Госы. Вопросы Промышленные технологии и (инновации (Малеткина). Промышленные лазерные технологии (Реймер И. В.)
 Скачать 0.79 Mb.
|
13. Усилители. Опишите механизм усиления с помощью представленной схемы. Режимы работы, основные параметры и характеристики усилителей.Усилителями называются радиоэлектронные устройства, предназначенные для увеличения интенсивности электрических сигналов за счет энергии некоторого внешнего источника. Усилитель не должен изменять форму сигнала, а только пропорционально увеличивать все мгновенные значения входного сигнала. Для усиления нужно преобразовать энергию некоторого внешнего источника в энергию сигнала. Преобразование энергии возможно только в нелинейной или параметрической цепи, поэтому схема усилителя должна содержать нелинейный или параметрический элемент  Механизм усиления Это цепь постоянного тока, в которой последовательно относительно источника постоянной ЭДС E включены линейный резистор Rн и нелинейный резистор, сопротивление которого Ry(Uвх) зависит от управляющего электрического напряжения Uвх, то есть это электрически управляемый резистор. Очевидно, ток в цепи может быть записан по закону Ома  Изменение сопротивления управляемого резистора входным сигналом и есть механизм (принцип) усиления сигнала в нелинейной схеме рис. Для усиления изменение Ry(Uвх) должно удовлетворять определенным требованиям: 1) изменение сопротивления должно быть значительным при малой затрате энергии источника сигнала. 2) для усиления управляемый резистор Ry(Uвх) должен меняться так, чтобы изменение тока в цепи Ih было пропорционально входному сигналу, поскольку только при этом условии выходной сигнал не будет искажен. Режимы работы - Поскольку схема усилителя содержит нелинейный элемент, усиление всегда сопровождается нелинейными искажениями. Однако, если искажения формы усиливаемого сигнала невелики, то режим работы усилителя называют практически линейным, в противном случае – режим нелинейный. Характеристики - АЧХ - зависимость коэффициента усиления от частоты входного гармонического сигнала, АЧХ показывает, как усиливаются различные гармоники спектра входного сигнала. Полоса усиления является второй важной характеристикой усилителя и тоже определяет его качество. Действительно, если не все гармоники спектра входного сигнала попадают в полосу усиления, то есть усиливаются по-разному, возникают искажения выходного сигнала по сравнению с входным, которые называются частотными искажениями. Частотные искажения существуют в усилителях даже в линейном режиме работы схемы, поэтому их часто называются линейными искажениями. АХ (Амплитудная характеристика — зависимость амплитуды сигнала на выходе устройства от амплитуды сигнала на его входе) Коэффициент усиления - является основным параметром усилителя и определяет его качество. 3) Динамический диапазон – определяет его работу в линейном режиме. Входное и выходное сопротивления – еще два важных параметра, которые тоже определяют качество усилителя. диапазон рабочих частот 14. Основные составляющие конструкции лазера. Принцип работы лазера. Составляющие конструкции лазера: 1. Активная среда – среда, в которой можно осуществить инверсию населенностей. 2. Оптический резонатор – система оптических элементов (зеркал), которые позволяют осуществить положительную обратную связь. 3. Система накачки (источник энергии) – способ возбуждения активной среды. Принцип работы лазера. Лазер — это устройство, преобразующее энергию накачки (световую, электрическую, тепловую, химическую и др.) в энергию когерентного, монохроматического, поляризованного и узконаправленного потока излучения. Рассмотрим 2 произвольных энергетических уровня 1 и 2 с соответствующими населенностями N1 и N2. В случае, когда N2>N1, среда будет действовать как усилитель и в ней осуществляется инверсия населенностей. Если частота перехода соответствует оптическому диапазону, то усилитель называется лазером. Для того чтобы усилитель превратить в генератор, необходимо ввести подходящую положительную обратную связь. В лазере обратную связь обычно получают размещением активной среды между 2мя зеркалами с высоким коэффициентом отражения. В этом случае плоская электромагнитная волна, распространяющаяся в направлении, перпендикулярном зеркалам, будет поочередно отражаться от них, усиливаясь при каждом прохождении через активную среду. Если одно из двух зеркал сделано частично прозрачным, то на выходе системы можно выделить пучок полезного излучения. В лазере генерация начинается тогда, когда усиление активной среды компенсирует потери в нем. Как только достигнута критическая инверсия, генерация разовьется из спонтанного излучения. Этот механизм и лежит в основе лазерного генератора, называемого обычно просто лазером. 15. Свойства лазерного излучения: когерентность, монохроматичность, длительность импульсов. Когерентность - согласованное протекание во времени нескольких колебательных или волновых процессов, в принципе обусловлена вынужденным (а не спонтанным) характером излучения. Временная когерентность определяется временем tk (время когерентности), в течение которого излучение, испущенное из одной точки источника остается когерентным. Пространственная когерентность опред-ся как когерентность излучения, испущенного из разных, находящихся на некотором расстоянии друг от друга точек источника, и может быть определена по контрасту интерференционных полос. При работе лазера в одномодовом режиме достигается полная пространственная когерентность, что определяет высокую направленность лазерного излучения. Монохроматичность лазерного излучения характеризует способность лазеров излучать в узком диапазоне длин волн и определяется как отношение ширины линии генерации к ее центральной частоте. Высокая степень монохроматичности лазерного излучения определяет высокую спектральную плотность энергии - высокую степень концентрации световой энергии в очень малом спектральном интервале. связана с шириной спектральной линии, у газовых лазеров спектральные линии более узкие, у твердотельных - более широкие. Длительность импульса - время, в течение которого лазер генерирует световую энергию (от микросекунд до фемтосекунд) Свойство лазеров генерировать короткие импульсы подразумевает концентрацию энергии во времени и в некотором смысле аналогично свойству монохроматичности, означающему концентрацию энергии в узком диапазоне длин волн. Направленность излучения (мера того, как быстро расширяется лазерный луч) обеспечивается малой расходимостью , т.е тем, что в открытом резонаторе могут возбуждаться только такие волны, которые направлены по оси резонатора или под очень малыми углами к ней. Малая расходимость лазерного излучения делает возможным его фокусировку в пятно чрезвычайно малых размеров (порядка длины волны). Яркость. Основная фотометрическая величина, характеризующая излучательную способность тел в данном направлении 16. Компоненты лазеров и вспомогательные устройства. Зеркала. Поляризаторы. Материалы для окон. Основными компонентами лазеров и лазерных устройств являются: Зеркала - для создания резонатора (Зависят от резонатора, должны отражать, пропускать свет (вых.зеркала), не должны поглощать) #металлические, диэлектрические, для высокомощных -доп. покрытие Поляризаторы - для преобразования света в плоскополяризованный. #дихроичные пластины, призменные поляризаторы, исландский шпат, турмалин. Материалы для окон - германий, хлорид натрия и калия, арсенид галлия. Материалы для стекол (выбирается для каждого лазера отдельно, зависят от типа лазера, длины волны, ее пропускной способности). #стекло(видимая область), кварц (ИК-область) Модуляторы - для создания импульса определенной длительности (механические, акустооптические, электрооптические). Нелинейные оптические элементы - для преобразования частоты. 17. Гелий-неоновый лазер. Параметры лазера. Особенности параметров разряда. Накачка осуществляется электрическим разрядом. Мощность не превышает 60 мВт (маломощный) КПД 0,001-0,01% диапазон - видимый тип активной среды - газовый Генерация осуществляется в непрерывном режиме на длинах волн 632,8 нм, 1,15 мкм, 3,39 мкм. В гелий-неоновом лазере рабочим веществом являются нейтральные атомы Ne, которые имеют большое число метастабильных энергетических уровней, а буферный газ (атомы He) эффективно возбуждается с помощью внешних источников энергии и передаёт её атомам Ne. Генерация происходит между метастабильным уровнем He и резонансным уровнем Ne. Инверсия населенностей создается между основным и метастабильным уровнем. При столкновении с электронами в плазме газового разряда атомы Не переходят в метастабильное состояние. Вследствие неупругих соударений между атомами Не, находящимися в мет астабильном состоянии, и атомами Ne, находящимися в основном состоянии, происходит возбуждение атомов Ne Одна из наиболее характерных черт Не-Ne-лазера состоит в том, что выходная мощность не увеличивается монотонно с током разряда, а достигает максимума и затем уменьшается. Параметры разряда: Способ накачки - электрический разряд. Возбуждение атомов гелия (и неона) происходит в слаботочном тлеющем разряде. Вообще, в лазерах непрерывного действия на нейтральных атомах или молекулах для создания активной среды чаще всего используется слабоионизованнаяплазма положительного столбатлеющего разряда. 18. Твердотельные лазеры. YAG-лазер и его технические характеристики. Твердотельный - лазер, активными центрами которого являются примесные ионы, введенные в прозрачную матрицу (кристалл или стекло). Nd:YAG лазер — твердотельный лазер. В качестве активной среды используется алюмо-иттриевый гранат «YAG», легированный ионами неодима (Nd). Накачка активной среды лазера осуществляется с помощью лазерных диодов с длиной волны излучения, попадающей в полосу поглощения кристалла YAG (730 и 800 нм). КПД лазера при ламповой накачке составляет около 3%, средняя выходная мощность достигает нескольких киловатт. Непрерывные Nd:YAG лазеры с продольной накачкой лазерными диодами обеспечивают выходную мощность до 15 Вт. В случае поперечной накачки выходная мощность таких лазеров на сегодняшний день достигает 100 Вт и выше. КПД при использовании диодной накачки оказывается значительно выше по сравнению с ламповой и может превышать 10 %. Генерация происходит на длинах волн 1064 нм, 1319 нм, 946 нм, 532 нм, 355 нм, 266 нм, 213 нм.. Такие лазеры могут работать как в непрерывном, так и в импульсном режиме. Твердотельные Nd:YAG-лазер используются для: Обработки материалов. При сварке материалов пучок импульсного лазера переносится на рабочую поверхность через оптическое волокно диаметром 0,5—2 мм с мощностью до 2 кВт. Применение в медицине. Используются непрерывные Nd:YAG лазеры с малой мощностью 50 Вт. Лазерной дальнометрии в военных целях — для лазерных видоискателей и указателей цели. 19. Волоконные лазеры: основные технические характеристики. Особенности конструкции. Спектральный состав находится в пределах от 1 до 2 мкм. Относится к твердотельным лазерам. Мощность от 1 кВт до 20 кВт, а КПД до 50%. Оптическая накачка диодами. Принцип работы лазера основан на пропускании света фотодиода по волокну большой протяженности. В первых моделях лазеров накачку проводили с торца волокна и усиление осуществлялось за счет многократного переотражения света в волокне большой длины (около 50 м). В качестве волокна был использован кварц, активированный добавками редкоземельных элементов. Накачку проводили диодами с одномодовым излучением. Активная среда: волоконные световоды, состоящие из стеклянной нити генерированные ионами неодима Основными элементами волоконного лазера являются: полупроводниковый источник накачки с волоконным выходом (блок накачки), активный одномодовый волоконный световод с диаметром сердцевины dC = 10–30 мкм, внутриволоконные решетки показателя преломления (зеркала лазера). Благодаря полностью волоконной конструкции таких лазеров они обладают низкими оптическими потерями. Типичная длина активного волоконного световода составляет от 5 до 50 м. 20. Диодные лазеры: основные технические характеристики. способ накачки - электрическая и оптическая накачка активная среда - диоды режим работы - импульсный, непрерывный тип лазера - твердотельный Длина волны зависит от используемого диода и находится в пределах 400 – 2200 нм. Для технологических целей применяют лазерные диоды с длиной волны 807 – 940 нм. Максимально достижимая плотность мощности в фокусе составляет 10^5 – 2∙10^5 Вт/см2. КПД 30-40% Генерация происходит за счет вынужденного излучения фотонов при межзонных переходах электронов в условиях высокой концентрации носителей в зоне проводимости. Инверсия населенностей достигается в узкой (менее 1 мкм) полосе между p-и n- областями перехода. Преимущества - компактный, высокий ресурс работы (10000 ч) Лазерные диодные линейки являются составляющими диодных матриц, которые используются для увеличения мощности. Применяются в процессах сварки, особенно покрытых цинком сталей, термообработки, пайки, наплавки, резки пластиков. |