Київ: ІЕЗ, 2005. - 244 с. - Формат 140х200 мм, мягкий переплет, ISBN 966-95847-9-5, 60 грн./660 руб У книзі викладено основні вимоги до світлопроменевих установок для термічних технологій - зварювання, різання тощо. Показано, що найкраще цим вимогам відповідає устаткування з використанням лазера як джерела світла. Розглянуто властивості вимушених переходів в атомах (молекулах) і на їх основі пояснено механізм лазерної генерації електромагнітного випро-мінювання. Викладено теорію потужності випромінювання, генерованого лазером, з використанням балансних рівнянь заселення і розселення атомних рівнів під час генерації. Розглянуто властивості лазерних пучків, сформованих у стійкому і нестійкому резонаторах, особливості їх фокусування. Порівняно мінімальні перерізи сфокусованих лазерних пучків, сформованих у цих резонаторах; показано, за яких умов доцільно використовувати стійкі чи нестійкі резонатори. Викладено основні поняття про передачу лазерного випромінювання по світловолокну і його фокусування на оброблювану деталь. Подано основні поняття про фізичні процеси у високопотужних лазерах, які використовуються в термічних технологіях - зварюванні, різанні, термо-обробці, наплавці тощо (СО2-лазер, рубіновий, неодимовий, напівпровідниковий і ексимерний лазери). ЗМІСТ Від автора З Список скорочень 4 Прийняті позначення 5 Вступ. ВИКОРИСТАННЯ СВІТЛА ЯК ДЖЕРЕЛА ТЕПЛА ДЛЯ ТЕРМІЧНИХ ТЕХНОЛОГІЙ 9 Розділ 1. СВІТЛОПРОМЕНЕВЕ ЗВАРЮВАННЯ 10 1.1. Світлопромєнева технологічна установка; принципова оптична схема 10 1.2. Нагрівання тонкої пластини світлом 11 1.3. Залежність швидкості нагрівання від конструктивних параметрів оптичної системи світло променевої технологічної установки 14 Розділ 2. ЗАКОНИ ТЕПЛОВОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ. ПОСТУЛАТИ ЕЙНШТЕЙНА - ФІЗИЧНІ ОСНОВИ ЛАЗЕРНОЇ ГЕНЕРАЦІЇ СВІТЛА 18 2.1.Закони теплового випромінювання 18 2.1.1. Фізичні явища, при яких виникає світло 18 2.1.2. Теплове випромінювання і правило Прево 20 2.1.3. Закон Кірхгофа21 2.1.4. Закон Стефана-Больцмана 22 2.1.5. Закон зміщення Віна 23 2.1.6.Формула випромінювання Планка 23 2.2. Постулати Ейнштейна 25 2.3. Спектральні коефіцієнти Ейнштейна. Контур лінії поглинання (випромінювання). Ширина лінії 29 2.4. Механізм лазерної генерації світла 32 Розділ 3. ПОТУЖНІСТЬ ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ 36 3.1. Інтенсивність світлового потоку 36 3.2. Поглинання і підсилення світла в середовищі. Коефіцієнт підсилення 37 3.2.1. Закон Ламберта-Бугера-Бера 37 3.2.2. Потужність поглинання, коефіцієнти поглинання і підсилення 38 3.3. Процеси заселення атомних (молекулярних) рівнів 40 3.3.1.Оптична накачка 40 3.3.1.1. Оптичне збудження лазерного середовища. Три- та чотирирівневі схеми генерації 41 3.3.1.2. Принципова схема лазера з оптичною накачкою 43 3.3.2. Збудження електронним ударом 45 3.3.3. Передача збудження при міжатомних (міжмолекулярних) зіткненнях 47 3.4.Розселення рівнів 47 3.4.1. Спонтанні переходи 48 3.4.1. Релаксаційні переходи 48 3.5.Підсилення світлового пучка при його проходженні в збудженому активному середовищі 49 3.5.1. Коефіцієнт підсилення слабкого сигналу світлового пучка 49 3.5.2. Коефіцієнт підсилення пучка при його проходженні в збудженому активному середовищі, інтенсивність насичення 50 3.6.Потужність лазерного випромінювання 52 3.6.1. Баланс потужності при стаціонарній генерації 53 3.6.2. Потужність, яка генерується активним середовищем 54 3.6.3. Потужність шкідливих втрат 55 3.6.4. Потужність лазерного випромінювання 55 3.6.5. Розрахунок И для стрижня з плоско паралельними дзеркальними торцями 56 3.7.Залежність потужності лазерного випромінювання від кп і кг, питома потужність генерації лазерного випромінювання 58 3.7.1. Залежність потужності від к0 58 3.7.2. Залежність потужності генерації від кг 59 3.7.3. Питома потужність генерації лазерного випромінювання 60 Розділ 4. ТЕОРІЯ ЛАЗЕРНИХ ПУЧКІВ 62 I.ІНТЕРФЕРЕНЦІЯ І ДИФРАКЦІЯ СВІТЛА. ФОРМУВАННЯ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА В РЕЗОНАТОРІ 62 4.1.Інтерференція світла 62 4.1.1. Світлова хвиля. Додавання коливань. Когерентність і інтерференція коливань 62 4.1.2. Додавання коливань 63 4.1.3. Інтерференція хвиль 67 4.1.4. Створення когерентних хвиль в оптиці 68 4.1.5. Часова когерентність 69 4.2.Дифракція світла 71 4.2.1. Принцип Гюйгенса-Френеля 71 4.2.2. Застосування принципу Гюйгенса-Френеля для обчислення наружності електричного поля в точці спостереження 72 4.2.3. Зони Френеля. Прямолінійне поширення світла 73 4.2.4. Просторова когерентність 74 4.3. Формування лазерного пучка в резонаторі 77 4.4. Стійкі і нестійкі резонатори. Умова стійкості. Діаграма стійкості [6] 79 II.ВЛАСТИВОСТІ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА, СФОРМОВАНОГО В СТІЙКОМУ РЕЗОНАТОРІ [6, 8] 84 4.5. Гаусівський пучок, його параметри і властивості 84 4.6. Зміна параметрів гаусівського пучка при поширенні у просторі 86 4.7.Параметри гаусівського пучка, сформованого в стійкому резонаторі 88 4.7.1.Комплексний параметр гаусівського пучка і його властивості 88 4.7.2.Залежність параметрів гаусівського пучка від геометричних параметрів стійкого резонатора, в якому він формується 90 4.8. Типи коливань високих порядків [6] 93 4.9. Фокусування лазерного пучка, сформованого в стійкому резонаторі 96 III.ВЛАСТИВОСТІ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА, СФОРМОВАНОГО В НЕСТІЙКОМУ РЕЗОНАТОРІ 101 4.10.Хід променів у нестійкому резонаторі [10, 11] 101 4.11. Методи виведення генерованого лазерного пучка із нестійкого резонатора 104 4.12. Зміна параметрів лазерного пучка НР при поширенні у просторі 105 4.13. Зона генерації і зона підсилення 106 4.14. Коефіцієнт радіаційних втрат в нестійкому резонаторі 109 4.15.Фокусування лазерного пучка, сформованого в нестійкому резонаторі 110 4.15.1. Положення горловини сфокусованого пучка 110 4.15.2. Дифракція Фраунгофера 111 4.15.3. Дифракція Фраунгофера при виході лазерного пучка із НР 115 4.15.4. Розподіл інтенсивності в мінімальному перерізі сфокусованого пучка; радіус сфокусованого пучка [12, 13]116 4.15.5.Розбіжність лазерного пучка, сформованого в НР 118 IV.ПОРІВНЯННЯ ПАРАМЕТРІВ СФОКУСОВАНИХ ЛАЗЕРНИХ ПУЧКІВ, СФОРМОВАНИХ У СР та НР 119 4.16.Відношення значень густини потужності на осі сфокусованих лазерних пучків, сформованих у СР (ТК ТЕМоо) і НР 119 4.17. Відношення середніх значень густини потужності на осі в горловині сфокусованих лазерних пучків, сформованих у СР (ТК ТЕМоо) та НР 121 4.18. Відношення середніх значень густини потужності в горловині сфокусованих лазерних пучків, сформованих у СР (ТКТЕМпт) та НР 122 4.19. Вплив конструктивних параметрів СР і НР на розбіжність лазерного пучка і його потужність 124 V.ПЕРЕДАЧА СВІТЛОВОГО ПУЧКА ПО СВІТЛОВОЛОКНУ 125 4.20.Будова світловолокна. Хід світлового пучка по світловолокну 125 4.20.1.Граничний кут збіжності сфокусованого пучка при введенні його в світловолокно 128 4.20.2.Оптична схема лазерної технологічної установки з передачею випромінювання за допомогою світловолокна 129 4.20.3. Розрахунок оптичної системи пристроїв вводу лазерного випромінювання в світловолокно, виводу із нього і фокусування на оброблювану деталь 129 VI. УЗАГАЛЬНЕНІ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ 132 4.21. Стала перетворення пучка і показник якості пучка 132 4.22. Глибина чіткості 135 4.23. Максимальна температура нагрівання лазерним випромінюванням абсолютно чорного тіла 137 Розділ 5. СО2-ЛАЗЕР 141 5.1. Структура коливних рівнів молекул СО2 і азоту 141 5.2. Процеси збудження коливних рівнів молекули СО2 142 5.2.1. Населенності лазерних рівнів молекули СО2 під час генерації 143 5.3.Тліючий розряд [20] 146 5.3.1. Залежність напруги на міжелектродному проміжку від відстані між електродами. Механізм протікання струму в тліючому розряді 146 5.3.2. Термічна нерівноважність плазми148 5.3.3. Що обмежує поперечні розміри позитивного стовпа? 149 5.3.4. Нормальна густина струму на катоді (аноді) 150 5.3.5. Нестійкості ТР 151 5.4.Лазери з теплопровідним охолодженням 154 5.4.1. Залежність потужності генерації від геометричних параметрів лазера з теплопровідним охолодженням 154 5.4.2. Трубчасті одноканальні СО2-лазери [21, 22] 156 5.4.3.Багатоканальні трубчаті лазери 158 5.4.3.1. Методи одержання когерентного випромінювання багатоканальних лазерів [23] 160 5.4.4.СО2-лазер з теплопровідним охолодженням щілинної конструкції [24] 162 5.5.СО2-лазери з конвективним охолодженням [21, 22] 164 5.5.1. Порівняльні енергетичні характеристики СО2-лазерів з теплопровідним і конвективним охолодженням 164 5.5.2. Наближений розрахунок потужності лазерного випромінювання СО2-лазера з конвективним охолодженням [21] 165 5.5.3. Резонатори лазерів з конвективним охолодженням 166 5.5.3.1. Лазери з осьовою прокачкою 166 5.5.3.2. Лазери з поперечною прохачкою 167 5.6.Електродні системи в СС2-лазерах, як способи боротьби з нестійкостями ТР 169 5.7. Блок-схема СО2-лазера з конвективним охолодженням 177 5.8. Вплив дисоціації вуглекислого газу на часову залежність потужності лазерного випромінювання 178 5.8.1. Дисоціація молекул СОг в тліючому розряді 178 5.8.2. Зміна в часі потужності лазерного випромінювання СОг-лазера 181 Розділ 6. ТВЕРДОТІЛЬНІ ЛАЗЕРИ З ОПТИЧНОЮ НАКАЧКОЮ 186 6.1.Рубіновий лазер [34] 186 6.1.1. Активне середовище рубінового лазера і його фізичні властивості 186 6.1.2. Енергетичні процеси при створенні інверсної населенності верхнього лазерного рівня 2Е 188 6.1.3. Конструкція рубінового лазера 190 6.2.Неодимовий лазер 191 6.2.1.Активне середовище неодимового лазера і його фізичні властивості [35] 191 6.2.2.Стрижневі лазери [35] 193 6.2.2.1. Методи збільшення потужності твердотільних лазерів 195 6.2.3. Дискові лазери [23] 197 6.2.4. Пластинчасті лазери 199 6.2.5. Волоконні лазери [39] 200 6.2.6. Генераційні характеристики ІАГ-Иа лазера 203 6.3.Розбіжність лазерного пучка твердотільного стрижневого лазера із СР 204 6.4.Часова залежність потужності генерації 205 6.4.1. Пічкова структура 207 Розділ 7. НАПІВПРОВІДНИКОВИЙ ЛАЗЕР 210 7.1. Утворення зон із атомних рівнів [42] 210 7.2. Домішкова або "невласна" провідність напівпровідників [2] 212 7.3. Люмінесценція напівпровідників [2] 213 7.4. Способи створення інверсії в напівпровідниках 215 7.4.1. Лазерний діод [2] 216 7.4.2. Способи створення потужних напівпровідникових лазерів [19] 217 Розділ 8. ЕКСИМЕРНІ ЛАЗЕРИ 220 Розділ 9. ПРИЧИНИ НЕСТАБІЛЬНОСТІ ПАРАМЕТРІВ ЛАЗЕРНОГО ВИПРОМІНЮВАННЯ ТЕХНОЛОГІЧНОГО ЛАЗЕРА226 9.1. Параметри лазерного випромінювання, які необхідно стабілізувати 226 9.2. Причини нестабільності потужності лазерного випромінювання 227 9.2.1. Відносна нестабільність об'єму АС-у- 227 9.2.2. Нестабільність інтенсивності насичення 227 9.2.3.Нестабільність коефіцієнта підсилення слабкого Мо-сигналу-р- 228 9.2.4. Нестабільності к, 229 9.2.5. Нестабільності р2 230 9.3. Нестабільність кута розбіжності Д0/9 230 9.4. Нестабільність відстані від головної площини фокусувальної системи до мінімального перерізу сфокусованого пучка ДІ/І/ 231 Використана література 232 Рекомендована література 234