалось. Общее впечатление, что при правильном выборе оптической системы можно добиться существенного повышения скорости резки. По-видимому, в отличии от СО2-систем пока еще не оптимизированы ни режимы ни параметры режущих головок (они просто переделываются из головок для СО2-лазеров).
Общий результат тестов – появился исключительно надежный и удобный в работе лазерный излучатель, требующий минимальных затрат на техническое обслуживание. Система управления лазеров серий YLR имеет множество сервисных возможностей – несколько протоколов управления, возможность подключения компьютера для полного мониторинга работы, ведение статистики событий, более 15 датчиков защиты на любые критическое ситуации. Технологические возможности не уступают самым высококачественным СО2 лазерам, более того, скорее всего будут их превосходить после оптимизации технологических головок.

Литературные данные

Систематических данных по технологическим волоконным лазерам пока нет и в литературе, связано это с тем, что период всеобщего тестирования в разных технологических центрах мира этой еще продолжается. Тем не менее, уже опубликованные данные говорят об уникальных возможностях:

• Волоконный лазер 2000 Вт обеспечил резку стали толщиной 4 мм со скоростью 10 м/мин [3]
• Тот же лазер сваривал оцинкованную сталь 1.2 мм со скоростью 5 м/мин
• Волоконные лазеры мощностью 50..100 Вт использовали для высококачественной резки стентов (прецизионная микрорезка)
• Технологический центр «Alabama Laser» приобрел у IPG волоконный лазер мощностью 10 кВт и тестировал возможности лазерной сварки, включая комбинированную сварку (лазер+дуга). Получены высококачественные сварные швы на алюминии и стали на пластинах толщиной 10-15 мм со скоростями процесса до 3 м/мин [4]
• Там же тестировали возможность резки волоконным лазером 750-1500 Вт с использованием кислорода высокого давления 30-50 ат. Показана возможность резки металла толщиной 50 мм и более.
• Фирма IMG GmbH объявляет о планах использования 10 кВт волоконного лазера для гибридной высокоскоростной сварки судостроительных сталей толщиной от 5 до 15 мм в производстве комплектных панелей судового оборудования. [5]

Из этих сообщений уже понятен спектр возможных технологических применений волоконных лазеров – высокоскоростная резка малых толщин металла, резка больших толщин с использованием кислорода высокого давления, микросварка, скоростная сварка и гибридная аргонодуговая сварка больших толщин металла.

Выводы

1. На рынке появился самый совершенный по большинству критериев лазерный излучатель нового типа – волоконный лазер, причем уже в серийном исполнении с гарантированными параметрами надежности
2. Тестирование технологических возможностей новых волоконных лазеров показывает, что он пригоден для замены классических лазеров практически во всех промышленных лазерных технологических процессах, а по ряду свойств имеет существенные преимущества
3. После завершения этапа адаптации лазерных процессов резки и сварки под новые типы лазеров можно ожидать этап быстрого роста объема использования именно волоконных лазеров. В Институте Сварки России в связи с этим обстоятельством это направление признано стратегически важным, подписаны программы и протоколы с разработчиком НТО «ИРЭ-Полюс» и запланировано проведение работ по технологии и разработке лазерных головок резки сварки, включая гибридную.

Иллюстрации

Импульсный волоконные лазер для маркировки 20 ВтИмпульсный волоконные лазер для маркировки 20 Вт

Одномодовый волоконный лазер YLR-700-SM мощностью 700 ВтОдномодовый волоконный лазер YLR-700-SM мощностью 700 Вт. Обратите внимание на уникальную компактность. Эта коробочка дает излучение, которым можно разрезать 10 мм стали.

Мощный волоконный лазер YLR-2000 – 2000 Вт излученияМощный волоконный лазер YLR-2000 – 2000 Вт излучения

Резка металла волоконным лазеромРезка металла волоконным лазером


Ссылки

1. Павел Гулькин. Россияне утерли нос гигантам лазеростроения — CNews.ru: Аналитика — 16.06.2003 www.cnews.ru/newcom/index.shtml?2003/06/16/1452782. Валентин Гапонцев. Интервью – iOwe.ru ione.ru/scripts/forprint.asp?id=133393. Bill Shiner. High-power fiber lasers impact material processing — Industrial Laser Solutions February, 2003 http://ils.pennnet.com/home.cfm4. Alabama Laser. Hybrid Welding with Fiber Lasers — www.alspi.com/weldhybrid.htm5. Fiber lasers accepted in shipbuilding industry – Industrial Laser, January 2004 http://ils.pennnet.com/home.cfm

Похожее

www.lastech.ru

Проект Лазер (1984) — Мувилиб

Slagskämpen

Рейтинг IMDB: 4.1 (330 голосов)

Оригинальный слоган A cynical game played out by two superpowers.
Жанр Боевик, Детектив, Триллер
Хронометраж 1 ч. 35 мин.
Режиссер Том Клегг
Премьера 31 августа 1984 г.
Страна Великобритания, Швеция
Сценарий Aldridge, William, Plater, Alan, Том Клегг
Продюсер Ejve, Ingemar, Floyd, Calvin, Henricson, Björn
Оператор Persson, Jörgen
Композитор Стефан Нилссон

Рейтинг IMDB: 4.1 (330 голосов)

Содержание

Из научного института похищен суперсовременный лазер. Подозрение полиции падает на его разработчика доктора Менделла и военного советника Миллера.
Для проверки своей версии инспектор Ларсен, ведущий расследование, внедряет к Менделлу своего агента Томаса Коллина.

www.movielib.ru

Прибыльные бизнес-идеи для лазера ЧПУ

Использование современных компьютерных технологий сегодня, если не полностью заменило человеческий труд, то практически свело его к минимуму.  А лазерный станок и его использование в бизнесе с каждым годом становятся все популярней.

Лазерные станки с ЧПУ – это многофункциональный комплекс, предназначенный для обработки различных поверхностей (древесины, металла, пластика) с помощью воздействия лазерного луча под управлением компьютерной программы.

Популярность станков с лазерами ЧПУ растёт с каждым годом: это и гравировка медалей, кубков, открыток, и фрезерные работы по дереву, и 3-d проектирование в различных областях. Становится реальным использовать идею изготовление такой продукции как перспективный бизнес – проект.

Область применения

Для того, чтобы знать, где с большей вероятность будет востребован тот или иной вид продукции, необходимо понимать, насколько обширна область применения лазера ЧПУ. Функциональность комплекса даёт возможность выбора вариантов открытия бизнеса в различных отраслях:

Лазерная гравировка

Один из популярных видов декорирования сувенирной продукции. Благодаря бесконтактному и высокоскоростному воздействию на обрабатываемый материал, на выходе получается изображение высокой четкости, которое не стирается и не видоизменяется с течением времени. Эффективность и рентабельность такого бизнес – проекта имеет свои основания:

  • безрасходное оборудование;
  • быстрая окупаемость;
  • короткие сроки и качественный результат.

Фрезерные работы

Изготовление деталей различных форм и размеров на универсальном лазерном станке ЧПУ используется во многих отраслях производства: мебельных фабриках, архитектурном проектировании, разработке 3d моделей. Последний пункт – новейшая технология, которая стала возможной и доступной благодаря специальной программе для ЧПУ.

Она позволяет преображать закодированные компьютерные сигналы в механическое воздействие, и переносить их в трёхмерную плоскость. Такой проект требует хороших вложений в качественное оборудование, но при наличии постоянной клиентуры быстро окупается.

Лазерная резка

На сегодня этот вид обработки наиболее доступный и экономичный с точки зрения финансов. Особенностью лазерной резки является сохранение свойств материала:

  • оптических;
  • термоустойчивых;
  • физико-химических и т.д.

Возможность выполнения тонких работ с оргстеклом, двухцветным пластиком и различными полимерами сделали этот способ работы уникальным.

Обычно лазерную резка на станках совмещают вместе с последующей гравировкой. Такое производство более удачное, так как не требует поиска клиентом двух различных профилирующих компаний.

Масштабность проекта

В зависимости от бизнес идей для лазера ЧПУ, а также масштабов и объёмов, экономических возможностей и наличия клиентурной базы, осваивать производство возможно двумя способами: домашний цех или массовое предприятие.

Благодаря небольшим комплектациям универсальных станков, начинающий мастер имеет возможность осваивать работу с лазером в домашних условиях, маленьких цехах или подсобных помещениях. Также наличие рабочей зоны позволяет брать заказы, например, по декорированию и гравировке небольших изделий.

Станок с числовым программным управлением – это возможность работать даже без помощника. Но стоит внимательно отнестись к программно – техническому обеспечению комплекса:

  • проверять на наличие вирусов;
  • следить за обновлениями;
  • отдавать предпочтения отработанным схемам проектирования.

 

Изучив все функциональные возможности, а также набравшись опыта работы с лазерным агрегатом, многие специалисты задумываются над идеей предоставления своих услуг в рамках предприятия или завода.

Основные моменты для начала этого проекта:

  • составление бизнес – плана;
  • начальный капитал;
  • помещение;
  • наем работников;
  • реклама.

Оборудовать помещение необходимо, соблюдая все правила техники безопасности при работе с лазером, проводить инструктаж сотрудников, иметь в наличие защитные костюмы, а также все средства пожарной безопасности.

Для масштабного производства потребуются разные виды оборудования: станок вертикальный, горизонтальный, с подвижным или неподвижным столом, станок универсальный и пр. Цели и задачи предприятия могут быть разными: начиная от гравировки шахматных досок, заканчивая сверлением и шлифовкой крупных деревянных блоков. От этого зависит количество машин, наличие или отсутствие подъездных путей, погрузки-выгрузки, наличие операторов, а также мастеров по доработке готового изделия.

Клиентурная база

Развивая бизнес, важно понимать, что каждый новый клиент может перейти в разряд постоянного только при удовлетворении всех его запросов, а именно высокого качества изделия, быстрых сроков исполнения, доброжелательного отношения. Обдумывая бизнес идеи для лазера с ЧПУ, необходима сориентироваться на наиболее интересного и стабильного клиента.

  1. Мебельная дизайнерская фирма. В дополнение к основным блокам конструкции изготовители мебели добавляют изысканные вырезные элементы, изготовить которые можно только с помощью станка ЧПУ.
  2. Предприятия машиностроения. Используя шаблоны для компьютерной программы лазерного комплекса, существует возможность создавать серию идентичных деталей необходимых для серийного производства.
  3. Рекламное производство. Популярные заказы – гравировка на визитках, табличках, кружках, медалях и кубках.
  4. Строительные компании. Заказ 3-d проектирования макетов домов, стал доступным благодаря новым возможностям лазерной установки.
  5. Игровые и учебные центры. Создание макетов как обучающего и наглядного пособия.

Преимущества

Высокий показатель рентабельности лазерного станка – один из главных плюсов использования его в серийном производстве. Помимо этого, устройство неприхотливо в эксплуатации, выдерживает высокий темп нагрузки, а также отличается минимальными затратами на расходные материалы. Исключения составляет качественное программное обеспечение.

Быстрые сроки исполнения, например, лазерной гравировки, позволяют принимать достаточное количество заказов, чтобы окупить оборудование и находиться в прибыли. Опытный мастер сотрудничает с профессионалами по созданию оригинальных схем для ЧПУ: делает заказ на нужный рисунок, а специалист переносит это изображение в программу кодирования.

Перспективность

Лазерный станок был популярен ещё в советское время. Сегодня, благодаря, автоматизированному процессу, этот вид деятельности открывает широкие возможности на рынке товаров и услуг. Производство сувенирной продукции, поздравительных товаров, гравировка знаков качества или отличия – это лишь немногое из того, на чем можно сосредоточиться при открытии бизнеса. Разобравшись в азах и оттачивая мастерство в домашнем цеху, может рассматриваться идея  проекта как дальнейший перспективный бизнес.

vseochpu.ru

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *