Scrigroup - Documente si articole

Username / Parola inexistente      

Home Documente Upload Resurse Alte limbi doc  

CATEGORII DOCUMENTE





BulgaraCeha slovacaCroataEnglezaEstonaFinlandezaFranceza
GermanaItalianaLetonaLituanianaMaghiaraOlandezaPoloneza
SarbaSlovenaSpaniolaSuedezaTurcaUcraineana

įstatymaiįvairiųApskaitosArchitektūraBiografijaBiologijaBotanikaChemija
EkologijaEkonomikaElektraFinansaiFizinisGeografijaIstorijaKarjeros
KompiuteriaiKultūraLiteratūraMatematikaMedicinaPolitikaPrekybaPsichologija
ReceptusSociologijaTechnikaTeisėTurizmasValdymasšvietimas

LazeriŲ taikymai

elektra

+ Font mai mare | - Font mai mic







DOCUMENTE SIMILARE

Trimite pe Messenger

VILNIAUS UNIVERSITETAS

KVANTINĖS ELEKTRONIKOS KATEDRA

Valdas Sirutkaitis

LAZERIŲ TAIKYMAI



1. Įvadas

 

            1960 metų pradžioje atsiradus lazeriams, buvo pranašaujama naujos eros moksle ir technikoje pradžia. Buvo pranašaujamas labai platus lazerių pritaikymas įvairiose gyvenimo srityse. Vėliau pasirodė, kad dalis prognozių nerealios arba jų įgyvendinimui reikalingi lazeriai su tokiais parametrais, kurių pradiniame vystymosi etape negalima buvo pasiekti. Todėl 1960-1970 metams būdingas spartus lazerių taikymų augimas tiriant fundamentalias ir taikomasias problemas fizikoje, chemijoje, biologijoje, medicinoje, elektronikoje ir kitose mokslo kryptyse. Bet nuo 1970 metų galo ir 1980 metų pradžios svarbiausiu stimulu kuriant lazerinę techniką tapo orentacija į konkrečius taikymus įvairiose ūkio šakose - mašinų gamyboje, elektronikos pramonėje, žemės ūkyje, statyboje, cheminėje gamyboje, ryšiuose. Pirmą kartą lazeriai pramonėje panaudoti 1966 m. Šveicarijoje skylių gręžimui rubino diskuose, naudojamuose laikrodžiuose. 1969 metais lazeriai panaudoti automobilių pramonėje. Nuo to laiko lazeriai plačiai naudojami tokiuose procesuose kaip termoapdirbimas, suvirinimas, grežimas, pjovimas, skraibavimas ir derinimas.

            Lazeriai dabartiniu metu plačiai naudojami tiek tiesiogiai atliekant technologines operacijas, tiek ir technologinių procesų kontrolei bei valdymui. Technologinėms operacijoms buvo sukurti taip vadinami technologiniai lazeriai, kurių galia siekia nuo dešimčių iki kelių tūkstančių vatų. Lazeriai pasirodė efektyvūs, kai kuriose masinėse cheminėse technologijose. Vystantis lazeriniams metodams išsivystė nauja medicinos kryptis - lazerinė medicina. Be lazerių neįsivaizduojamas kompaktinis informacijos, tame tarpe vaizdų, užrašymas, naujos kartos spausdinimo įrenginiai, mikroskopija. Lazeriai taikomi dirbinių ir detalių matmenų ir formos nustatymui, jų dėka įvertinama įrigacinių, statybinių ir žemės ūkio darbų kokybė. Lazeriniai metodai efektyvūs distancinei degimo produktų diagnostikai, vėjo krypties nustatymui. Pagaliau kiekviename kompaktinių diskų grotuve bei prekių brūkšninio kodo nuskaitymo aparate taip pat panaudojamas lazeris. Taip, kad lazeriai šiuo metu pritaikomi labai įvairiose srityse ir šių sričių pilna apžvalga nelabai įmanoma. Todėl mes apsiribosime tik tais lazerių taikymais, kurie jau įdiegti pramonėje ir gamyboje, ir leido pakelti bendrą technologijos lygį arba sukurti naujas technologijas.

            Platus lazerių taikymas pagrindinai remiasi dviem jų savybėmis tai didelis spinduliuotės erdvinis ir laikinis koherentiškumas, kuriuo jie labai pranoksta kitus šviesos šaltinius, bei didelė galia. Daugumai taikymų svarbiausia charakteristika yra maža lazerio pluošto skėstis, kas įgalina sufokusuoti pluoštą į labai mažą dėmę, o, esant didelei lazerio galiai, sufokusuotame pluošte gauti didelį intensyvumą ar galios tankį.


2. Lazerinis medžiagų apdirbimas

            Greitai po impulsinių lazerių atsiradimo, tyrėjai pastebėjo, kad lazerio spindulys gali tirpdyti ir išgarinti nedidelius medžiagos kiekius. Tam paprastai reikėjo sufokusuoti lazerio pluoštą ant medžiagos paviršiaus. Vėliau atsiradus didelės galios (P>100 W) lazeriams jie rodo platų pritaikymą technologijoje ir medžiagų apdirbime suvirinant, pjaustant, gręžiant, legiruojant bei apdirbant medžiagų paviršių. To pasekoje 70 metų pradžioje lazerinė technologija pradėta perkelti iš laboratorijų į pramoninius cechus. Tolimesniam lazerinės technologijos vystymuisi padėjo daugiakilovatinių CO2 lazerių sukūrimas, kurių dėka atsirado galimybė apdirbti medžiagas su 'giliu išlydimu'. Jei iki tol lazerinis apdirbimas buvo taikomas metalams, kurių storis <0,2 cm tai dabar 'gilus išlydimas' leido apdirbti daug storesnius metalų sluoksnius (net iki 5 cm).

            Jau 1970 metų viduryje eilėje technologinių operacijų (rezistorių derinimas, skylių grežimas keramikoje, ir kitos) buvo pilnai pereita prie lazerinių metodų, o eilėje kitų procesų (pjovimas, suvirinimas, termoapdirbimas) lazerinė technologija pagal ekonominius rodiklius pradėjo konkuruoti su tradiciniais metodais. Net po 40 metų vešlaus augimo lazerinė technologija vis dar įkvepia mokslininkus ir pramoninius vartotojus. To priežastis platus panaudojamumas ir skaitlingos galimybės lazerių taikymui. Didėjantis pasitikėjimas šios technologijos perspektyvumu ir ekonominė nauda greitina jos skverbimąsi į šiuolaikinę visuomenę. Lazerinių technologijų skverbimąsis šiuo metu yra sąlygojamas tiek mokslinių tyrimų, kuriančių vis tobulesnius lazerius ir tobulesnes lazerines technologijas, tiek ir didejančių pramonės poreikių. Šiuo metu lazerinių technologijų reikšmė didėja beveik visose gamybos srityse, tačiau pagrindinės lazerių panaudojimo sritys gamyboje yra suvirinimas, gręžimas ir ženklinimas mikroapdirbime, bei taškinis ir siūlinis suvirinimas ir pjaustymas makroapdirbime. Iš 2.1 pav. matosi, kaip plačiai lazerinė technologija panaudojama automobilių gamyboje. Šiandieniniuose automobiliuose eilė detalių yra gaminamos naudojant lazerius, pagrindinai suvirinant ir pjaustant. 2.2 ir 2.3 pav. pateikti lazerių taikymo pavyzdžiai makroapdirbime ir mikroapdirbime.

            Lazerinių sistemų rinka per pastaruosius dešimt metų (1990-2000 metais) pastoviai augo. 2000 metais medžiagų lazerinio apdirbimo sistemų rinkos vertė viršijo 4,1  milijardo eurų. Nors daugiau kaip 50 %  industrinių lazerių yra naudojami pjovimo ir suvirinimo darbams, jų svarba įvairiuose taikymuose auga. Visa industrinių lazerių rinka gali būti suskirstyta į lazerius pjovimui ir suvirinimui (45%), lazerinį ženklinimą (17%), mikroapdirbimą (26%) ir įvairovę kitų apdirbimų (2.4 pav.). Lazeris yra perspektyvi technologija gaminančiai pramonei. Taikymų sritys apima visas gamybos sritis nuo formos suteikimo ir formavimo operacijų iki sujungimo, pjovimo ir gaminimo technologijų. Naudojant lazerines technologijas įprasti procesai gali būti pakeisti našesniais ir pigesniais technologiniais procesais.

Lazerio pluošto panaudojimas medžiagų apdirbime turi sekančius privalumus:

1. Šilumos paveikta zona yra labai maža ir tai sąlygoja mažesnes detalių deformacijas.

2. Apdirbimo metu detalė nėra veikiama jokia papildoma jėga per apdirbimo įrankius.

3. Galimybė apdirbti nepasiekiamus įprastais būdais detalių paviršius ir vietas.

4. Didelis našumas.

5. Aukšta kokybė.

6. Galimybė automatizuoti spindulio judėjimo trajektoriją ir pjaustyti sudėtingų profilių detales.

7. Dėl didelio lazerinio pluošto intensyvumo atsirado galimybė sukurti naujus metalurginius procesus (pav. paviršinis legiravimas, puslaidininkių atkaitinimas).

8. Nėra tiesioginio lazerinių instrumentų išsinešiojimo.

            Bet lazerinei technologijai būdingi ir trūkumai:

1. Didelė įrangos kaina.

2. Pluošto struktūros nestabilumai įtakoja apdirbimo tikslumą.

3. Reikia laikytis specialių saugumo priemonių.

2.1. Fizikiniai mechanizmai

            Lazerio energijos panaudojimas medžiagų apdirbimui pagrįstas lazerio spinduliuotės sugėrimu medžiagoje. Spinduliuotės prasiskverbimas į medžiagą aprašomas lygtimi:

                        ,                                                                         (2.1)

čia E(x) - energija praėjusi medžiagos storį x, Eo - energija krintanti ant paviršiaus, R - paviršiaus atspindžio koeficientas,  - sugerties koeficientas. Energijos kiekis, sugertas  storio sluoksnyje, lygus:

                                                                                       (2.2)

Taigi maksimali energija sugeriama medžiagos paviršiuje ir ji monotoniškai mažėja didesniame gylyje. Didžioji energijos dalis sugeriama  sluoksnyje. Metalams , todėl juose lazerio spinduliuotė sugeriama  storio paviršiniame sluoksnyje. Sugėrimas pagrindinai vyksta dėl sąveikos su elektronais. Sugėrę kvantą elektronai peršoka į aukštesnį sužadintą lygmenį, bet labai greitai (per <) praranda šią energiją dėl smūgių. To pasekoje sugerta energija virsta gardelės virpesių energiją t.y. šiluma (tik labai trumpų impulsų atveju elektronai gali nespėti perduoti energijos gardelei). Praktiškai lazerinį spinduliavimą galima nagrinėti kaip šilumos šaltinį patalpintą detalės paviršiuje ar arti jo. 2.5 pav. schematiškai pateikti kai kurie fizikiniai procesai vykstantys esant lazeriniam kaitinimui. Viršuje rodyklėmis pažymėta lazerio spinduliuotė, krentanti ant apdirbamo paviršiaus, apačioje pateiktas temperatūros profilis (T) įvairiuose medžiagos gyliuose. Iš pradžių spinduliuotė sugeriama paviršiuje. Ilginant apšvietimo laiką temperatūra pakyla iki lydimosi temperatūros  (2.5 b pav.) ir lydinio frontas pradeda skverbtis gylin į medžiagą (užbrūkšniuota sritis). Po to kai paviršiaus temperatūra viršija garavimo temperatūrą , viršutinis medžiagos sluoksnis pradeda garuoti, o lazerio spinduliuotė pradedama sugerti vėl atsidengiančiuose sluoksniuose. 2.5 c pavyzdyje punktyru pavaizduotas pradinis medžiagos paviršius. Toliau trumpai apžvelgsime pagrindinius procesus.

A. Lazerinis paviršiaus kaitinimas

 

            Apytikrę detalės paviršiaus temperatūrą  laiko momentu , pradėjus jį švitinti erdviškai vienalyte lazerio spinduliuote momentu , galima rasti iš lygties:

                                                                            (2.3)

čia  - pradinė temperatūra,  - krentantis srautas,  - šiluminio laidumo koeficientas, k - temperatūrinio laidumo koeficientas. Temperatūrinio laidumo koeficientas gali būti išreikštas per medžiagos šiluminio laidumo koeficientą, specifinę šilumą c ir tankį , t.y. . Šiluminė energija iš paviršiaus perduodama į gilesnius sluoksnius dėl šiluminio laidumo. Paviršiaus temperatūra auga kaip šaknis iš apšvitinimo laiko t. Sąryšis (2.3) galioja kol neprasidėjo sluoksnio lydimas.

            Lazerinėje technologijoje svarbus atspindžio koeficientas R, rodantis kokia krintančios spinduliuotės dalis atsispindės ir nedalyvaus kaitinime. Metalų atspindžio koeficientas stipriai priklauso nuo spinduliuotės bangos ilgio, žymiai išaugdamas tolimoje IR srityje (2.6 pav.). Sugėrimo koeficiento (1 - R) reikšmės aliuminiui, geležiai ir nikeliui ties keletu šviesos bangos ilgių pateiktos 2.1 lentelėje. Ties CO2 lazerio bangos ilgiu (1,06 mm) daugumos metalų atspindžio koeficientas viršija 97 % t.y. nenaudijant jokių papildomų priemonių kaitinimui pradiniu momentu panaudojama tik 2-3 % krintančios spinduliuotės galios. Metalų sugertis didėja kai apdirbimui naudojami trumpesnio bangos ilgio lazeriai (1,06 mm IAG:Nd lazeris; 0,8-1,0 mm diodiniai lazeriai; 0,157-0,308 mm eksimeriniai lazeriai). Šiuo atžvilgiu trumpesnio bangos ilgio lazeriai yra perspektyvesni dėl didesnės jų spinduliuotės sugerties. Be to, sugėrimo (1 - R) reikšmės priklauso nuo temperatūros ir kinta apšvitinimo metu kartu su temperatūros kitimu (2.7 pav.). Daugumos metalų atspindys didėjant temperatūrai mažėja ir tai sąlygoja greitesni paviršiaus kaitimą. 2.7 pavyzdyje pateiktas nerūdyjančio plieno paviršiaus temperatūros augimas pastovaus ir mažėjančio atspindžio koeficiento atveju.

2.1 lentelė. Metalų sugerties koeficientai ties kai kuriais bangos ilgiais

0,5 mm

0,7 mm

1,06 mm

10,6 mm

Aliuminis

0,09

0,11

0,08

0,019

Geležis

0,68

0,64

0,41

0,035

Nikelis

0,40

0,32

0,26

0,030

            B. Paviršinis lydimas

            Pakankamai ilgai švitinant apdirbamą paviršių jo temperatūra pakyla iki lydimosi taško  ir prasideda paviršiaus lydimas. Tam reikalingas apšvitinimo laikas :

                                                                         (2.4)

Daugumai metalų ir galingų lazerių t sudaro nuo kelių nanosekundžių iki mikrosekundžių. Pasiekus lydimosi temperatūrą, sugerta energija pradedama naudoti paslėptai lydimosi šilumai kompensuoti. Riba tarp kietos ir skystos fazės pradeda slinkti į medžiagos gilumą. Suvirinimo metu reikia, kad ši riba įsiskverbtų per visą apdirbamos detalės gylį, dar iki to kol prasidės išgarinimas nuo paviršiaus.

            C. Giluminis lydimas

            Po to kai lazerio energija yra sugerta apdirbamame paviršiuje, ji pradeda sklisti gylin į medžiagą dėl šiluminio laidumo. Gylis D, į kurį perduodama dėl šiluminio laidumo sugerta paviršiuje energija, per laiką t aproksimuojama išraiška:

                                                                                                                (2.5)

Pavyzdžiui metalui su k=1,0 cm2/s (santykinai didelė temperatūrinio laidumo koeficiento reikšmė) per laiką 2,5 ms šiluminė energija prasiskverbia į 0,1 cm gylį. Taigi šiluminės energijos prasiskverbimo gylis gana ribotas. Su mažos galios lazeriais paprastai suvirinamos detalės, kurių storis 2-3 mm, nes impulso metu šiluma neįsiskverbia giliau. Naudojant nuolatinės veikos lazerius įsiskverbimo gylį galima padidinti, bet suvirinimo greitis smarkiai sumažėja ir be to šiluma išsisklaido ir kitomis kryptimis. Taigi prarandamas lazerinio apdirbimo privalumas - lokalus šildymas.

            Tačiau atsiradus CO2 lazeriams su nuolatine galia P>5 kW pastebėta, kad lydimo metu pasireiškia kitas fizikinis procesas - tai dėl didelio energijos padavimo susidaranti kaverna, kurios dugne ir sugeriama energija. Šiuo atveju lydimo zonoje kartu su išlydytu metalu susidaro metalo garų ir dujų mišinys, kuris plėsdamasis metalo lydinyje padaro kanalą krentančios spinduliuotės kryptimi (2.8 pav.). Kaverna juda gylin į medžiagą ir leidžia apdirbti detales, kurių storis 25 mm ir daugiau. Išlydytas metalas juda link užpakalinio pluoštelio fronto ten sukietėdamas ir sudarydamas suvirinimo siūlę. Giluminio lydimo metu naudingo veikimo koeficientas gali siekti 90 %. Giluminio lydimo metu svarbi spinduliuotės sąveika su plazma esančia išlydytoje kiaurymėje.

            D. Paviršinis garavimas

            Temperatūrai paviršiuje pasiekus virimo tašką prasideda garavimas ir paviršiuje susidaro krateris. Esant spinduliuotės intensyvumui <108 W/cm2 išgarinta medžiaga pašalinama dėl konvekcijos nesąveikaudama su spinduliuote. Šiuo atveju lazerio spindulys skverbdamasis gilyn į kraterį yra sugeriamas garuojančio sluoksnio.

            Jei medžiagos pašalinimas dėl konvekcijos stabilizuojasi tai paviršiaus gilėjimo greitis v gali būti išreikštas:

                                                                                          (2.6)

kur Lg - specifinė garavimo šiluma;  - medžiagos tankis. Praktikoje dažni atvejai kai didesnė medžiagos dalis iš kraterio neišgaruoja, o yra išmetama skystoje būsenoje.

            E. Plazmos susidarymas ir smūginės bangos

            Toliau didinant lazerio galią išgaravusi medžiaga pradeda sugerti spinduliuotę, įkaista ir jonizuojasi. To pasekoje arti apspinduliuojamo paviršiaus susidaro sugerianti plazma, kuri pradeda sklisti išilgai spindulio link lazerio. Šis reiškinys vadinamas sugėrimo banga palaikoma lazerio spinduliavimo. Ji pasireiškia kaip šviečiantis rutulys atsirandantis ant paviršiaus ir judantis link lazerio. Lazerinio impulso metu gali atsirasti daugybė tokių bangų. Šis reiškinys atsiranda prie tam tikro spinduliuotės srauto tankio. Plazmos susidarymas pradeda ekranuoti apinduliavimą, nes joje vyksta spinduliuotės sugėrimas ir vis mažiau energijos patenka ant apdirbimo paviršiaus. Kadangi sugėrimo banga dėl sugėrimo plazmoje yra besiplečianti aukštatemperatūrinė plazma ji pradeda spausti paviršių. Dėl to atsiranda smūginė banga medžiagoje ir tai gali pažeisti apdirbamą detalę. Todėl šis rėžimas praktikoje naudojamas labai retai.

            Apibendrinant visus fizikinius procesus galima pateikti galios tankio ir sąveikos laiko diagramą, kurioje pateikti galimi technologiniai procesai (2.9 pav.).

 Optinės sistemos naudojamos lazerinio medžiagų apdirbimo įrenginiuose

            3.1.Lazerio pluošto parametrai

             Pagrindiniai lazerio parametrai svarbūs medžiagų apdirbime pateikti pav. 3-1. Lazeris spinduliuoja tam tikro bangos ilgio  intensyvų pluoštą, kuris fokusuojamas lęšiu į nedidelę dėmelę. Spinduliuotės skestis  ir erdvinis pasiskirstymas J(r) priklauso nuo lazerio modinės struktūros. Pagrindinė TEMoo moda turi Gauso erdvinį pasiskirstymą ir mažiausią skėstį  lygią:

                        ,                                                                      (3-1)

kur  - pluošto diametras, apibrėžiamas kaip dvigubas atstumas, kuriame lauko amplitudė sumažėja e kartų palyginus su amplitude pluoštelio ašyje . Skėstis ir panaudojamo lęšio židinio nuotolis F apsprendžia dėmelės diametrą lęšio židinio plokštumoje :

                        .                                                                (3-2)

            Minimalus  dydis paprastai yra artimas bangos ilgiui. Esant daugiamodei spinduliuotei, lazeris vienu metu spinduliuoja keletą modų, todėl erdvinis pasiskirstymas čia sudėtingesnis ir pluoštas jau negali būti sufokusuotas į tokią mažą dėmelę. Taip pat svarbus galios kitimas laike. P galios ir  trukmės impulso energija yra E. Spinduliuotės intensyvumas I tai galia į ploto vienetą :

                        .                                                                                   (3-3)

            Išilginis sąsmaukos matmuo, apibūdinamas kaip atstumas kuriame sufokusuoto pluošto intensyvumas krinta du kart palyginus su tašku, kuriame energijos koncentracija maksimali, apibrėžiamas kaip:

                                                                                   (3-4)

            Esant , ir fokusuojant į  diametro dėmę, fokusavimo gylis yra , o fokusuojant į  diametro dėmę fokusavimo gylis yra . 3-1 lentelėje pateiktos  reikšmės keliems lazeriams fokusuojant lęšiu su . Pateiktos  reikšmės duoda minimalų sufokusuotos dėmės diametrą, kadangi čia neįskaitytas iplitimas dėl lešio aberacijų. Tolstant nuo sąsmaukos Gauso pluoštelis plečiasi pagal dėsnį:

                        ,                              (30.5)

čia z - atstumas iki sąsmaukos.

                                                                                                            3.1 lentelė

            Lazeris                         , mrad                                  mm

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------

            Ar                                            0,5                                           2

            CO2                                         2                                              8

            Nd:IAG                                  3                                              12

--------------------------------------------------------------------------------------------------------------

3.2 Lazerinių technologinių įrenginių optinės schemos

            Lazerinio apdirbimo įrenginys sudarytas iš sekančių dalių: lazerio, pluošto nukreipimo ir fokusavimo sistemos bei detalės orentavimo ir keitimo sistemos (3.2 pav.).

            Lazeris bendru atveju sudarytas iš aktyvaus elemento, kaupinimo šaltinio, maitinimo šaltinio, šaldymo įrenginio, veidrodžių, diafragmų bei moduliatorių. Taip pat naudojama lazerio parametrų kontrolė bei grįžtamo ryšio grandinės šių parametrų valdymui. Optinis izoliatorius apsaugo lazerį nuo suardymo stiprinant spinduliuotę, atsispindėjusią nuo apdirbamos detalės paviršiaus.

            Nukreipimo ir fokusavimo sistema valdo lazerio spindulį. Fokusavimo dėmės forma, paprastai esanti apvali, gali būti keičiama panaudojant optinį bloką (žiedą, liniją ir t.t.). Poslinkis gaunamas judant arba apdirbamai detalei arba lazerio spinduliui. Dideli poslinkiai paprastai gaunami judinant detalę arba atlenkiant lazerio pluoštą dviem prizmėmis (ar veidrodžiais) (3.3 pav.). Mažiems poslinkiams (iki 10 cm) paprastai naudojamas veidrodžių kampo pokrypis. Pirmu atveju pluošto judėjimo greitis ~50 cm/s, o antruoju iki 1000 cm/s.

            Detalės keitimo sistema skirta detalių pakrovimui transportavimui į apdirbimo zoną bei išėmimui. Lazerio pluoštas gali būti dalinamas į keletą pluoštų arba nukreipiamas į sunkiai pasiekiamas vietas (3.4 pav.). Bekontaktis apdirbimas supaprastina postūmio sistemą ir leidžia pilnai automatizuoti technologinį procesą. Automatizacija gali būti pilna - lazerio parametrų ir detalės pastūmio valdymas arba dalinė - tik spinduliuotės parametrų valdymas. Ekonominis lazerinių technologinių įrenginių efektas priklauso nuo konkrečių eksplotacijos sąlygų. Lazerinės aparatūros kaina priklauso nuo galios, lazerio universalumo bei detalių postūmio sistemos sudėtingumo. Lazerio naudojimo kaina priklauso nuo išsinešiojančių dalių (kaupinimo lempų, aktyvių elementų ir kt.) bei komponentų (dujų, elektroenergijos, vandens ir t.t.) kainos. 3.2 lentelėje pateikti technologinių lazerių parametrai ir taikymo sritys.

                                                                                                                        3.2 lentelė

____________________________________________________________________________

Lazeris             Bangos            Veika               Galia,                           Taikymo sritis

                        ilgis,                                  W

____________________________________________________________________________

CO2                 10,6                 nuolatinė         iki 104                          Termoapdirbimas,                                                                                                                               suvirinimas, pjaustymas

CO2                 10,6                 impulsinis        500 (vidutinė)             Suvirinimas, medžiagos

                                                                                                            pašalinimas

IAG:Nd          1,06                 nuolatinis         500                              Suvirinimas

IAG:Nd          1,06                 impulsinis        200 (vidutinė)             Suvirinimas, gręžimas

IAG:Nd          1,06                 nuolatinis         5000 (impulse)            Rezistorių

                                                su modu-                                             derinimas

                                                liuota ko-

                                                kybe

IAG:Nd          1,06                 impulsinis        105 (impulse)               Taškinis suvirinimas,

                                                su modu-                                             gręžimas

                                                liuota ko-

                                                kybe

____________________________________________________________________________

4. Lazeriniai medžiagų apdirbimo procesai

 

            Lazerio spinduliuotės intensyvumas ir trukmė, kaip matosi iš 2-6 pav. apsprendžia proceso tipą: įkaitinimas iki lydimosi temperatūros, lydimas ir garavimas. Terminio poveikio zonos dydis apdirbamas detalės paviršiuje pagrindinai priklauso nuo sufokusuoto pluošto diametro, o gylis priklauso nuo medžiagos šiluminio laidumo ir medžiagos išmetimo iš poveikio zonos ir todėl gali būti valdomi lazerinės spinduliuotės intensyvumo ir trukmės. Charakteringi įvairiems lazerinio apdirbimo metodams temperatūriniai rėžimai, reikalingi intensyvumai ir poveikio trukmės pateikti 4.1 lentelėje .

                                                                                                            4.1 lentelė

____________________________________________________________________________

Intensyvumas,             Temperatūros              Procesas

trukmė                         rėžimas

_________________________________________________________________________

105 W/cm2; 0,1 s                      T < Tl                                      Tvirtinimas, grūdinimas

106 W/cm2; 0,2 ms                                                                   Puslaidininkių atkaitinimas

107 W/cm2; 15 ns                    

106 W/cm2; 1-10 ms                Tl < T < Tg                              Lydimas, legiravimas,

                                                                                                litavimas, suvirinimas

107 W/cm2; 0,1-0,5 ms            T > Tg                                      Gręžimas, pjovimas,

                                                                                                skraibavimas, derinimas

___________________________________________________________________________

4.1. Terminis apdirbimas prie temperatūrų žemesnių už lydimosi temperatūrų

            4.1.1. Grūdinimas. Grūdinimas ir atkaitinimas vykdomi esant metalams kietoje būsenoje. Senai žinoma, kad jei greitai atšaldyti įkaitintą iki raudonumo plieną arba ketų, tai jo kietumas padidės. Juodojo metalo struktūros kitimas pavaizduotas 4.1 pav. Plienas iš nemagnetinės būsenos (austenito), kurioje jis yra prie aukštų temperatūrų vykstant pakankamai greitam atšaldymui, kad vyktų šuolis pereinant S tipo Beino kreivę įgauna tvirtą (martensitinę) struktūrą. Grūdinimas naudojamas norint prailginti tarnavimo laiką t.y. padidinti atsparumą dilimui bei padidinti erozinį atsparumą. Lazerinis grūdinimas vykdomas šiuo būdu. Lazerinė spinduliuotė trumpą laiką apšviečia grūdinamą paviršių. Dėl spinduliuotės sugėrimo ploname paviršiniame sluoksnyje išsiskyrusi šiluma padidina paviršiaus temperatūrą aukščiau už austenizacijos tašką; šiluma išsilaiko laiko tarpą, kuris reikalingas angliai, esančiai metale, ištirpti. Kaitinimo metu paviršiuje formuojasi didžiausi temeperatūros gradientai. Jų formavimui didžiausią įtaką turi šilumos nutekėjimas į metalo gilumą. Kaip matosi iš 4-2 pieš. užgrūdinta zona susidaro iškart už slenkančio metalo paviršiumi lazerio pluošto.

            Lazerinis grūdinimas turi keletą privalumų lyginant su įprastais metodais. Pagrindinis privalumas tai, kad nereikia eikvoti energijos viso medžiagos tūrio kaitinimui, nes kaitinamas tik plonas paviršinis sluoksnis. Šiluminio poveikio zona šiuo atveju sumažėja iki minimumo. Paviršiaus deformacijos taip pat minimalios lyginant su kitais grūdinimo būdais. Todėl galimas precizinių detalių grūdinimas. Be to lazerinio grūdinimo metu vidutinė detalės temperatūra pakinta nežymiai. Lazeriniam grūdinimui nereikia specialaus šaldymo tokio kaip vanduo ar alyva. Apdirbtos detalės paviršius lieka švarus.

            Kaip matosi iš 4-3 pav. lazerinio grūdinimo procesą galima charakterizuoti spinduliuotės intensyvumu ir apšvitinimo laiku. 4-3 pieš. kreivės gautos ketui turinčiam 3,5 % anglies ir lydimosi temperatūrą 1200o C. Kaip matosi kaitinimo gylis mažėja didinant lazerinės spinduliuotės intensyvumą, nes dėl to vyksta greitesnis paviršiaus kaitinimas. Bet paviršiaus temperatūra grūdinimo metu neturi viršyti metalo lydimosi temperatūros. Iš kitos pusės esant mažam spinduliuotės intensyvumui ir dideliam apšvitinimo laikui, vyksta didelė termodifuzija į pagrindinę medžiagą ir tada praeinant lazerio spinduliui temperatūrinis gradientas nepakankamas greitam paviršinio sluoksnio ataušimui, kad susidarytų kieta struktūra. Lazerinio kaitinimo greitis artėja prie 103 oC/s, todėl homogeninio austenito formavimas vyksta esant 900oC ir aukštesnei temperatūrai. Didelio terminio stabilumo karbidai gali trukdyti anglies tirpimui, todėl tik dalis pliene ar ketuje esančios anglies gali būti panaudota martensito kietumo didinimui. Anglies difuzijos trukmė labai maža, todėl lazeriniam grūdinimui labiausiai tinka plienai ir ketus su homogenišku anglies pasiskirstymu. Greitai austenizacijai būtinos perlitinė arba beinitinė kristalinės struktūros. Plienai su mažesne kaip 0,3 % anglies koncentracija paprastai nesigrūdina. Plienai su vidutine ir didele anglies koncentracija optimalūs lazeriniam grūdinimui. Kaip matosi iš 4.4 pav. jų maksimalus tvirtumas priklauso nuo anglies koncentracijos. Matai legiruotose plienuose anglies koncentracija taip pat apsprendžia jų tvirtumą. Legiruojančių elementų tokių kaip chromas, magnis ar molibdenas koncentracija taip pat įtakoja grūdinimą.

            Praktikoje grūdinamo sluoksnio storis neviršija 3 mm, mažėdamas didėjant anglies koncentracijai pliene ir mažėjant plieno lydimosi temperatūrai. Austenizacijos temperatūra esant lazeriniam grūdinimui artūja prie lydimosi temperatūros ir todėl norint kartu sukurti reikalingą temperatūros gradientą yra pasiekiami tik nestorame paviršiniame sluoksnyje (4.5 pav.). 4.5 pav. pateikta pilko ketaus temperatūros priklausomybė nuo gylio veikiant ir nustojus veikti lazerio impulsui (2,5 kW/cm2). Veikiant didesnės galios lazerinei spinduliuotei austenitas paviršiniame sluoksnyje įkaitinamas virš lydimosi temperatūros. Martensito susidarymas yra užlaikomas ir susidaro martensitas su austenito priemaišomis. Tokios medžiagos tvirtumas, kietumas ir atsparumas dilimui daug mažesnis negu vienalyčio martensito.

            Kadangi metalai gerai atspindi lazerinę spinduliuotę ir tiesiogiai yra sugeriama tik 10-50 % krentančios energijos, tai vykdant lazerinį grūdinimą paviršius ištepamas sugeriančiais dielektrikais (koloidinis grafikas, miltelinę anglis ir t.t.). Jie padidina energijos sugėrimą iki 80%.

            Lazerinio spinduliavimo erdvinis pasiskirstymas turi tiesinę įtaką žgrūdintos srities profiliui ir gyliui. Naudojant daugiamodį spinduliavimą, leidžiantį gauti didžiausią lazerių galią, tenka naudoti specialias optines sistemas norint sukurti vienalytį intensyvumo pasiskirstymą ant grūdinamo paviršiaus. Toks pasiskirstymas vadinamas stačiakampiu arba juostiniu. Jam suformuoti gali būti panaudotos dvi schemos. Viena jų tai segmentinis veidrodis (4.6 pav.). Jis sudarytas iš kelių vienodų plokščių veidrodžių. Kampas tarp atskirų veidrodžių <180o, todėl jų visuma sudaro įgaubtą paviršių. Be to jie nukreipia spinduliavimą į bendrą tašką. Lazerinis  spinduliavimas pradžioje apšviečia visą veidrodį ir dėl to vyksta pluošto dalinimas. Kiekvienas naujai sudarytas pluoštelis turi vienodą diametrą atstume nuo veidrodžio iki židinio plokštumos. Tokiu būdu fokusavimo dėmėje vyksta atskirų pluoštelių sudėtis dėl ko jų energija susideda. Be to tokiu būdu panaudojama pluošto energija, kurios tiesiogiai nepakaktų grūdinimui, nes ji pridedama į sufokusuotą dėmelę. Tokiu būdu gaunamas gana vienalytis intensyvumo pasiskirstymas stačiakampėje dėmėje. Šio metodo trūkumas, kad neįmanoma keisti dėmės matmenų, nes jie priklauso nuo segmentų dydžio.

            Kitas metodas tai pluošto skanavimas viena arba dviem kryptimis. Šiuo atveju paprastai naudojamas ilgo židinio nuotolio veidrodis. Skanavimas dviem kryptimis gali būti atliekamas dviem virpančiais ortogonaliomis kryptimis veidrodžiais. Virpesių dažnis 100-400 Hz. Tokiu būdu nedidelė dėmelė greitai juda apdirbamas detalės paviršiumi kartodama Lisažu figūras. Teisingas virpesių dažnio ir amplitudės parinkimas sukuria apdirbamos detalės paviršiuje stačiakampę zoną, kurios ribose juda sufokusuota dėmelė.

            Bendru atveju medžiagos, grūdintos lazeriniu spinduliavimu, mikrostruktūrą galima suskirstyti į 3 zonas: pilnai martensitinė zona, dalinai martensitinė zona ir neužgrūdinta zona. 4.7 pav. parodytas kietumo kitimas priklausomai nuo gylio pliene prie įvairių spinduliuotės intensyvumų. Užgrūdinta zona turi ryškią liniją (4.8 pav.). Taip pat reikia pažymėti, kad užgrūdintos zonos gylis mažėja prie lazerinio pluošto kraštų dėl šilumos nutekėjimo į šonus. Didelius paviršius paprastai grūdina kelis kartus praeidami paviršių tokiu būdu, kad lazerinio pluošto keliai dalinai persidengtų. Tačiau jau užgrūdintos zonos pakartotinas įkaitinimas sukelia grūdinimo atleidimą. Todėl persidengimo srityje gali susidaryti sritys su mažesniu kietumu (4.9 pav.). Jei tai nepageidautina naudojami metodai leidžiantieji apšvitinti visą plotą vieno praėjimo metu. Tam gali būti panaudotas cilindrinės detalės sukimas apie ašį ir cilindro poslinkis sukimo ašies kryptimi.

            Lazerinis grūdinimas plačiai naudojamas automobilių pramonėje alkūninių velenų grūdinimui, cilindrų grūdinimui, presformų grūdinimui ir kitur.

            4.1.2. Puslaidininkių atkaitinimas. Kaitinimas lazeriniu spinduliavimu iki temperatūrų žemesnių už lydimosi temperatūrą taip pat naudojamas puslaidininkių pramonėje kristalinių struktūrų atkaitinimui po joninės implantacijos. Joninės implantacijos defektų atkaitinimas paprastai vykdomas pečiuose, laikant ~1 val. detales prie aukštos temperatūros. Tai atitinkamai sukelia legiruojančių priemaišų difuziją, kas riboja puslaidininkinių prietaisų matmenis ir maksimalius datnius. Paskutiniu metu naudojami mikroschemų elementai, kurių dydis , todėl jų atkaitinimas pečiuose neįmanomas. Lazerinis atkaitinimas leidžia apeiti daugumą apribojimų būdingų pečiams, atkaitindamas tik pažeistą sluoksnį trumpą laiką (~1 ms), reikalingą persikristalizavimui. Tuo pat metu užtikrinamas didelis nešėjų judrumas, didelis legiruojančių priemaišų tirpumas bei kristalinės struktūros tobulumas. Atkaitinimui prie  labiausia tinka argono lazeriai. Reikalingas energijos tankis atkaitinimui yra ~200 J/cm2. 100 mm diametro plokštelė naudojant 40 W argono lazerį atkaitinama per ~7 min.



4.2. Lazerinis apdirbimas prie temperatūrų aukštesnių už lydimosi temperatūrą

            4.2.1. Lydimas, legiravimas. Plono sluoksnio lydimas lazeriniu spinduliavimu ir greitas jo sustingimas duoda idealią galimybę valdyti kristalų augimą ir metalurgines savybes dėl didelių temperatūros gradientų ir didelio augimo greičio . Kristalų augimas metalo lydinyje vyksta labai greitai (~1 m/s) todėl procesas pagrindinai priklauso nuo šilumos nutekėjimo iš lydinio-metalo ribos. Išlydyto sluoksnio storio priklausomybė nuo lazerinio spinduliavimo intensyvumo ir trukmės pateikti 4-9 pav. Lazerinis perlydymas leidžia gauti naują, ypatingai tvirtą, mažai dilantį paviršių. Dėl didelio paviršiaus įtempimo veikiančio išlydytą metalą, gaunamas labai lygios dangos. Papildoma medžiaga, užnešta ant metalo paviršiaus, lazerinio lydimo metu gali legiruoti paviršinį sluoksnį ir suteikti pagrindinei medžiagai naujas savybes pav. korozijinį atsparumą.

            4.2.2. Lazerinis mikrolitavimas. Mikroschemų ir mikroschemų korpusų vietinis lazerinis mikrolitavimas leidžia automatizuoti šį procesą. Taškinis ir gerai kontroliuojamas įkitinimas apsaugo nuo jautrių elementų pažeidimo ir lydmetalio perkaitinimo. Lituoti kontaktai neveikiami mechaninių įtempimų ir turi vienodus elektrinius parametrus. Lazerinis spinduliavimas įkaitina lydmetalį iki temperatūros aukštesnės už lydimosi temperatūrą, tuo sudarydamas gerą kontaktą šlapinimą ir pašalindamas fliusą nuo jų. CO2 lazeris yra optimalus šiam procesui. Litavimas aliekamas mažiau nei per 0,3s. Spindulys paprastai valdomas iš komjuterio.

            Ploni laidininkai taip pat dažnai vietoje suvirinimo yra sulituojami kietu lydmetaliu dėl jo žemesnės lydimosi temperatūros. Kietų lydmetalių lydymosi temperatūrą galima parinkti 500-1000oC diapazone. Įprasti litavimo būdai, reikalaujantys bendro gaminio įšildymo, ne visada gali būti panaudoti dėl artumo su stiklų, gumos hermetizatoriais bei elektroniniais komponentais. Tokios situacijos gana dažnai pasitaiko elektronikoje, instrumentų technikoje, kompjuteriuose ir kitur. Lazerinis litavimas pasižymi dideliu proceso greičiu, trumpu litavimo laiku (-10 ms), taškiniu įkaitinimu, padidintu kietumu ir patvarumu. Lydmetalis naudojamas plonų juostelių ir vielelių pavidalu. Lazerinis mikrolitavimas, kai panaudojamas kompjuteriu valdomas spindulio pozicionavimas, pramonėje yra ekonomiškesnis už kitus metodus.

            4.2.3. Puslaidininkių atkaitinimas. Lazerinis paviršiaus lydimas taip pat naudojamas puslaidininkių defektų atkaitinimui. Persikristalizavimas skystoje fazėje vyksta labai greitai ir turi įtakos kristalinei gardelei; implantuotos priemaišos išlydytame sluoksnyje persiskirsto.  Si sluoksniui išlydyti reikalingas ~15 ns ir 3.107 W/cm2 impulsas. Konkretus intensyvumas labai priklauso nuo spinduliavimo sugerties puslaidininkyje. Naudojami YAG:Nd, rubino, aleksandrito ir argono lazeriai..Polikristalinio siličio sluoksnio lazerinis išlydimas sukelia jo kristalų užaugimą iki 1 m. Dėl to jo varža gali padidėti 104 karto.

           

            4.2.4. Lazerinis suvirinimas. Tai šiuo metu plačiausiai naudojamas lazerinis technologinis procesas. Gera kokybė ir minimalus aplink esančios medžiagos įkaitinimas leidžia plačiai taikyti šį metodą. Naudojamas taškinis, silinis bei uždėtos viena ant kitos detalės sujungimas. Esant nedideliam lazerinės spinduliuotės intensyvumui plonų detalių suvirinimo siūlės gylio ir pločio santykis K yra apie 1. Esant lazeriniam suvirinimui su giliu išlydimu daugumai metalų K=8. Šiuo atveju didėjant lazerinės spinduliuotės galiai, medžiaga pradeda garuoti veikiamoje srityje sudarydama siaurą gilų kanalą. Kanalo matmenys priklauso nuo spinduliavimo intensyvumo, garų slėgio ir apdirbamos medžiagos. Minimalus suvirinimo taško ar siūlės diametras priklauso nuo spinduliuotės bangos ilgio. Plieno suvirinimui reikalingas spinduliavimo intensyvumas ir trukmė priklausomai nuo suvirinimo gylio pateikti 4.10 pav. Suvirinimui naudojami nuolatiniai arba impulsiniai - periodiniai lazeriai, skanuojantieji suvirinimo zonoje arba dėl pluošto atlenkimo arba dėl detalės perstumimo. Priklausomai nuo medžiagos ir siūlės gylio suvirinimas gali būti vykdomas su 0,1-10 cm/s greičiu (4.11 pav.). Didėjant suvirinimo siūlės pločiui (kuris keičiamas sufokusuoto pluošto diametru), suvirinimo greitis mažėja. Lazerinis suvirinimas naudojamas svarbių detalių, naudojamų medicinoje, energetikoje, elektronikoje ir kitur, gamybai kai būtinas tiek iš vieno metalo tiek iš įvairių metalų pagamintų detalių suvirinimas, folgų ir laidų suvirinimui, miltelių sukepinimui, stiklo ir plastmasių suvirinimui.

4.3. Lazerinis apdirbimas prie temperatūros aukštesnės už garavimo temperatūrą

            Spinduliuotės intensyvumo didinimas sukelia metalo garavimą ir lydinio išnešimą iš apdirbimo zonos. Šis reiškinys gali būti panaudotas, bet kuriame procese kur reikia pašalinti medžiagą pav. grežime, pjovime, skraibavime, derinime, dinaminiame balansavime. Lazeriniai įrenginiai pasirodė nepakenčiami apdirbant kietas ir trapias medžiagas, tiek metalus, tiek nemetalus. Detalių apdirbtų lazeriu kokybė priklauso nuo terminio poveikio zonos matmenų bei išmetamų produktų persiskirstymo.

            4.3.1. Gręžimas.  Lazerinis gręžimas plačiai naudojamas serijinėje gamyboje dėl galimybės su dideliu tikslumu ir greičiu daryti ypač mažo diametro skyles. Lazeris lengvai gręžia laikrodžių guolius, kuro purkštuvus, šaldymo angas turbinose, graviruojančių formų gardeles, ekraninius šablonus ir kitką. Be to jie gręžia ypač mažas skylutes bei siauras ir ilgas šaldymo angas su dideliu pasikartojimu. Naudojant keletą lazerio impulsų, skylės gylio ir diametro santykis gali būti K > 10 kai su vienu impulsu išgrežtos skylės gręžiamos skenuojančiu lazeriniu spinduliu (tai vidinio apskritimo išpjovimas). Medžiagos su žema lydimosi temperatūra gali būti gręžiamos moduliuotu lazeriniu spinduliavimu sudarytų iš trumpų impulsų (~0,3 s). Medžiaga pašalinama pasluoksniui. Šio proceso metu praktiškai nepažeidžiama arti esanti medžiaga. Su lazerio spinduliu praktiškai galima gręžti visas medžiagas svarbu tik kad sugerta spinduliutės galia būtų pakankama medžiagos išgarinimui.

           

            4.3.2. Pjovimas, skraibavimas, skaldymas.  Lazerinis spinduliavimas su pasisekimu naudojamas ypač ploniems pjūviams gauti be aplinkinės medžiagos įkaitinimo bei kietų, trapių ir techniškai jautrių metalų ir nemetalų pjaustymui. Plonos folijos ir stori lapai lazeriniu spinduliavimu pjaunami be defektų. Plienui ir variui pjauti reikalingi spinduliuotės parametrai pateikti 4.12 pav. Paprastai pjovimo metu dar naudojami deguonies ar kitų dujų purkštuvai. Jie paprastai yra koaksialiniai arba vienaašiai su fokusavimo sistema. Purškiamos dujos pirmiausia apsaugo lęšius nuo išmestų iš apdirbamos detalės medžiagų, o antra priklausomai nuo poreikio arba apsaugo medžiagą nuo oksidavimo arba inicijuoja cheminę reakciją. Apsaugai nuo oksidacijos naudojamas argonas arba azotas. Tai būtina, kad neužsidegtų tokios medžiagos kaip kartonas, tekstilė, medis, plastmasės. Tačiau pjaustant daugumą metalų būtina panaudoti oksidacijos energiją, kuri išsiskiria pučiant į apdirbimo zoną deguonį. Šiuo atveju pjovimo kokybė daugiau priklauso nuo deguonies srauto negu nuo lazerio spinduliuotės parametrų. Pjovimo greitis šiuo atveju gali padidėti 2-3 kartus plienui ir 10 kartų titanui.

            Impulsinis-periodinis arba moduliuotas lazerio spinduliavimas naudojamas keraminių plokštelių hibridinėms schemoms bei stiklo ir puslaidininkinių plokštelių skraibavimui ir pjaustymui. Aukšta lazerinio pjovimo kokybė ir galimybė programiškai valdyti lazerinius įrenginius suteikia jiems pirmenybę palyginus su kitomis pjovimo staklėmis. Lazerinis pjovimas naudojamas sudėtingo kontūro šablonų pjovimui iš plonų folijų, popieriaus, plastmasių, tekstilės, medžio. Be to lazeriniu spinduliavimu pjaustomos kietos ir kompozicinės medžiagos.

            Mažų medžiagos kiekių pašalinimo galimybė naudojant trumpus impulsus, naudojama judančių detalių balansavimui, plonų plėvelinių rezistorių bei kvarcinių rezonatorių derinimui bei radijo detalių markiravimui.

5. Lazerinis spausdinimo įrenginys

 

            Paskutiniu metu labai plačiai naudojami kompjuteriai. Prie jų reikalingi išoriniai spausdinimo įrenginiai su didesniu spausdinimo greičiu ir didele šriftų įvairove. Šių reikalavimų paprasti klavišiniai spausdinimo įrenginiai jau nebetenkino, todėl buvo sukurti naujos kartos spausdinimo įrenginiai panaudojantieji elektrofotografinį metodą vietoje smūginio kontaktinio. Jie buvo pavadinti lazeriniais spausdinimo įrenginiais, kadangi šviesos šaltiniu juose yra lazeris.

            Lazeriniai spausdinimo įrenginiai turi 3 svarbius privalumus:

1. Spausdinimo greitis 5-10 kartų didesnis negu įprastų spausdinimo įrenginių ir sudaro 10000 linijų per minutę esant 2,5 lin/cm tankiui arba apie 4 milijonus simbolių per minutę.

2. Standartinėje programoje turi bent 10 skirtingų šriftų. Tačiau sudėtingesni spausdinimo įrenginiai turi šimtus šriftų ir jų skaičius priklauso tik nuo spausdinimo įrenginio atminties apimties.

3. Padidėja spausdintų ženklų kokybė, todėl galima naudoti sumžintų nuo 2,5x4,2 mm iki 2,1x3,2 ir net iki 1,7x2,1 mm matmenų šriftą . Dėl to iki 66 % sutaupoma popieriaus.

            Spausdinimo būdas

            Lazerinis spausdinimo įrenginys sukurtas elektrofotografijos principo pagrindu. Jo principinė schema pateikta 5.1 pav. Centre pavaizduotas fotolaidus būgnas. Jis sukasi pastoviu kampiniu geričiu. Jo paviršius padengtas specialiu fotolaidžiu sluoksniu, kuris tamsoje turi didelę varžą. Šviesoje varža krinta. Būgno paviršius įelektrinamas ir po to įelektrintas paviršius prasūkamas per eksponavimo įrenginį. Tuo momentu informacijos pernešimui yra atvira tik dalis būgno. Eksponavimas vykdomas lazerio spinduliu praėjusiu per simbolių generatorių, kuris gauna informacija iš kompjuterio. (Kai kuriuose lazeriniuose spausdinimo įrenginiuose yra ir antras eksponavimo kanalas, kuris perduoda dažnai naudojamą informaciją (firmų ženklus, lenteles ir kt.) nuo kopijavimo aparato. Juose vienu metu galimas eksponavimas abiem būdais). Eksponuota būgno dalis išlaiko krūvą tuo metu kai kitas paviršius išsielektrina. Ryškinančiame įrenginyje yra elektrostatiškai įelektrintas dažas, kuris specialiu įtaisu paduodamas ant būgno paviršiaus. Dažas nusėda ant eksponuotų būgno dalių. Tuo metu transportuojantis įrenginys paima popierių ir nuneša į pernešimo įrenginį. Transportavimo metu popierius įgauna elektrinį krūvį, kuris yra priešingas dažo krūviui. Dėl to dažas yra pernešamas ant popieriaus. Dažo perteklius pašalinamas valančiu įrenginiu. Fotolaidus būgnas išelektrinamas išlydžio įrenginyje. Po to procesas kartojasi iš naujo.

            Informacija, kurią reikėjo atspausdinti dabar yra pernešta ant popieriaus, išeinančio iš pernešimo įrenginio. Tačiau dažas dar netvirtai sukibęs su popieriumi. Todėl popierius pereina per įrenginį, kur dažas lydosi ir ritinėliu yra įspaudžiamas į popierių. Tuo spausdinimas baigiasi ir popierius automatiškai sudedamas.

            Simbolių formavimas

            Spausdinami simboliai sudaryti iš taškų ir telpa stačiakampėje 2,5x4,2 mm matricoje, sudarytoje iš mikroeilučių ir mikrostulpelių (5.2 pav.). Kuo daugiau mikrostulpelių ir mikroeilučių tuo aukštesnė spausdinimo kokybė. Standartinis simbolių laukas paprastai sudarytas iš 18 mikrostulpelių ir 24 mikroeilučių, o didelės skyros simbolių laukas yra 24x40. Iš principo galima atspausdinti bet kurį simbolį kuris gali būti išdėstytas į taškus matricos ribose.

            Lazerinis simbolių formuotuvas

            Iš kompjuterio informacija per spausdinimo įrenginio interfeisą patenka į simbolių formuotuvą. Formuotuvas skirtas elektrinį signalą, gautą iš elektroninių blokų, keitimui į optinį vaizdą. Jo funkcinė schema pateikta 5.3 pav. Lazerio spindulys atspindimas nejudančiu veidrodžiu į optinį modulį. Spindulys praeina per lęšių sistemą į akustooptinį atlenkimo įrenginį, kurį praėjęs per kitą objektyvą patenka ant daugiabriaunio veidrodžio. Daugiabriaunis veidrodis atspindį spindulį horizontalioje plokštumoje ant papildomų nejudančių veidrodžių, kurie nukreipia jį ant fotolaidaus būgno. Spindulys atsispindėjas nuo daugiabriaunio veidrodžio, slenka besisukančio būgno paviršiumi ~340 m/s greičiu. Norint atspausdinti per sekundę 2 puslapius, kurių matmenys 27,9 x 21,6 cm, esant skiriamajai gebai 11,8 elementų /mm reikalingas duomenų perdavimo greitis ~1,7x107 elem/s.

            Vienetinio elemento ekspozicijai (E) reikia nuo 5 iki 20 erg/cm2. Todėl norint eksponuoti 27,9 cm x 21,6 cm lapą per 1s reikia, kad nuolatinio lazerio spinduliuotės galia būtų >3,4 mW. Norint padidinti spausdinimo greitį reikia didinti ir lazerių galią. Lazeriniuose spausdinimo įrenginiuose naudojamų lazerių galia siekia 5-50 mmW. Tokią galią nuolatinėje veikoje duoda ir yra pakankamai kompaktiški dviejų tipų lazeriai: dujiniai (He-Ne, He-Cd) ir puslaidininkiniai lazeriai (GaAlAs). Tačiau dujinių lazerių atveju simbolių formuotuvo schema turi turėti moduliatorių, kuris keičia praeinančios spinduliuotės galią, nes tik keisdami galią įvairiuose matricos taškuose galime užrašyti vaizdą. Puslaidininkinių lazerių galią su dideliu greičiu (100 Mb/s) galima komutuoti keičiant kaupinimo srovę. Todėl nereikia moduliatoriaus. Tačiau puslaidininkinių lazerių bangos  ilgis yra 750-900 nm srityje ir tai didina reikalavimus lazerių galiai, nes fotojautraus sluoksnio jautrumas einant į IR sritį mažėja. Todėl pradžioje pagrindinai buvo naudojami He-Ne ir He-Cd lazeriai. Dabartiniu metu sukūrus patikimesnius ir galingesnius puslaidininkinius lazerius bei išmokus kolimuoti jų spinduliuotę jie panaudojami plačiau negu dujiniai lazeriai. Be to keičiant puslaidininkių struktūrą jau sukurti matomo diapazono puslaidininkiniai lazeriai. Tam taip pat padėjo ir naujų jautresnių IR spinduliavimui fotojautrių sluoksnių sukūrimas.

            Jei spinduliuotės negalima tiesiogiai moduliuoti lazeryje tai lazeriniame spausdinimo įrenginyje naudojamas atskiras moduliatorius. Pagrindinai naudojamas akusto-optinis moduliatorius. Jo atlenkimo kampas priklauso nuo akustinės bangos ilgio :

                                                                                                        (5-1)

 Difragavusio spindulio intensyvumas I1 lygus:

                                                     (5-2)

čia M - kristalo akustooptinės kokybės koeficientas;  - šviesos bangos ilgis vakume; Pa - akustinio signalo galia; l - akustooptinės sąveikos ilgis, H -akustooptinio moduliatoriaus plotis.

Iš 5.4 pav. matosi, kad difragavusio spindulio intensyvumas kinta priklausomai nuo akustinės bangos galios. Ir būtent akustiniam keitikliui paduodamo signalo keitimas leidžia moduliuoti atlenkto ir praėjusio spindulio intensyvumą. Praėjęs spindulys negali būti pilnai uždarytas, todėl kaip rašantis spindulys naudojamas tik difragavęs spindulys, nes tik jo intensyvumas gali būti keičiamas nuo ~0,3 Io  iki 0. Norint pasiekti didelį difragavusios bangos efektyvumą reikia, kad šviesos banga kristų Brego kampu tenkinančiu (5-1) sąlygą. Keičiant akustinės bangos dažnį keičiame akustinės bangos ilgį ir dėl to kinta atlenkimo kampas.

            Kai kuriuose lazeriniuose spausdinimo įrenginiuose gali būti vienu metu sužadinama 6 akustiniai dažniai ir lazerio spindulys difraguoja į 6 spindulius, sklindančius truputį besiskiriančiomis kryptimis. Praėję fokusavimo sistemą spinduliai fokusuojami ant fotolaidaus būgno iš karto užrašo 6 eilutes. Tuo pačiu daugiabriaunio veidrodžio sukimo greitis gali būti sumažintas 6 kartus.

            Dėl to kad atstumas iki būgno paviršiaus įvairiose vietose skiriasi, jo kompensavimui naudoja koreguojančius cilindrinius lęšius. Be to skanavimo greitis išilgai būgno nevienodas, nes atstumas iki būgno nevienodas. Tai atliekama su laikinės užuolaidėlės pagalba arba su tuo pačiu koreguojančiu lęšiu. Jei vaizdas rašomas vienu spinduliu tai daugiabriaunis veidrodis sukasi 20-30 tūkst. aps/min greičiu. Erdvinė skyra lazeriniuose spausdinimo įrenginys yra 11,8 ir net 23,6  elem/mm.

6. Optinė lokacija

            Maža lazerių spinduliuotės skėstis ir monochromatiškumas leidžia sukurti tokį pat spektrinį ir erdvinį energijos tankį kaip ir SAD radijolokatoriuose. Lazerinės sistemos turi tam tikrus privalumus palyginimus su radijolokatoriais: didesnį doplerinio poslinkio matavimo tikslumą, geresnę kampinę skyrą, didesnį kordinačių nustatymo tikslumą. Tai susiję su tuo, kad skėstis  šviesos bangoms yra daug mažesnė negu radijo bangoms. Impulsinio toliamačio funkcinė schema analogiška radijolokatoriui. Atstumas D tokiuose toliamačiuose nustatomas iš užlaikymo tarp atraminio ir atspindėto nuo objekto impulso:

                                                                                                                 (6.1)

čia c - šviesos greitis,  - užlaikymo laikas. Užlaikymo laikas matuojamas specialiais įrenginiais, kuriuose panaudojami chronuojantis (sekantis vienas po kito vienodu laikiniu intervalu) impulsai. Atstumo nustatymo tikslumas šiuo atveju yra:

                                                                                                            (6.2)

čia  - užlaikymo nustatymo paklaida.

Optinis siustuvas-imtuvas

 

            Maža lazerinės spinduliuotės skėstis leidžia matuojant mažus atstumus apseiti be papildomų perduodančios sistemos elementų. Matuojant didelius atstumus lazerinio toliamačio siustuvas turi turėti kolimuojančią optiką. Priimanti optinė sistema naudojama atspindėtos nuo objekto šviesos surinkimui ir fokusavimui į fotoimtuvą. Paprasčiausia ir patikimiausia nuo foninio užšvietimo yra schema su atskirtais perdavimo ir priėmimo kanalais. Toliamačių optinės schemos yra teleskopinės, išplėsdamos lazerinį pluoštą jos sumažina jo skėstį 10-20 kartų. Fotoimtuvais toliamačiuose yra fotodaugintuvai ir fotodiodai. Impulsiniuose toliamačiuose dažniausia vartojami  ir rubino lazeriai . Jų parametrai pateikti 6.1 lentelėje.

                                                                                                6.1 lentelė

____________________________________________________________________________

                        P, W                          Q, '      Opr, cm            ,ns    Nf                    k(),km-1

____________________________________________________________________________

Rubinas           (1-2,5)107                    20        5-30                 5-50     5-15                 0,2-0,55

YAG:Nd         (1-5)107                       20        10-40               10-50   5-15                 0,2-0,35

____________________________________________________________________________

Čia P - siustuvo galingumas; Q - pluošto skėstis; Opr - priimančio objektyvo diametras;  - impulso trukmė; Nf - vidutinis fotoelektronų skaičius per stebėjimų intervalą; k() - energijos susilpninimo koeficientas praeinant vienetinį ilgį. Tolis kuriame veikia toliamatis priklauso nuo signalo sugėrimo atmosferoje. Dėl atbulinio išbarstymo signalas taip pat silpnėja, nes registruojamas triukšmas mažina naudingą signalą. Atbulinis išbarstymas fotoimtuve sukurs triukšmus, kurių galia lygi:

                                                                            (6.3)

čia Ps - siustuvo galingumas; f() - funkcija įskaitanti išbarstytas šviesos nevienalytį pasiskirstymą, do - objektyvo diametras,  siustuvo ir priimtuvo kanalų pralaidumas,  - impulso trukmė, D - atstumas iki išbarstančio atmosferos sluoksnio.

            Silpninimas atmosferoje. Iki 3 km virš jūros lygio aukščiui aerozolinis išbarstymas yra didesnis lyginant su molekuliniu sugėrimu. Jis gali būti išreikštas:

                                                                  (6.4)

čia Sj - aukštis virš jūros lygio. k() rubino ir YAG:Nd spinduliuotei yra ~0,2-0,65 db/km.

            Geometrinis silpninimas. Jis atsiranda kadangi priimamo ir spinduliuojamo galingumo santykis yra

                                                                            (6.5)

čia S - atspindėtojo paviršiaus plotas,  - siustuvo skėstis,  - išbarstyto spinduliavimo skėstis. Pav. prie do=20 cm, esant  ir atstumui D=15 km dėl geometrinio silpninimo atgal priimama tik 0,54 % išspinduliuoto galingumo.

            Lazerių toliamačių maksimalus matuojamas atstumas, skaitant, kad objekto matmenys maži palyginus su atstumu iki objekto ir objektas perspinduliuoja energiją kaip taškinis šaltinis, yra:

                                                                  (6.6)

čia  - objekto atspindžio koeficientas, kr - atspindėto signalo erdvinio pasiskirstymo koeficientas. Įskaitant fotoimtuvų ribinį jautrį, optimalį signalo ir triukšmo santykį, natūralaus fono spinduliavimo ryškį  yra sudarytos monogramos, iš kurių galima nustatyti D (6.3 pav.).

            Naudojant moduliuotos kokybės impulsus su energija 10-300 mJ ir trukme 10-40 ns galima išmatuoti atstumus iki mažų matmenų taikinių, esančių už 3-10 km su kelių metrų tikslumu. 6.2 lentelėje pateikti toliamačio AN/GVS-5 (JAV) parametrai.

                                                                                                                        6.2 lentelė

Tolis, km                                                                     0,2-10

Matavimų dažnis, mat./min.                                        6

Impulsinė galia, MW                                                   1,5

Impulso energija, mJ                                                   4

Skėstis, mrad                                                               300

Masė, kg                                                                      2,27

            Pagrindinė lazerinių toliamačių pritaikymo sritis karinė technika: artilerijoje, aviacijoje, sausumos kariuomenėje, laivuose. Žinant tikslų atstumą iki taikinio galima šaudyti daug tiksliau. Pav. lėktuvinis toliamatis leidžia numesti bombas į tikslą su nukrypimu nedaugiau 15 m tai yra su 10 kart didesniu tikslumu negu optiniai bombų taikikliai. Dabartiniu metu visi naujų modifikacijų tankai turi lazerinius toliamačius. Juos tai taip pat turi dauguma artilerijos pabūklų. Dažniausia toliamatyje kartu yra ir žiūrėjimo vamzdis, per kurį išrenkamas taikinys.

            Pusiauaktyvi bombų ir raketų nusitaikymo sistema su lazeriniu pašvietimu. Pradėtos kurti atsiradus YAG:Nd lazeriams veikiantiems prie didelių pasikartojimo dažnių (>10Hz). Veikimo principas pagrįstas tuo, kad pradtioje operatorius sutapatindamas vizirio tinklelio susikirtimų su taikiniu, apspinduliuoja ją lazerio impulsais, o bomba arba raketa nukreipiama į šį taikinį pagal atspindėta nuo jo signalą, panašiai kaip IR spinduliavimui jautri raketa nusitaiko į taikinį pagal jo šiluminį spinduliavimą. Pašvietimo sistema susideda iš lazerio ir vizirinio vamzdelio, būtino tiksliam lazerio pluošto sutapatinimui su taikiniu. Kartais vietoje vizirinio vamzdelio naudojama televizinė sistema, kurios dėka lazerio pluoštas sutapatinamas su taikiniu. Tokių sistemų atsiradimas leido efektyviai naikinti mažų gabaritų antžeminius taikinius. Kadangi lazeriniuose toliamačiuose naudojamas tas pats lazeris kaip ir aktyvaus pašvietimo sistemose vėliau pradėti gaminti prietaisai atliekantys abi funkcijas. Prietaisų resursas 106 impulsų, veikimo spindulys 10 km. Lazerinio pašvietimo sistema panaudota su bombų mėtymo sistema iš 1000 atveju 70 % leido pataikyti tiksliai į taikinį (bombų svoris 0,9 ir 1,35 tonos). Bombos ar raketos šiuo atveju turi turėti nusitaikymo galvutę, kuri priima atspindėtą nuo taikinio signalą ir orentuojasi taip kad jis būtų didžiausias.

            Dirbtinių žemės palydovų sekimas. Tam naudojami papildomi retro reflektoriai pritvirtinti prie palydovų. Tada krentantis pluoštas atspindimas ta pačia kryptimi kaip ir kritęs. Sekimo stotys sukurtos JAV, Prancūzijoje, Japonijoje, Rusijoje, Ukrainoje. Tikslumu šis matavimas geresnis negu radijolokatorius. Veikimo spindulys yra 300-1500 km, o matavimo tikslumas siekia 2-3 m. Naudojami šiose sistemose lazeriai su didesne impulso energija (impulsinė galia 5-30 mW). Kartu naudojama ir atstumui iki mėnulio nustatyti. Matavimų tikslumas +40cm.

            Artilerijos ir šaunamųjų ginklų šaudymo imitatoriai. Šiuo atveju lazeris pritvirtinamas ir išstatomas, kad būtų lygiagretus pabūklo ar šautuvo ašiai. Ir vietoje šūvio šiuo atveju suveikia lazeris išspinduliuodamas impulsą, kuris registruojamas fotojautriame stende. Imitatoriai naudojami mokymo tikslams. Tai leidžia greičiau išmokti nutaikyti ir be to sutaupo šaudmenis.

7. Optinis informacijos užrašymas. Video diskai ir kompaktiniai diskai

            Viena iš aktualių šiandienos problemų tai didelių informacijos kiekių saugojimas su galimybe greitai ją nuskaityti. Be to būtina galimybė kreiptis į atitinkamą informacijos segmentą. Šiuos reikalavimus patenkina optinis informacijos užrašymas ir saugojimas ant video diskų, kai informacija užrašoma aštriai fokusuotu lazerio spinduliu.

            Video diskų privalumai:

1. Ypač didelis informacijos tankis (1010-1011 bitų/diske).

2. Dideli informacijos perdavimo greičiai (> 50 Mbitų/s).

3. Greitas tiesioginis kreipimasis.

4. Žema kaina.

5. Galimas archyvinis duomenų saugojimas t.y. talpumas pakankamas 10 metų informacijai laikyti.

            7.1 pav. pateikta struktūrinė optinės žrašymo ir nuskaitymo sistemos schema. Užrašymui lazerio spindulys praleidžiamas per moduliatorių (elektrooptinį arba akustooptinį), kuriame spindulio intensyvumas keičiamas priklausomai nuo įeinančio elektrinio signalo. Moduliuotas lazerio spindulys šplečiamas taip, kad jis pilnai užpildytų fokusuojančio lęšio apertūrą. Šis lęšys fokusuoja lazerio pluoštą į labai mažą (mažesnę už ) dėmelę registruojančios terpės paviršiuje. Kadangi spindulio intensyvumas yra moduliuotas tai informacija bus užrašoma takelyje dėmelių seka.

            Nuskaitymui naudojamas nemoduliuotas to pat lazerio spindulys tik mažesnio intensyvumo, kad nepažeistų anksčiau padaryto užrašo. Jis slenka tuo pačiu takeliu, kuriuo slinko užrašantis spundulys. Šviesa, atsispindėjusi nuo užrašytų dėmelių, surenkama lęšiu ir prąėjusi antrą kartą  plokštelę ir atsispindėjusi nuo poliarizacinio šviesos daliklio nukreipiama į fotoimtuvą, kuris paverčia ją į elektrinį signalą t.y. pradinį užrašo signalą, kuris buvo panaudotas spindulio moduliacijai. Lazerio dėmelės padėtis disko paviršiuje keičiama radialinio postūmio karetėlė ir sekančiu veidrodžiu. Radialinio postūmio karetėlė, valdoma elektromotoro, gali judėti taip kad bus gaunami arba spiraliniai arba koncentriniai apskritiminiai užrašymo takeliai. Nuskaitant karetėlė naudojama grubiam nuskaitomo takelio radimui, o sekantis vaiedrodis užtikrina tikslų šio takelio išrinkimą, jo sekimą ir informacijos nuskaitymą.

            Aprašomos schemos praktinei realizacijai būtina gana tiksli mechanika, kadangi diskas sukasi ir jo paviršiaus mušimai sukelia lazerio pluošto išsifokusavusią, o nuskaitant užrašytas takelis taip pat virpa lęšio ašies atžvilgiu. Todėl reikalinga labai tiksli mechanika kas brangu ir sudėtinga arba reikalingas disko poslinkių sekimas, dviejų servomechnizmų pagalba: vienas iš jų kontroliuoja fokuso padėtį, o antras užrašymo takelio padėtį. Be to reikalingas dar vienas servomotoras norint palaikyti pastovų disko sukimosi greitį (S), kad užtikrinti pastovų duomenų perdavimo greitį (R) lygų:

            R = (bitų skaičius/1 disko apsisukimas) . S                                         (7-1)

            Fokuso sekimo sistema turi reaguoti į fokuso padėties klaidas, kurios sulyginamos su sąsmaukos kakleliu (paprastai + 0,5 ) ir slankioti lęšį su tikslumu užtenkamu šių netikslumų korekcijai.

            Atstumą tarp disko ir lęšio su pakankamu mechaniniu tikslumu galima išlaikyti pakabinus lęšį ant oro pagalvės virš optinio disko arba optinį diską ant oro pagalvės virš lęšio. Tačiau to dar neužtenka, todėl būtinas disko mušimų sekimas su anksčiau minėtais servovarikliais. Besisukant diskui 30 aps/s datniu disko mušimo dažnis bus nuo 30 Hz iki ~100 Hz. Efektyvų padėties keitimą tokiu dažniu galima vykdyti su mechanizmu naudojamu elektrodinaminiuose garsiakalbiuose. Tam ant lęšio apsukama ritė ir visas blokas patalpinamas pastovaus magneto viduje. Rite tekanti srovė keičia padėtį taip kaip jis priverčia judėti difuzorių garsiakalbyje. Objektyvo lęšio židinio nuotolis paprastai yra 3-5 mm.

            Židinio padėties bei takelio padėties korekcijos signalai yra gaunami naudojant optinius daviklius. Optiniuose davikliuose paprastai stebimas sufokusuotas dėmelės ar jos formos kitimas židinio plokštumos aplinkoje. Praktinėse schemose tam naudojamas astigmatinis lęšys fokusuojantis atspindėtą nuo optinio disko šviesą ant kvadrupolinio detektoriaus. Kai objektyvas yra tiksliai sufokusuotas ant disko, atspindėta šviesa yra tiksliai sufokusuota ant kvadrupolinio detektoriaus, todėl turi apvalią formą ir paklaidos signalas (A+C)-(B+D)=0 (7-3 pav.). Esant atstumui nuo lęšio iki disko didesniam ar mažesniam už židinio nuotolį paklaidos signalas bus didesnis ar mažesnis už nulį. Tai leidžia žinoti į kurią pusę turi būti slenkamas lęšys.

            Takelio padėties turi būti kontroliuojama su dar didesniu tikslumu net iki 0,1 . Takelio padėties kontrolei galima panaudoti pvz. 2 spindulius, kurie juda takelio kraštu (7.4 pav.). Įvykus poslinkiui nuo takelio centro, atsispindėjusių pluoštelių intensyvumui išsiderins ir tai rodis, kad takelis pasislinko į kurią tai pusę. Šio poslinkio kompensacijai naudojamas sekantis veidrodis (~3 mm diametro), patalpintas ant galvanometro pakabinimo, ir galintis keisti pluošto kryptį 1-3o kampu su 30 Hz dažniu, o mažesniu kampu su dar didesniu dažniu.

            Informacijos užrašymui svarbiausi sistemos parametrai yra atsimenančios terpės talpa ir užrašymo greitis. Atsimenančios terpės talpa priklauso nuo duomenų bitų skaičiaus viename takelyje ir takelių skaičiaus diske. Informacijos užrašymo tankis išilgai takelio priklauso nuo užrašytos srities minimalaus dydžio ir moduliacijos kodavimo būdo. Pilnas takelių skaičius priklauso nuo disko diametro ir atstumo tarp takelių, kuris turi būti pakankamas kryžminių triukšmų sumažinimui iki maksimalaus leidžiamo lygio. Imant, kad informacijos kodavimo būdas reikalauja 1 bito užrašytai dėmei, o kryžminiai triukšmai reikalauja, kad takelių tankis būtų 1/3 užrašymo tankio išilgai takelio, pilnas bitų skaičius kuris gali būti užrašytas ant optinio disko bus lygus:

                        ,                                                        (7-2)

čia d0- užrašytos dėmės diametras,     ir  -atitinkamai didžiausias ir mažiausias užrašyto takelio diametras.

Imant   gauname, kad

                        ,                                                               (7-3)

čia  - matuojamas mikronais.

            Duomenų užrašymo greitis R lygus:

                                                                                             (7-4)

čia S - disko sukimosi greitis. Čiuo metu S, ribojamas disko medžiagos patvarumo ir servomechanizmų reakcijos greičio yra 30 aps/s.

            Imant  gauname

                        R = (14,4/106)/(do) bitų/s,                                                        (7-5)

čia  - matuojamas mikronais.

            Taigi  ir R priklauso nuo užrašymo dėmės dydžio, kuris priklauso nuo lazerio pluošto dėmės. , kuri priklauso nuo  ir objektyvo skaitinės apertūros NA:

                                                                                          (7-6)

čia  - dėmės diametras 0,5 intensyvumo lygyje fokusuojant Gauso pluoštą apribotą  lygyje.

            Todėl gauname:

                         bitų                                                     (7-7)

                         bitų/s                                                    (7-7)

            7.1 lentelėje patektos  ir R reikšmės kelioms optinių diskų užrašymo sistemoms.

                                                                                                                        7.1 lentelė

____________________________________________________________________________

                                 NA                              Co, bitai                       R, M bitai/s

____________________________________________________________________________

            0,442                           0,6                               7.1010                                       35

            0,82                             0,6                               1,4.1011                                    50

            0,82                             0,6                               2.1010                                       19

            0,82                             0,85                             4.1010                                       27

____________________________________________________________________________

            Optinių diskų užrašymo sistemose naudojami lazeriai su bangos ilgiu nuo 0,442 m iki 0,82 m, bei fokusuojantys objektyvai su NA nuo 0,6 iki 0,85. Optinių diskų užrašymo sistemos naudojami He - Cd, Ar+, He - Ne ir GaAlAs lazeriai. Jų parametrai pateikti 7.2 lentelėje (nuolatinė veika, vienamodis rėžimas).

                                                                                                                        7.2 lentelė

____________________________________________________________________________

            Lazerio tipas                ,, m                      d1/2p, m                                Pis, W

                                                                                    (NA = 0,85)

____________________________________________________________________________

            He-Cd                         0,442                           0,29                                         0,04

            Ar+                              0,488                           0,32                                         1-4

            He-Ne                         0,633                           0,42                                         0,05

            GaAlAs                       0,82                             0,54                                         0,04

____________________________________________________________________________

            Paskutiniu metu populiariausias lazeris tokiose sistemose yra puslaidininkinis lazeris (lazerinis diodas), nereikalaujantis papildomo moduliatoriaus, energetiškai labai efektyvus, turintis didelį darbo resursą bei leidžiantis sufokusuoti spindulį į dėmelę, kurios matmenys apriboti tik difrakcija.

            Užrašanti terpė. Tai pagrindinis optinės informacinės paieškinės sistemos elementas. Terpė tinkanti optinės informacijos užrašymui turi tenkinti šiuos reikalavimus:

1. Turėti didelį jautrumą, nes lazerių spinduliuotės galia, kuri naudojama užrašymui ir patenka ant terpės neviršija kelių .

2. Didelė skyra. Kadangi užrašantis spindulys yra ~1m diametro terpė turi turėti skyrą bent 2000 linijų/mm.

3. Didelis signalo triukšmo santykis.

4. Užrašymas realiame laike ir momentinis atgaminimas.

5. Didelis atsparumas užrašančio paviršiaus defektams.

6. Galimybė labai ilgai saugoti informaciją (> 30 metų).

            Plačiausiai optiniam informacijos užrašymui naudojamės plonos plėvelės, kurios informacijos užrašymo metu lydosi ir garuoja. Išlydytoje srityje dėl paviršiaus įtempimo vyksta plyšio (įdubos) atsidarymas (7.5 pav). Nuskaitant užrašytą informaciją lazerio spindulys su mažesne galia praeina perįįdubas besisukant diskui ir atspindėtos šviesos moduliacija dėl atspindžio koeficiento kitimo nuo užrašytos ir šviesos disko vietos po detektavimo ir duoda užrasytą elektrinį signalą. Tačiau efektyvesnės yra 3 sluoksnių struktūros. Gaminant šias struktūras pradžioje padėklėlis apgarinamas aliuminiu, o po to užnešamas skaidraus dielektriko sluoksnis, o po to labai plonas užrašančios terpės sluoksnis. Parenkant dielektrinio sluoksnio storį (paprastai jo storis ~4n) bei užrašančios plėvelės sluoksnį galima gauti, kad užrašančiai bangai atspindys yra artimas 0 nuo srities, kurioje nėra užrašytos įdubos. tai yra. šiuo atveju ploname metalo sluoksnyje bus sugerta virš 90% energijos. Trisluoksnė struktūra leidžia 2 kart padidinti užrašančios aplinkos efektyvumą.

            Audėjo kompaktiniai diskai (angliškai žymimi CD) revoliucizavo muzikos industriją. Kartu su išaugusiais reikalavimais muzikos atkžrimui kompaktinių diskų grotuvai (kartu ir ten naudojami puslaidininkiniai lazeriai tapo įprastu namų apyvokos daiktu. 26,8 mln. lazerinių diodų buvo parduota optinės informacijos užrašymo ir atkūrimo sistemoms 1992 metais.




            Šiandien nuskaitomi kompaktiniai diskai (read only memory compact disks - sutrumpintai anglų kalboje žymimi CD-ROM) arba ištrinami kompaktiniai diskai tokie kaip magneto-optiniai (sutrumpintai anglų kalboje MOD) revoliucizacija ir keičia kompjuterių duomenų saugojimą. Vienas 5,25 calio magneto-optinis diskas gali turėti duomenų talpumą lygų 650 Mbitų ir tuo pačiu suteikti personaliniam kompjuteriui duomenų apdorojimo galią artimą didelėms skaičiavimo mašinoms. Ištisas enciklopedijas ir milžiniško duomenų bazės dabar išleidžiamos ant nuskaitomų kompaktinių diskų.

            Optiniam informacijos saugojimui ir nuskaitymui dabar naudojami 3 tipų optiniai diskai:

1. Tik nuskaitomi (tokie kaip audio kompaktiniai diakai ir tik nuskaitantieji atmintį kompaktiniai diskai).

2. Užrašomi vieną kartą nuskaitomi daug kartų (anglų kalboje vadinami 'write once, read many' ir žymimi WORM).

            3. Daugkartinio užrašymo diskai tokie kaip magnetooptiniai diskai.

            Magnetooptiniai diskai komerciškai buvo pradėti pardavinėti 1988 m. Magnetooptinis reiškinys sujungia užrašančioje terpėje magnetinę ir optinę technologijas, kurios abi yra ištrinamos ir kartu stabilios. Magneto-optiniai diskai skiriasi nuo tik nuskaitomų ir vieną kartą užrašomų tuo, kad juose informacija nekoduojama atspindžio kitime sudarant įdubas, skyles ar iškilimus. Duomenys koduojami lokaliai pasirenkant vieną iš dviejų galimų užrašančios terpės magnetinio dipolio kryptį.

            Norint užrašyti duomenis ant magneto-optinio disko sufokusuotas lazerio pluoštas (diametras ~1 m) įkaitina užrašančią terpę iki Kiuri temperatūros. Prie Kiuri taško užrašanti terpė tokia pav. kaip GdTbFe, normalioje temperatūroje esanti feromagnetiku tampa paramagnetiku, kurio magnetinis poliariškumas gali būti užduotas išorinio magnetinio lauko (7.6 pav.).

            Mažas elektromagnetas, esantis ant užrašymo nuskaitymo galvos, sukuria magnetinį lauką reikalingą užrašyti arba ištrinti duomenis ant magnetooptinio disko. Kai magneto šiaurinis polius nukreiptas aukštyn užrašomas 1, o kai nukreiptas žemyn 0. Kai lazeris yra išjungtas tokia informacija negali būti užrašyta arba ištrinta su magnetu. Jei lazeris veikia nuolatinėje veikoje ir magneto šiaurinis polius nukreiptas žemyn, visur užrašomi nuliai ir buvę duomenys yra efektyviai ištrinami.

            Informacijos nuskatymui šiuo atveju panaudojamas Kero efektas t.y. tiesiškai poliarizuoto lazerinio diodo šviesos poliarizacijos plokštumos pasūkimas atsispindint nuo magnetizuotų disko vietų. Poliarizacijos plokštumos pasūkimas vyksta į vieną ar kitą pusę priklausomai nuo magnetinio dipolio krypties. Kadangi pasūkimas siekia tik 0,5o magnetooptinių diskų nuskatymo sistemoje yra keliami didesni reikalavimai fokusavimo ir takelio sekimo kontrolės bei detektavimo sistemoms palyginus su tik nuskatomais diskais arba viena kartą užrašomais ir daug kartų nuskaitomais diskais.

            Tolimesnis optinio užrašymo ir saugojimo vystymosi tendencijos yra tokios pat kaip ir kompjuterių: mažesnis, greitesnis, pigesnis, geresnis ir talpesnis. Jei gerumu ir talpumu optinės užrašymo sistemos pirmauja prieš magnetines informacijos užrašymo sistemas, tai kitomis savybėmis dar atsilieka. Jų gerinimui skiriamos dabartinių tyrėjų ir inžinierių pastangos. Vienas iš kelių jų sėkmingam sprendimui yra integralinės bangolaidinės optikos bei holografinių optinių elementų panaudojimas. Jie leidžia sumažinti gabaritus bei integruoti kelių optinių elementų funkcijas.

8 Holografija

            Holografija tai naujas vaizdo užrašymo metodas, pagrįstas interferencinio vaizdo sukurto atraminės ir daiktinės bangų superpozicijos registravimu šviesai jautrioje medžiagoje. Gauta interferograma vadinama holograma. Joje nėra elementų bent artutinai vaizduojančių daiktą, bet joje yra užrašyta pilna informacija apie objekto išbarstytos bangos amplitudę ir fazę.

            Atraminio spindulio difrakcija hologramoje atstato daiktinę bangą (atsispindėjusią ar praėjusią per daiktą) ir sukuria objekto vaizdą. Skirtumas tarp fotografijos ir holografijos, kad pirmoje registruojama tik informacija apie amplitudę, o antroje apie amplitudę ir fazę. Pasiūlytas 1948 m. D.Gaboro, bet nebuvo įgyvendintas dėl koherentinių šaltinių nebuvimo. Antras gimimas 1962-63 m. kada E. Leitas, J.Upatnieks ir vėliau J.Denisiukas panaudojo hologramų užrašymui ir atstatymui lazerius. Holografija susideda iš dviejų procesų: pirmas tai pilnos informacijos užrašymas ir antras tai jos atstatymas.

            Tegul ant fotojautraus sluoksnio krenta dvi bangos: Ea ir daiktinė Ed:

                                                                                                   (8.1)

                        .

Suminė kompleksinė lauko amplitudė hologramos plokštumoje:

                                                              (8.2)

Interferencinio vaizdo apšvietimas :

    (8.3)

Įskaitant (8.1) (x,y) bus lygus:

                                                                          (8.4)

a - proporcingumo koeficientas.

                                                                                                       (8.5)

                                                                                                      (8.6)

            Atstumas tarp interferencinių juostų (periodas) užrašant paprasčiausią hologramą - difrakcinę gardelę su tolygiai kintančiom tamsiom šviesiom juostom lygus:

                                                                                                         (8.7)

Išryškintoje hologramoje pralaidumo koeficientas lygus:

                                    ,                                                                          (8.8)

kur te - eksponavimo laikas.

            Apšviečiant hologramą atramine banga gauname:

            ,                    (8.9)

čia .

  - yra banga sklindanti atraminės bangos kryptimi. Tai taip vadinama nulinės eilės banga praeinanti hologramą be iškraipymų.

            Antras narys  - tai +1 eilės banga. Ji sukuria registruoto objekto menamą vaizdą toje vietoje, kur jis radosi hologramos užrašymo metu. Stebėtojas jį matys kaip kabantį už hologramos objektą.

            Trečias narys  -1 eilės banga. Tai banga sujungtinė su pradine daiktine banga, apšviečiančia hologramą. Ji sklinda tam tikru kampu palyginus su atramine bet į kitą pusę nuo 0 eilės bangos. Ši banga sukuria tikrą vaizdą, kuris yra pseudokopija t.y. išverstu aukštelninkai objekto konfiguracija.

            Hologramos savybės:

1.      Bet kuris gabalėlis hologramos turi informaciją apie visą daiktą, Todėl galima atstatyti vaizdą iš mažo gabalėlio, nors tada blogėja kokybė ir skyra. Taškinis objektas bus atvaizduotas dėmele, kurios matmenys:

           

           

esant  taškinis objektas gali būti atvaizduotas dėmele su .

2. Galima stebėti hologramas prie kito bangos ilgio. Užrašoma trumpu bangos ilgiu  (pav. UV), o atstato matomoje šviesoje . Tokiu būdu gaunamas didinimas lygus .

3. Holograma duoda tūrinį vaizdą. Tai gaunama, nes registruojama bangos amplitudė ir fazė. Fazė koduojama santykniu juostų dažnių, o amplitudė interferencinio vaizdo kontrastingumu. Ateinančiu nuo skirtingų objekto dalių bangos fazės registracija duoda informaciją apie santykinius atstumus iki skirtingų objekto taškų. Tūriškumą galima stebėti ir fotografuoti iš skirtingų erdvės taškų.

4. Ant vienos hologramos galima fiksuoti kelius to paties daikto vaizdus jam keičiantis, arba kelių skirtingų daiktų vaizdus. Po to vaizdus galima atstatyti.

            Skaidrių objektų holograma užrašoma iš tos pat bangos išbarstytos ir neišbarstytos dalių. Tokia hologramų gavimo schema vadinama ašine schema, o pati holograma Gaboro-Frenelio holograma. Ši schema nepatogi kadangi atstatyto vaizdo matymo kryptis sutampa atramine banga.t.y. atraminė banga sukuria stiprų foną. Todėl daugumoje dabartinių schemų naudojama neašinė schema, kuriai būtini du pluoštai.

            Holografijai naudojami lazeriai turi turėti pakankamą laikiną ir erdvinį koherentiškumą. Maksimalus poslinkis holografavimo metu neturi viršyti

                        .

Kelių eigos skirtumas tarp Ea ir Ed pluotų turi būti mažesnis už koherentinį ilgį :

                        ,

čia  lazerio spinduliuotės spektro plotis.

Reikalingas ir erdvinis koherentiškumas.

                       

čia  - šaltinio matmenys,  - kampas, kuriuo matomas elementarus. Šaltinio elementas iš hologramos plokštumos.

            Fotomedžiagos naudojamos holografijoje turi turėti skyrą 1500-2000 linijų/mm. Storų hologramų užrašymui naudojamos fotomedžiagos su 5000 lin/mm skyra.

            Hologramos skirstomos į plokščias ir tūrines pagal parametro L reikšmes:

                       

čia T - jautraus sluoksnio storis, kuriame užrašoma holograma, a - šviesos bangos ilgis vakume, n - jautraus sluoksnio lūžio rodiklis, d - atstumas tarp interferencinių plokštumų. Jei L >. 10 holograma laikoma tūrine. Kadangi interferencinių plokštumų dažnis priklauso nuo pluoštelių suvedimo kampo Q, tai turėdami jautraus sluoksnio storį galime įvertinti būtiną maksimalų suvedimo kampą, kad holograma būtų tūrinė. Esant T = 15 m, a = 0,63 m, n = 1,52 ir imant L = 10 būtina d reikšmė yra 1,98 m ir suvedimo kampas žalatinoje norint gauti tūrinę hologramą yra 2Q > 12o. Esant šiam pluoštų suvedimo kampui tokia holograma (ar fazinė ar amplitudinė) turės apie 7,5o selektyvumo kampą  krintančio pluošto atžvilgiu, bet beveik neturės spektrinio selektyvumo. Tokios hologramos difrakcinis efektyvumas. viršija 50% visam matomam diapazonui. Didėjant suvedimo kampui Q hologramos kampinis selektyvumas didėja. Pav. prie Q = 30o.  1,6o, todėl vienoje fotoplokštelėje galima užrašyti kelias hologramas. Kad atstatyto vaizdo matymo kryptis keistusi reikia arba fotoplokštelę, ant kurios užrašome, pasukti didesniu kampu nei , arba pakeisti atraminio pluošto kryptį tokiu pat kampu tarp atskirų ekspozicijų. Kartu didinant pluoštų suvedimo kampą Q ir tuo pačiu Brego kampą hologramos spektrinis selektyvumas didėja (prie Q=30o, =30 nm, o prie Q = 80o, = 5,9 nm), todėl įmanoma užrašyti spalvotas hologramas, kurios atstatomos neduoda įvairių spalvų vaizdo užsiklojimo. Padidinus kampą tarp užrašančių pluoštų iki reikšmių kada gaunamos atspindinčios tūrinės hologramos, jos gali būti atstatomos baltoje šviesoje, nes pasižymi dideliu selektyvumu. Tūriniu hologramų difrakcinis efektyvumas gali siekti 80-90 % kai tuo tarpu plokščių amplitudinių ~6 %, o difrakcinių ~33 %.

            Tūrinėse hologramose pluoštas atsispindi nuo daugelio viena po kitos sekančių interferencinių pajuodavimo paviršių. Kad difragavusi banga būtų maksimali reikia, kad atsispindėjusios nuo įvairių sluoksnių bangos būtų sinchronizuotos. Tam būtina, kad atstantis pluoštas kristų į tūrinę hologramą Brego kampu Q lygiu:

                                    č                               

čia a - bangos ilgis ore, n - vidutinis fotojautraus sluoksnio lūžio rodiklis, d - atstumas tarp interferencinių juostų hologramoje, Q - kampas kurį sudaro krentantis ir difragavęs pluoštas su išbarstančiais sluoksniais (interferencinėmis juostomis) fotojautrioje terpėje.

 

 

9. Holografijos taikymai

            Holografijos taikymus moksle ir gamyboje santykinai galima suskirstyti į holografinių vaizdų atstatymą, interferometriją, informacijos saugojimą bei akustinę ir mikrobangę holografiją. Holografiniai metodai leidžia gauti tūrinius vaizdus tiek stacionarių, tiek judančių objektų. Tiriant stacionarius objektus bei reiškinius naudojami nuolatinės veikos lazeriai, tuo tarpu kai judančių objektų bei greitai kintančių procesų tyrimams naudojami impulsiniai lazeriai. Informacija užrašyta holografiniame vaizde yra lengvai apdirbama. Informacijos apdirbimas šiuo atveju gali būti holografinio vaizdo forografavimas įvairiais rakursais, trimačiai matavimai ir t.t.

            9.1. Stacionari holografija

            Stacionarios hologramos, gautos eksponuojant fotojautrią terpę keletą sekundžių nuolatinės veikos lazeriu, gal;i būti panaudotos precizinių įrenginių pramoninėje gamyboje siekiant padidinti tikslumą. Meno dirbinių hologramos gaunamos naudojant schemą pateiktą 9.1 pav. (neskaidriems objektams) arba schemą 9.2 pav. (faziniams objektams). Šių hologramų atstatyti vaizdai naudojami kaip etaloniniai. Dirbinys, kuris turi būti sulyginamas su originalu, patalpinamas į originalo vietą; išryškinta holograma patalpinama toje pat vietoje kur vyko fotografavimas. Jei kontroliuojamas objektas yra pastatytas tokiu pat būdu kaip buvo pastatytas originalas ir yra stebimas per hologramą, tai tiriamo objekto formos pokyčiai sukurs interferencines juostas objekto fone. Pirma interferencinė juosta atsiras, kai nuokrypis lygus pusei lazerio spinduliuotės bangos ilgio (He-Ne lazerio atveju šis nuokrypis lygus 0,32 m).

            9.2. Impulsinė holografija

            Judančių objektų arba greitai vykstančių procesų impulsinės hologramos užrašomos naudojant vieną ar kelis lazerio impulsus, sekančius tam tikra tvarka vienas po kito. Kiekviena holograma kaip ir visa serija eksponuojama ant tos pačios didelės skyros fotoplokštelės. (3000 linijų/mm). Holografinių interferogramų kombinacija, atstatyta nuolatinės veikos lazeriu, duoda reikiamą informaciją apie erdvinius pokyčius ar poslinkius. Naudojant impulsinės holografijos metodą galima tirti įvairių detalių irimą ir lūžius, procesus sprogimo metu ir t.t. Fazinių objektų impulsinė holografija leidžia tirti dujinių degiklių liepsnos fakelus, kondensacijos procesus, o taip pat nustatyti dalelių dydį ir greitį dvifaziuose vienakomponentiniuose srautuose (vandens garai). Šiuo atveju skirtingų judėjimo fazių hologramos eksponuojamos chronologiniu ir erdviniu nuoseklumu lazerio impulsų serija. Eksponavimo metu atstumas tarp daikto ir fotoplokštelės negali pakisti daugiau kaip /2, nes kitu atveju interferencinis vaizdas atrodys visai susitepęs ir holograma nesigaus. Todėl naudojant holografijoje milžiniškus impulsus, kurių trukmė t, galima holografuoti objektus judančius greičiu v:

                        ,                                                                           (9.1)

čia - kampas tarp objekto judėjimo krypties ir krintančio bei atspindėto nuo objekto lazerio pluošto. Imant = 30o, = 0,7 m ir t = 15 ns, v = 6,7 m/s. Tačiau apšviečiant objektą iš užpakalio kai = 90o t.y. šia viena kryptimi V gali būti daug didesnis.

            9.3. Dviekspozicinė holografinė interferometrija

            Jei objektą eksponuoti 2 ir daugiau kartų nekeičiant nei jo formos nei padėties tai gautos hologramos bus identiškos; t.y. stebėtojas matys tokį pat vaizą kaip ir iš vienos ekspozicijos; atstatyti iš hologramos vaizdai užsiklos erdvėje. Tačiau jeigu daikto padėtis ekspozicijos metu keičiasi tai ant atstatyto vaizdo atsiranda interferencinės juostos. Šiuo atveju užrašytos hologramos nėra identiškos, tuo pačiu ir jų atstatyti vaizdai taip pat nėra identiški. Holografinės interferometrijos metodo esmė ta, kad ji leidžia sulyginti dvi išskirtas laike objekto būsenas, tuo metu kai įprastoje interferometrijoje du kūnai gali būti sulyginti tik stebinti tuo pačiu momentu. Objektas stebimas holografinės interferometrijos būdu turi atspindėti ir sklaidyti šviesą.

            Jei dvi hologramos viena po kitos nufotografuotos ant tos pačios plokštelės tai atstatytų bangų S1(r) ir S2(r) amplitudžių pasiskirstymas hologramos taške r turi atitikti dviem skirtingom objekto padėtims (9.3 pav.).

            Imant, kad poslinkis atitinka kelis bangos ilgius:

                        ,                                                           (9.2)

            Todėl bangos skiriasi tik faze:

                              prie      ,                         (9.3)

                             prie      ,                              (9.4)

čia - bangų fazių skirtumas, S1 - amplitudžių pasiskirstymas iki poslinkio ( = 0); S2 - amplitudžių pasiskirstymas po poslinkio per .

            Fotoplokštelė per eksponavimo laiką gauna ekspoziciją, svarbią realaus vaizdo atstatymui:

                        ,                                                                     (9.5)

            Atstatyto vaizdo intensyvumo pasiskirstymas lygus:

                        ,                                                     (9.6)

Įstačius į (29-6)  (29-3) ir (29-4) lygtis gauname:

            ,              (9.7)

Iš 9.3 pav. seka, kad

                        .                                         (9.8)

Taško poslinkis randamas iš sekančio sąryšio:

                        ,                                                (9.9)

            Tai rodo, kad užrašius dvi hologramas ant vienos fotoplokštelės už fotosluoksnio plokštumos atstatytų bangų amplitudės sumuojasi ir interferuoja sudarydamos ant realaus vaizdo interferencines juostas.

            9.4. Interferencinių juostų formavimas

            Praktinėje dviejų ekspozicijų holografinėje interferometrijoje interferencinių juostų sistemos gavimui naudojami šie būdai:

            a) dviguba ekspozicija naudojant dviejų skirtingų bangos ilgių šviesą;

            b) dviguba ekspozicija esant skirtingoms objektinių spindulių kryptims;

            c) dviguba ekspozicija esant skirtingiems aplinkos lūžio rodikliams.

            Dažniausia naudojamas paskirtinis būdas. Tam holografuojamas objektas talpinamas į stiklinę kamerą, kurioje gali būti keičiamas slėgis, keičiantis lūžio rodiklį. Priklausomai nuo lūžio rodiklio pokyčio sukuriamas reikiamas atstumas tarp interferencinių juostų. Atstatant vaizdą ant objekto atsiranda interferencinės juostos, kurios yra identiškos tokioms ant holografinės interferogramos.

            Holografinės interferogramos metodas naudojamas kontrolei detalių su lokaliniu dilimu, sudėtingo profilio detalių kontrolei gamybos metu, etaloninių kopijų kontrolei ir t.t.

            9.5 Įtempimų matavimas

            Šiuo atveju daromos dvi hologramos. Pirmoji veikiant jėgai P1, o antroji jėgai P2. Esant nedidelei objekto deformacijai atstatytame vaizde bus stebimos interferencinės juostos. Jos pagrindinai stebimos stebėjimo kryptimi, bet jei jos kinta keičiantis stebėjimo krypčiai tai galima sakyti, kad deformacija vyksta ir kitomis kryptimis.

            Net nedideli objekto paviršiaus pokyčiai (įtrukimai, įdubimai) lengvai registruojami interferencinių juostų fone dėl didelio interferencinio metodo jautrumo. Interferencinės juostos formavimui užtenka kelio pokyčio /2. Holografiniai metodai leido apskaičiuoti sudėtingas konstrukcijas, kurių tvirtumo nepavyko įvertinti matematiškai.

            9.6 Mechaninių vibracijų matavimas

            Holografinės interferencijos metodas leidžia lengvai pamatyti vibracijų linijas ir virpesių mazgus. Kai daiktas virpa, jo forma kinta virpesių dažniu. Mazgų taškuose daikto poslinkiai minimalūs t.y. tokie taškai ant atstatyto vaizdo matomi geriau ir aiškiau. Kadangi paviršiaus taškai vykstant virpesiams didesnę laiko dalį būna dviejuose priešingose ekstremaliose padėtyse tai jie bus fiksuojami holografinėje plokštelėje dviejų ekspozicijų metodu. Maksimalus atspindėto zonduojančio lazerinio spinduliavimo intensyvumas stebimas kai daiktas stacionarus (mazguose ar pupsniuose). Atstatant hologramą daikto formos kitimas tarp mazgų linijų yra žymimas interferencinėmis juostomis, kurios mažiau ryškios negu mazgų ir pupsnių interferencinės juostos. Virpesių maksimumai ir lokalinės amplitudės gali būti nustatytos iš interferencinių juostų skaičiaus.

            Holografinis vibracijų matavimo metodas naudojamas tiriant muzikos instrumentus, turbinas ir kitas sudėtingas detales. Virpesių modos sukelia skirtingus detalių įtrūkimus. Todėl virpesių modų vizualizacija leidžia parinkti optimalius detalių parametrus ir tvirtinimo būdus, kad virpesiai nesuardytų detalės.

            Mechaninių virpesių tyrimui naudojami šie holografinės interferometrijos būdai: a) su laikiniu vidurkinimu; b) realiame laike; c) stroboskopinė. Mechaninių virpesių holografiniai tyrimai pateikti 9.4 pav.

            9.7. Srauto, degimo ir kitųų fazinių objektų tyrimas

            Fazinių objektų holografinė interferometrija remiasi jų galimybe keisti lūžio rodiklį, priklausomai nuo temperatūros ir slėgio. Naudojant fazinę holografiją galima tirti nestacionarius srautus. Ypač greiti kitimai gali būti registruojami dviejų impulsų holografiniu interferometru, sukurtu Macho-Cenderio principu.

 

10.  Lazerių  taikymas  cheminėje  technologijoje

            Cheminės reakcijos jautrios eilei faktorių, kuriuos keičiant galima veikti reakcijų eigą ir greitį. Tokie faktoriai yra temperatūra, slėgis, tam tikrų komponentų koncentracija, virpesinis ir elektroninis sužadinimas, o taip pat katalizatorių panaudojimas tam tikrų reakcijų greičio padidinimui. Lazerių panaudojimas leidžia veikti nurodytus faktorius naujais didelio selektyvumo būdais norint efektyviau valdyti chemines reakcijas.

            Lazerinė technika gali paveikti tik nedidelį skaičių įvairių faktorių, apsprendžiančių pilną cheminių produktų kainą. Esant masiniai chemikalų gamybai ~80% savikainos sudaro žaliavos kaina, ~10% eksplotacinės išlaidos, 5% - pastovios išlaidos ir 5% išlaidos elektroenergijai. Farmacinių produktų atveju tik 30% jų aukštos kainos sudaro gamybinės išlaidos. Todėl technologinio proceso pakeitimas tiek pigių tiek brangių chemikalų gamyboje tik nežymiai veikia gamybines išlaidas, nes jos veikia tik pridėtinę produkto vertę, sukurtą proceso metu. Žymus efektas pasiekiamas tik taip pakeitus technologinį procesą, kad galima atsisakyti kokio tai ypač brangaus proceso pav. valymo etapo, galima panaudoti pigesnę žaliavą arba sukurti naujus produktus.

            Todėl nagrinėjant lazerių panaudojimą cheminėje technologijoje galima konstatuoti, kad matos kvantinės išeigos procesai, tokie kaip infraraudona daugiafotonė disociacija, perspektyvi tik gaunant produktus, su didele pridėtine gamybos procese verte, tokius kaip izotopai, švarūs izomerai, didelio švarumo medžiagos, puslaidininkiai ir retos medžiagos. Procesai su didele kvantine išeiga gali paveikti masinę cheminę gamybą. Jie gali būti pasiekiami laisvų radikalų lazerinėje-cheminėje gamyboje, reakcijų tarpinių produktų ir katalizatorių gamyboje. Tačiau paskutinių metų darbų analizė rodo, kad lazerinių metodų panaudojimas pateisinamas tik ribotam cheminių produktų skaičiui su didele pridėtine verte. Tačiau ir tam būtina kruopšti ekonominė analizė. Todėl anksčiau vyravęs didelis optimizmas dėl lazerinės chemijos dabar gana atvėsęs.

           

10.1. Reakcijų diagnostika ir procesų valdymas

            Sritis, kurioje lazeriai įrodė savo unikalumą ir įvykdė tikrą perversmą yra lazerinė spektroskopija naudojama reakcijų diagnostikai, cheminei analizei ir cheminių procesų valdymui. Lazerinė spektroskopija leido padidinti jautrį, nustatymo ribą, laikinę, erdvinę ir energetinę skyrą. Šiuo metu daugumoje laboratorijų yra galimybės visapusiškai tirti sudėtingas chemines reakcijas, nustatant pradinių, tarpinių ir galinių produktų susidarymo ir išnykimo greičius, su laikine skyra . Galima nustatyti ir sekti tam tikrų komponentų atsiradimą sudėtinguose mišiniuose, o taip pat selektyviai veikti tam tikras tokio mišinio komponentes.

            Lazerinės diagnostikos metodų vystimasis matomai yra didžiausias lazerinės chemijos indėlis į cheminę technologiją. Progresas šioje srityje leidžia suprasti sudėtingiausias cheminių procesų detales ir to pasekoje optimizuoti technologinius procesus kartais nustatant tokius parametrus, kurių anksčiau negalima buvo išmatuoti.

            Dabar didžiausias progresas pasiektas degimo procesų diagnostikoje ir tai leidžia nagrinėti sudėtingų sistemų kitimus degimo metu. Šie pasiekimai dalinai susiję su valstybinių laboratorijų šiems procesams tirti sukūrimu JAV, Rusijoje ir kitur bei ši uždavinių karine svarba.

            Plačiau lazerinės spektroskopijos metodai yra nagrinėjami kituose kursuose, todėl trumpai apžvelgsime tik tokius šių metodų taikymus kaip koncentracijų nustatymas bei procesų diagnostika.

            Koncentracijų nustatymas. Vienas iš pirmų lazerių taikymų cheminių procesų kontrolei ir valdymui buvo išmetamų dujų sąstato valdymas. Siekiant sumažinti NO kiekį išmetamose iš degimo krosnių dujose į jas papildomai įvedamos NH3 dujos, kurios reaguoja su NO sudarydamos N2 ir H2O:

                                                                                    (10.1)

reikalinga tiksli NH3 dozė. Per maža NH3 dozė padidina NO kiekį išmetamose dujose, o per didelė pati teršia aplinką. Tačiau tam būtina žinoti tikslų NH3 kiekį išmetamose dujose ir įvesti jį  reguliavimo grandinę. NH3 kontrolei naudojama IR spektroskopija. Išmetamose dujose yra daug komponentų sugeriančių IR srityje, tokių kaip SO2 NOx, H2O ir CO2, todėl matavimui reikia išrinkti diapazoną, kuriame pasireiškia tik NH3 sugertis. Sugerties spektro tyrimas parodė, kad matavimams tinka CO2 lazerio R(18) linija, o kalibravimui R(14) linija. Matuoti galima net esant 1 NH3 daliai iš milijono (1 mln. -1). Tačiau šiems matavimams reikalingi derinami nuolatinės veikos CO2 lazeriai, turintieji būtiną stabilumą. Gali būti panaudotas ir CO2 lazeris vienu metu generuojantis du dažnius. Kalibravimo daažnis naudojamas turbulentiškumo įtakos į optinius iškraipymus įvertinimui. Analogiškai tiriama C2H4 koncentracija gamybinėse patalpose. Šiuo atveju naudojami du skirtingo dažnio CO2 lazerio spinduliai, kurie nukreipiami vienu keliu virš gamyklos teritorijos. Šviesa išbarstyta atgal surenkama teleskopu, kur matuojamas intensyvumo kitimas laike prie abiejų dažnių. Iš šių pokyčių sprendžiama apie C2H4 sugėrimą ir jo koncentraciją. Šis metodas leidžia nustatyti C2O4 koncentraciją iki 1 mln.-1 su 0,3 m erdvine skyra.

            Procesų diagnostika. Lazeriniai metodai gali būti naudojami procesų fizikinių parametrų pav. temperatūros ir dalelių dydžio kontrolei. Temperatūra gali būti nustatoma kombinacinės sklaidos metodu įvertinant vibracinių rotacinių šuolių intensyvumus. Tai leidžia atlikti distancinius dujų srauto temperatūrų matavimus 300-1000oC intervale su +1oC tikslumu.

            Šviesos išbarstymas leidžia nustatyti dalelių dydžius. Tai panaudojama pav. smulkių katalizatoriaus dalelių koncentracijos ar pertekliaus nustatymui išsiskiriančiose dujose.

           

10.2. Lazerinis cheminių reakcijų inicijavimas

            Šioje srityje lazeriai naudojami selektyviam energijos perdavimui cheminėms sistemoms. Priklausomai nuo sužadinimo pobūdžio, reakcijų sąlygų ir stimuliuojamo cheminio proceso po pradinėė lazerinės aktyvacijos gali vykti visiškai skirtingos cheminės reakcijos. Sužadinimo etape vykdomas vibracinis ar elektroninis sužadinimas arba jonizacija.

            Pirmu atveju vykdoma vibracinių lygmenų kaupinimas naudojant: a) vienfotonę IR sugertį; b) palaipsnį didelio skaičiaus IR fotonų sugertį; c) koherentinę daugiafotonę IR sugertį; d) harmonikų ar kombinacinių molekulinių virpesių sužadinimus naudojant matomo diapazono lazerius. Visi šie procesai sukuria molekulės sužadinimą pagrindinėje elektroninėje būsenoje. Antruoju atveju matoma arba UV lazerinė spinduliuotė naudojama molekulių elektroniniam sužadinimui, kurios vėliau gali fotochemiškai virsti kitomis. Trečiuoju atveju intensyvi lazerinė IR, matoma ar UV spinduliuotė naudojama jonų gavimui vykstant vienfotoninei ar daugiafotonei jonizacijai arba dielektriniam pramušimui.

            Elektroninio sužadinimo ir jonizacijos procesai su matoma ir UV šviesa gerai žinomi ir ištirti. Čia panagrinėsime IR lazerinę chemiją. Pirmas lazerinės chemijos ypatumas tai, kad selektyvus molekulės vykdymas griežtai apibrėžtų vibracinių šuolių, būdinga šiai molekulei sužadinimas. Šis selektyvumas paaiškinamas tuo, kad energijos perdavimo greitis molekulėms su skirtingomis spektrinėmis charakteristikomis yra skirtingas. Taip pav. molekulės apšvitinimas CO2 lazerio bangos ilgiu 10,76 mm selektyviai sužadina molekulę , o su ilgiu 10,55 mm padidina tik molekulės  energiją. Selektyvi chemija galima tik tokiu laipsniu kokiu sužadintos molekulės chemija skiriasi nuo nesužadintos molekulės chemijos.

            Antra perspektyvi lazerinės chemijos sritis susijusi su kinetiniu selektyvumu. Selektyviai žadinant vieno tipo molekules mišinyje galima pakeisti cheminę pusiausvyrą taip, kad gautų termodinamiškai mažiau tikimą produktą. Impulsinių lazerių panaudojimas leidžia staigiai sužadinti ir dezaktivuoti molekules ir tuo būdu inicijuoti reakcijas labiau tikimas kinetiškai, o ne termodinamiškai.

            Izotopų atskyrimas. Kadangi kiekviena medžiaga, izotopas ar izomeras turi tik jam būdingą spektrą, lazerinės cheminės technologijos izotopų atskyrime buvo savaime suprantamas. Daugiausia dėmesio buvo skiriama urano izotopų atskyrimui. Tam buvo sukurti įvairūs procesai: a) daugiafotonė jonizacija; b) selektyvus daugiafotonis peršaldytų  molekulių sužadinimas IR spinduliuote su tolimesne fotodisocijacija apšviečiant eksimeriniu lazeriu, ir kiti. Dauguma šių būdų yra įslaptinti, todėl paaiškinsime šį procesą tik daugiafotoninės disociacijos būdu veikiantį lakaus urano darinio - uranilo komplekso pavyzdžiu. Šis kompleksas  kur B - Liuiso bazė pav. tetragidrofurinas arba trimetilsulfosfatas, o HFA heksofloroacetilacetonatas. Lakaus uranilo komplekso vibracinės modos yra CO2 spinduliuotės diapazone. Šio chromoforo  ir  izotopų izotopinis poslinkis yra 0,7 cm-1. 10 mm spinduliuotei šių izotopinių formų sugerties skerspjūvių santykis yra 1,3 ir labiau sužadinama molekulė turinti  izotopą. Esant lazeriniam sužadinimui, suteikiančiam papildomą energiją kompleksas lengvai disocijuoja:

                                                                  (10.2)

            Jei disocijacijai reikia daug fotonų (10-30) tai proceso selektyvumas didėja ir tampa gana žymus net ir esant mažam vienfotoniam selektyvumui. Tai pasiekiama padidinus energetinę zoną tarp maksimalios šiluminio pasiskirstymo energijos ir disociacijos energijos. Tam įvykdyti galima: a) parinkti molekules su stipresniu ryšiu; b) sumažinti molekulės temperatūrą c) naudoti kinetinį greitai disocijuojančių molekulių atrinkimą. Panaudojus šiuos būdus galima padidinti selektyvumą 1,2-1,9 karto. Didžiausias gautas selektyvumas yra 3.

            Valymas. Lazerinis valymas taip pat paremtas selektyviu sužadinimu. Tačiau čia didelį selektyvumą pasiekti lengviau negu lazeriniame izotopų atskirime nes čia atskiriamos chemiškai skirtingos medžiagos. Maksimalus atskirimas apsprendžiamas termodinamika t.y. maišymo proceso entropija. Realių valymo procesų efektyvumas daug žemesnis už maksimalų kas apsprendžiama nepakankamu medžiagų atskirimo koeficientu. Todėl norint pasiekti reikiamą lygį, tenka valymą atlikti keletą kartų. Tai susiję su didelėmis energijos sanaudomis nes tam būtina panaudoti visą medžiagą (pav. perdistiliuoti keletą kartų). Lazeriniai metodai leidžia selektyviai paveikti priemaišines molekules neveikiant pagrindinę medžiagą. Dauguma valymo procesų veikia tik dujinėje fazėje. Kaip sėkmingi valymo pavyzdžiai gali būti sintezės dujų (CO ir H2) valymas nuo H2S. Tai vykdoma dėl didelio sugerties skerspjūvių skirtumo UV srityje. Esant H2S koncentracijai > 1 mln-1 jis už teršia katalizatorius. UV spinduliuotė taip pat naudojama valant SiH4 (monosilaną) nuo AsH4, PH3 ir B2H6 priemaišų. Čia gaunamas 104 selektyvumas esant charakteringam puslaidininkinių medžiagų gamybai priemaišų kiekiui mažesniam nei 0,5 mln-1.

                Cheminė sintezė. Lazerinė chemija neleido sintezuoti nė vieno naujo junginio. Pasiektas tik sintezės išeigos padidėjimas sintezuojant sudėtingus cheminius junginius. Pav. D vitamino gamyboje, kur naudojamas monochromatinis apšvietimas (lankinė lempa) išeiga yra 35 %. Panaudojus dviejų dažnių procesą, kuris stabdo nepageidaujamų produktų susidarymą, galima išeiga padidinti iki 80 %.

            Selektyvaus žadinimo derinimas su greita relaksacija leidžia gaminti termodinamiškai mažiau tikimus produktus. Pav. (10.3) reakcijoje galinis produktas 12 kcal/mol labiau nestabilus negu pradinis.

                                                                                                                                    (10.3)

11. Lazerių taikymas medicinoje ir chirurgijoje

            Lazerių taikymas biologijoje ir medicinoje pagrįstas eile reiškinių susijusių su skirtinga šviesos ir biologinių objektų sąveika. Lazerinis spinduliavimas, taip pat kaip ir įprasta šviesa, gali atsispindėti, būti perspinduliuojamas, sugertas, išsklaidytas biologinės terpės ir kiekvienas iš šių procesų duoda tam tikrą informaciją apie terpės mikro ir makrostruktūrą, bei jos sudėtinių dalių formą bei judėjimą. Matoma ir UV šviesa gali sukelti fotocheminį poveikį. To pavyzdziu gali būti augalį ir bakterijų fotosintezė, o taip pat matymo procesas. Didelio intensyvumo UV, matomo bei IR diapazono šviesa sukelia naikinantį (destruktyvų) poveikį biologiniams objektams. Tam reikalingą intensyvumą galima sukurti ir be lazerių. (pav. egzistuoja ksenoninių lempų koaguliatoriai akių audiniams).

            Tokiu būdu lazerinio spinduliavimo sąveikos su bioobjektais procesus galima suskirstyti į tris grupes. Pirmąjai priskiriamos visos netrikdomos sąveikos (t.y. tokios, kurios matavimo tikslumu ribose nesukelia žymaus poveikio bioobjektui). Antrąjai - procesai, kuriuose pasireiškia fotocheminis poveikis, o trečiąjai procesai sukeliantieji fotoardymą. 11.1 pav. pateikta lazerių taikymo biologijoje ir medicinoje pagrindinių principų klasifikacija atsižvelgiant į ankstesnį procesų skirstymą.

            Kadangi čia nagrinėjama sąveika su gyvais objektais tai be fizikinių-cheminių lazerinės spinduliuotės pasireiškimo būtina atsižvelgti ir į jos poveikį gyvos materijos funkcionavimui. Ši įtaka apsprendžiama gyvo organizmo homeostazės laipsniu. Homeostazės laipsnis harakterizuoja būsenas ir procesus, užtikrinančius organizmo stabilumą išoriniams trikdžiams, ir yra evoliucijos funkcija. Homeostazės laipsnis mažiausias biologinėms molekulėms ir didžiausias stuburinių gyvunų. Mažo intensyvumo šviesa nepaleidžia biosistemos adaptacinių mechnizmų. Didinant intensyvumą iš pradžų paliečiama organizmo homeostezė lokaliniame lygyje, po to įjungiami bendri adaptaciniai ir reguliaciniai sistemos mechanizmai, pilnai ją atstatantieji, vėliau jie jau nebesusidoroja su pilnu atstatymu ir dalinai prasideda negrįžtami procesai, kurie auga ir sukelia sistemos ardymą. Tačiau objektą dar galima skaityti gyvu. Esant dideliems intensyvumams pažeidimai yra tokie žymūs, kad objekto jau negalima laikyti gyvu.

            Iš fizikinės pusės lengviau tirti ypač mažų ir labai didelių intensyvumų diapazone. Pirmame iš jų galima panaudoti eilę labai jautrių fizikinių tyrimo metodų, nereikalaujančių stiprių šviesos srautų ir atitinkamai neįnešančių iškraipymų į matavimo rezultatus dėl gyvos materijos homeostazės net lokaliame lygyje. Antrame intensyvumų diapazone matavimų rezultatai taip pat neiškreipiami, nes biosistema jau nebegyva.

            Šviesos sąveikai su biologiniai objektais svarbu ir švytinimo trukmė. Tame taip pat gali pasireikšti gyvos medžiagos homeostezė. Priklausomai nuo bangos ilgio ir šviesos intensyvumo slensktinė apšvitinimo trukmė, prie kurios pradeda vykti morfologiniai pokyčiai, gali būti labai skirtingos tam pačiam objektui.

            Šviesos sugertis yra viena iš šviesos sąveikos efektyvumo su tiriamais biologiniais objektais charakteristikų. Bioobjektų sugerties spektras priklauso nuo dominuojančių sugeriančių centrų, kitaip vadinamų chromoforų, bei juose esančio vandens. Baltymuose chromoforais yra įvairios amino rugščių liekanos, kurios sugeria UV diapazone (l =200-300 nm), nukleininės rūgštys taip pat sugeria šioje srityje. Matomos šviesos sugertis vyksta dėl tokių molekulių kaip hemaglobinas, chlorofilas, flavinas, karatinoidai ir kt. 11.2 pav. patektas krauju užpildyto biologinio audinio sugerties spektras. 0,6-1,5 mm diapazono šviesa yra santykinai silpnai sugeriama ir pakankamai giliai įsiskverbia į bioaudinį. Pav. 1,06mm spinduliuotė įsiskverbia 1 cm į tokį bioaudinį. Tačiau 2-12 mm spektriniame diapazone dėl vandens, esančio bioaudinyje, sugerties spinduliavimas mažai įsiskverbia į audinio gilumą. 4-6 mm diapazone įsiskverbimo gylis yra apie 100-150 mm, o 7-12 mm diapazone sulyginama su šviesos bangos ilgiu. 0,45-0,5 mm diapazone sugertis vyksta kraujo hemoglobine, o UV diapazone dauguma bioaudinių stipriai sugeria dėl juose esančių baltymų.

            Šviesos sklaidymas bioobjektuose taip pat vienas iš charakteringiausių reiųkinių. Jis susijęs su biosistemų, sudarytų iš didelio skaičiaus atsitiktinai išsidėsčiusių sklaidančių centrų, struktūra. Išimtys yra tik kai kurie audinių tipai pav. skaidrūs akių audiniai. Daugumoje audinių UV ir IR diapazone dominuoja sugertis, o sklaidymas yra svarbus matomoje ir artimoje IR srityse; 0,45-0,59 mm diapazone sugertis ir sklaida duoda vienodą indėlį į audinio pralaidumą, o 0,59-1,5 mm diapazone sklaida viršija sugertį.



            Svarbi bioobjekto charakteristika yra ir atspindžio koeficientas. Žmogaus oda matomame diapazone atspindi 10-60% šviesos energijos, akies dugnas atspindi nuo 2 iki 20 % šviesos kintant bangos ilgiui nuo 0,4 iki 1,0 mm. Atspindys vyksta tiek dėl Frenelio atspindžio bioobjekto oro riboje tiek dėl atbulinio sklaidymo nuo vidinių audinio sluoksnių.

            Rekia pažymėti, kad bioobjektų sugerties, atspindžio sklaidymo ir fluorescencijos pobūdį galima efektyviai keisti įvairiais dirbtiniais metodais. Pav. nudažant galima keisti sugerties ir atspindžio spektrus. Tokie objektai vadinami sensibilizuotais t.y. jų jautrumas šviesai yra pakeistas. Biologinės medžiagos sensibilizacija plačiai naudojama tiriant atskirų šios medžiagos komponenčių sąveiką su šviesa bei praktinėje medicinoje atskirų bioobjektų komponenčių diagnostikai ir selektyviai destrukcijai.

            Minkštų, krauju užpildytų audinių pralaidumą galima žymiai, iki 40 kartų, padidinus nestipriai suspaudus. Tuo būdu išspaudžiamas kraujas ir sutankinami išbarstantys centrai.

           

11.1. Lazerinės diagnostikos metodai biologijoje ir medicinoje

            Lazerinės diagnostikos metodai skirstomi į mikrodiagnostikos (atomų ir molekulių lygyje) bei mikrodiagnostikos (lastelių ir organų lygyje). Mikrodiagnostika naudoja visus tiesinės ir netiesinės lazerinės spektroskopijos metodus, o makrodiagnostika tampraus ir kvazitampraus sklaidymo metodus, interferometriją ir holografiją.

            Tokie lazerinės spektroskopijos metodai kaip rezonansinė fotojonizacija, leidžianti detektuoti vienetinius atomus ir molekules; rezonansinė molekulių fotojonizacija su tradicine masspektroskopija leidžianti nustatyti mažus priemaišų kiekius (~10-14g) niekuo nesiskiria ar jie naudojami bioobjektų tyrimui ar kitų struktūrų tyrimui. Tas pats pasakytina apie optinę-akustinę spektroskopiją, mikrospektrinę analizę, mikrofluorimetriją, kombinacinę sklaidą, pikosekundinę absorbcinę ir fluorescencinę spektroskopiją naudojama bioobjektų tyrimui. Šie metodai nagrinėjami kituose kursuose todėl jų plačiau nenagrinėsime.

            Lazerių panaudojimas makrodiagnostikoje leidžia žymiai supaprastinti tokius matavimus kaip atskirų molekulių analizė ir separacija, biologinių skysčių mažų judėjimo greičių matavimas, trimačiai bioobjektų vaizdai, dvikomponenčių bioaudinių tyrimas ir t.t. bei padidinti jų patikimumą.

11.2. Lazerinė terapija

            Lazerinė terapija pagrįsta biocheminių procesų valdymu šviesa, kuri sutadina biomolekules. Sužadinta molekulė arba pati dalyvauja cheminėje reakcijoje, arba perduoda savo sužadinimą kitai molekulei, dalyvaujančiai cheminėse transformacijose. Skiriamas vienfotonis sužadinimas (maži šviesos intensyvumai - tiesinė fotobiologija) ir daugiafotoninis (dideli intensyvumai - netiesinė fotobiologija), kada molekulė gali sugerti daugiau kaip vieną kvantą. Vienfotoniai fotobiocheminiai procesai sąlygojantieji naujagimių geltligės, įvairių odos susirgimų, o taip pat vėžio fototerapiją arba fotochemoterapiją gerai žinomi fotobiologijoje. Vėžio fotochemoterapija panaudojant hematoporfirino darinius (HPD) yra klasikinis pavyzdys. Įvedus HPD į organizmą jis turi tendenciją kauptis pataloginiuose audiniuose. Vienas iš galimų mechanizmų paaiškinančių šią terapiją yra sekantis. HPD gerai sužadinami matoma šviesa ir perduoda šį sužadinimą per tripletinius lygmenis deguonies molekulėms, esančioms audiniuose. Savo ruožtu deguonies molekulės sužadinamos į singletinę būseą, kuri yra chemiškai aktyvios ir sunaikina lasteles. Šis procesas vadinamas fotodinaminiu efektu. Nagrinėjami procesai galimi esant pakankamai mažiems šviesos intensyvumams (~1 W/cm2), kuriuos galima gauti ir iš nelazerinių šaltinių. Tačiau dėl lazerio spinduliuotės monochromatiškumo ir mažos skesties tapo galima pasiekti didesnį poveikio selektyvumą ir šviesą lengviau transportuoti prie sunkiai pasiekiamų audinių skaiduliniais šviesolaidžiais.

            He-Ne lazerio terapija su  = 0,63 m plačiai naudojama tropinių ir ilgai neužgijančių žaizdų ir egzemų gydymui. Terapinis efektas stebimas ir nelazerinių šaltinių atveju. Lokalinis gydimo efektas mažo intensyvumo spinduliavimo atveju prie He-Ne ( = 0,63 m), He-Cd (= 0,44 m) ir GaAs ( = 0,83 m) bangos ilgių, matomai, yra susijęs su šviesos reguliuojančiu poveikiu ląstelės dauginimosi (vystymosi) ciklui, kada šviesa yra trigeriniu ląstelės metabolizmo reguliatoriumi. Žemo intensyvumo šviesos fotoakceptoriais yra endogeniniai sensibilizatoriai. Kiti terapiniai mažos galios lazerių taikymai dermitologijoje egzemų, paraudimų gydymui, ortopedijoje - esant lėtam lūžusių kaulų gyjimui bei reumatiniam artritui, nervopatologijoje esant centrinės ir periferinės nervų sistemos susirgimams (paprastai tai lazerinė akupunktūra); ginekologijoje, stomatologijoje ir kitur.

            Daugiafotonis sužadinimas galimas naudojant trumpą bet santykinai mažos energijos impulsą. Dvifotonis sužadinimas dėl singletinės - tripletinės tikimybės sumažinimo leidžia žymiai padidinti fotocheminių reakcijų efektyvumą. Pav. panaudojus 109W/cm2 intensyvumo spinduliavimą vietoje 1W/cm2 intensyvumo leidžia padidinti HPD išeiga 100 kartų.

11.3. Lazerinė chirurgija

            Lazerinės chirurgijos privalumai gerai žinomi - tai bekontaktiškumas duodantis absoliutų sterilumą; selektyvumas leidžiantis spinduliuotės bangos ilgio parinkimu ardyti pataloginius audinius neužkliudant aplinkinių sveikų; didelis intensyvumų diapazonas leidžiantis pasiekti reikiamą poveikį bioobjektui; lydimas ir išgarinimas esant nedideliam išilimui; hidrodinaminis ardymas dėl intensyvaus impulsinio lokalinio įkaitinimo arba fotocheminis ardymas. Atžymėsime dar lazerinių operacijų bekraujiškumą, o taip pat dideles galimybes audinių ir ląstelių mikrochirurgijoje dėl galimybės sufokusuoti į mažą dėmelę ir slenkstinio fotoardymo charakterio.

            Šie lazerinės chirurgijos privalumai tokiais atvejais kaip auglių pašalinimas ligoniams su mažu kraujo krešėjimu ir t.t. yra labai svarbūs ir būtini ir atitinkamai sąlygojo lazerinės chirurgijos paplitimą. Tai vyko nežiūrint gana aukštų lazerinės aparatūros kainų, jų gremėzdiškumo bei neypač didelio patikimumo. Kartu atsiranda pavojus gydytojų ir pacientų akims dėl lazerinio spinduliavimo bei pavojus susijęs su aukšta įtampa.

            Vienas iš pirmųjų lazerinėje chirurgijoje buvo panaudotas rubino lazeris ( = 0,69 m). Tačiau vienas iš efektyviausių yra argono lazeris su bangos ilgiu nuo 0,488 iki 0,512 m. Didelė šio lazerio spinduliuotės sugertis kraujo hemoglobine pateikta 8.3 pav. Apšvitinimas sukelia eritrocitų suardymą, trombocitų aktyvaciją bei kraujo indų endotelio suardymą. Tokia faktorių visuma sudaro palankias sąlygas kraujo krešulio susidarymui bei kraujavimo sustabdymui. Spinduliavimo įsiskverbimo gylis siekia ~1 mm. Argono lazeriai plačiai naudojami kraujavimo sustabdymui iš smulkių kraujagyslių bei akies tinklainės koaguliacijai. Jo spinduliuotė gerai perduodama daugiamodžiais šviesolaidžiais su šerdies diametru 200-400 m. Stambių kraujo indų atveju tenka naudoti didesnį intensyvumą, kas dažnai sukelia indų perforaciją ir vietoje kraujavimo sustabdymo jis gali padidėti.

            Tipinis chirurginis Ar+ lazeris susideda iš lazerio, skaidulinio šviesolaidžio, išėjusio iš šviesolaidžio galios matuoklio, išėjimo galios reguliatoriaus, nukreipiantis spindulys vietos indikacijai bei ekspozicijos reguliavimo įrenginys. Išeinančios iš šviesolaidžio spinduliuotės galia Ar+ lazerio atveju paprastai yra 1-5 W, bet kitais atvejais gali siekti ir 20 W.

            CO2 lazerio spinduliuotė gerai sugeriama ląstelėse esančio vandens. Kadangi dauguma ląstelių iki 90 % yra sudarytos iš vandens CO2 spinduliavimas gana efektyviai pjausto ir gilina audinius. Intensyvus spinduliuotės sugėrimas ląstelėse esančiame vandenyje sukelia garų susidarymą, kurie vėliau suardo ląstelę. Dėl intensyvaus sugėrimo gylis siekia 0,1 m esant aplinkinių audinių pažeidimui atstume iki 50-200 m. Tai leidžia panaudoti CO2 lazerius auglių pašalinimui iš galvos smegenų, jungiančio audinio bei polypų pašalinimui. Chirurgijoje naudojamų CO2 lazerių galia reguliuojama nuo 2 iki 80 W.

            YAG:Nd spinduliuotė su 1,06 m bangos ilgiu gana blogai sugeriama tiek vandenyje tiek hemoglobine, todėl jis gali gana gerai praeiti per kraujo krešulius ir sukelti didelių kraujo indų koaguliaciją. Be to jis gali praeiti per vandenį, šlapimą ar skrandžio sultys. Jis žymiai giliau įsiskverbia į audinius ir sukelia daug didesnį šiluminį pažeidimą negu argono lazeris. YAG lazerio šiluminio pažeidimo sritis turi trikampę konfigūraciją ir tęsiasi per visą skrandžio raumeninį sluoksnį. YAG:Nd lazerių naudojamų chirurgijoje galia reguliuojama nuo 30 iki 90 W. Operacijos su jais turi būti atliekamos atsargiai nes galimi gan gilūs pažeidimai. YAG:Nd, rubino ir argono lazerių spinduliuotė gali būti perduota šviesolaidžiais ir įvesta į organizmą su endoskopais. Endoskopai leidžia stebėti vidinius organus prieš operaciją bei įvesti šviesolaidį, kuriuo perduodama lazerio spinduliuotė. Pradžioje šviesolaidžiu perduodamas mažo intensyvumo spindulys leidžiantis apžiūrėti pažeistas vidinių organų sienles, o po to išrinkus vietą perduodamas galingas lazerinis spinduliavimas. Išgarinamos medžiagos kiekį galima reguliuoti keičiant spinduliuotės intensyvumą bei ekspoziciją.

            Lazerinės chirurgijos metodai naudojama gastroenterologijoje, plastinėje chirurgijoje ir dermatologijoje, akušerijoje ir ginekologijoje, neurochirurgijoje urologijoje, ortopedijoje, bendroje chirurgijoje. Skaidulinių šviesolaidinių kateterių panaudojimas leidžia atlikti sklerotinių sankaupų išgarinimą. Ar+ ir CO2 lazeriais pašalinamos tatuiruotės.

            Paskutiniu metu lazerinėje chirurgijoje pradėti naudoti YAG:Er ir YAG:Ho, Tm lazeriai. YAG:Ho lazeris yra gana patogus nes jo spinduliuotė su bangos ilgiu 2.12 m ne tik gerai sugeriama vandens, bet ir gali būti transportuojama stikliniais skaiduliniais šviesolaidžiais. YAG:Er generuojantis 2,94 m spinduliutę taip pat perspektyvus lazerinėje chirurgijoje. YAG:Ho ir YAG:Er lazeriai veikia impulsiniame rėžime. Laisvos veikos impulso energija paprastai 2 -20 J. Paskutiniu metu sukurti šviesolaidžiai tinkantys ne tik YAG:Er, bet ir CO2 lazerio spinduliuotei transportuoti nedideliais atstumais (11.4 pav.).

            11.5 pav. pateikta diagrama apibendrinanti lazerinio spinduliavimo sąveikos su bioobjektais procesų priklausomybę nuo spinduliuotės intensyvumo ir sąveikos trukmės.

12. Lazeriai ryšių sistemose

            Optinio ryšio platus panaudojimas prasidėjo sukūrus patikimus ir ilgaamžius puslaidininkinius lazerius bei optinius šviesolaidžius su ypač mažais nuostoliais ir keičiamomis optinėmis charakteristikomis. Šių optinio ryšio sistemų pagrindinių elementų parametrų gerinimas bėgant metams pateiktas 12.1 pav. Optinio ryšio sistemos, analogiškai kaip ir elektros ryšio sistemos, skirstomos į laidininkines ir belaidininkines. Belaidininkinės kada optinis spinduliavimas sklinda atmosfera. Tačiau šios sistemos gana mažai naudojamos. Pagrindinės optinio ryšio sistemos tai sistemos su optiniais skaiduliniais šviesolaidžiais, turinčiais ypač mažus nuostolius. Pagrindiniai trys šios ryšio sistemos elementai yra: šviesos šaltinis, optinis šviesolaidis ir šviesos imtuvas (12.2 pav.). Perduodant signalus dideliais atstumais dar panaudojami kartotuvai (retransliatoriai). Kartotuvuose optinis signalas paverčiamas elektriniu, sustiprinamas elektroniniame stiprintuve ir perduodamas į šviesos šaltinį. Tokiu būdu optiniai signalai, transformuoti į pirmykštę formą išspinduliuojami kartotuvo.

            Optinių ryšio sistemų privalumai lyginant su elektrinio ryšio sistemomis esant mažesniems perdavimo nuostoliams; didesnis atstumas tarp kartotuvų; didesnis perdavimo tankis; mažesnė vieno kanalo kaina; elektrinė izoliacija tarp iėjimo ir išėjimo; apsauga nuo elektromagnetinių triukšmų; apsauga nuo signalo perėmimo bei kryžminių triukšmų.

            12.1 Komponentai

            Dauguma optinių šviesolaidžių, naudojamų tiek vidutinėse, tiek ilgose ryšio sistemose yra pagaminti iš silicio oksido. Silicio oksido šviesolaidžiai turi mažus nuostolius esant perdavimui 0,8-1,6 m bangų ilgių diapazone. Nuostoliai kinta kaip parodyta 12.3 pav. Didėjant bangos ilgiui 0,8-1,2 m diapazone šviesos sklidimo nuostoliai, pagrindinai apspręęti Rėlėjaus sklaidos, mažėja. Tačiau 1,2-1,4 m diapazone pradeda reikštis šviesolaidžio medžiagoje esančių OH grupių ir kitų priemaišų sugertis. Šviesolaidiniam ryšiui labiausiai tinka 0,8-0,9 m; 1,3 m ir 1,6 m bangų diapzonai. Daugumoje SiO šviesolaidžių mažiausi nuostoliai yra apie 1,55 m. Skaiduliniame šviesolaidyje spinduliavimo bangos 0,85 m dispersija, apsprendžiama stiklo lūžio rodiklio dispersija sudaro 100 ps/(nm km). Skaitoma, kad mažiausia dispersija šioje medžiagoje yra 1,27-1,3 m diapazone. Tai yra šiame diapazone šviesos bangų su artimu bangos ilgiu sklidimo greitis šviesolaidžiu yra vienodas. Jei puslaidininkinis lazeris moduliuojamas su greičiu didesniu nei 100 Mb/s, tai generuojamos kelios išilginės modos. Bendru atveju išilginės modos, išskyrus 1,3 m diapazoną, sklinda įvairiais greičiais. Dėl to optinio signalo, perėjusio didelį atstumą, forma yra iškraipoma. Todėl didelio perdavimo greičio sistemos paprastai veikia 1,3 m diapazone. Esant bangos ilgiui > 2 m pradeda reikštis medžiagos sugertis IR srityje.

            Iš silicio oksido gaminami 3 tipų skaiduliniai šviesolaidžiai: daugiamodis su šuoliniu lūžio rodiklio pasikeitimu (DŠ) (12.4 a); daugiamodis gradientinis (DG) (12.4 b) ir vienamodis (V) (12.4 c). Daugiamodžiame šviesolaidyje gali sklisti daug modų, o vienamodžiame tik viena. Daugiamodžio šviesolaidžio šerdies diametras yra 50-90 m, o apvalkalo diametras 120-150 m. Siekiant taupyti medžiagas, iš kurių gaminami skaiduliniai šviesolaidžiai, siekiama gaminti mažesnio diametro skaidulą ir apvalkalą. Tačiau optimalus šerdies diametras apsprendžiamas tikslumu kurį būtina išlaikyti komutuojant šviesolaidžius tarpusavyje bei jungiant juos su šviesos šaltiniais. Apvalkalo diametras parenkamas taip, kad užtikrintų reikiamą tvirtumą tempimui ( jis didesnis esant storesniam apvalaklui) bei pakankamai mažą šviesolaidžio lenkimo spindulį. Paprastai naudojami skaiduliniai šviesolaidžiai su apvalkalo diametru 120-150 m. Esant apvalkalo ir šerdies lūžio rodiklių skirtumui ~ 0,01 (0,1%) šviesolaidžio skaitmeninė apertūra yra apie 0,17. Šviesolaidžiai naudojami su šviesą emituojančiais diodais turi šerdies ir apvalkalo lūžio rodiklių skirtumą n lygų 1 %. Perduodamų dažnių juosta tuo didesnė kuo mažesnis skirtumas tarp apvalkalo ir šerdies lūžio rodiklių. Tačiau norint lengviau suderinti šviesos šaltinį su šviesolaidžiu ir išvengti mikrodeformacijų įtakos šiam sujungimui n paprastai parenkamas ~ 0,7 %. Perduodamų dažnių juosta didėja pereinant nuo DŠ prie DG ir V šviesolaidžių. Dabar gaminami šviesolaidiniai kabeliai, sudaryti iš kelių ar net kelių dešimčių optinių šviesolaidžių. Jie gali būti tiesiami arba ant stulpų arba po žeme metaliniuose vamzdžiuose.

            DŠ šviesolaidžiai turi tokias charakteristikas: 0,85 m bangai nuostoliai 3-10 db/km, perduodamų dažnių juosta esant 1 km ilgio šviesolaidžiui yra 40-50 MHz, impulsas išplinta iki 10 ns.

            DG gaunami chemiškai nusodinant Si iš dujinės fazės. Šiuo būdu gaunamas lūžio rodiklio pasiskirstymas atitinkantis antrą laipsnį (parabolinis). Jis leidžia gauti maksimalią perduodamą juostą. DG turi tokias charakteristikas: šerdies diametras 50-90 m, apvalkalo diametras 100-150 m, apsauginės plėvelės diametras 0,5-0,9 mm, santykinis lūžio rodiklio pokytis tarp šerdies centro ir apvalkalo 0,01-0,02, skaitmeninė apertūra 0,17-0,24, 0,85 mm bangai nuostoliai 3-10 db/km perduodamų dažnių juosta esant 1 km ilgio šviesolaidžiui 200-800 MHz, impulso išplitimas 0,3-1 ns/km. Šio tipo šviesolaidžiai leidžia perduoti plačią dažnių juostą net ir esant dideliam šerdies diametrui. Didelis šerdies diametras leidžia lengviau sujungti įvairius šviesolaidžius bei prijungti juos prie šviesos šaltinio. Jie taip pat patogūs praktiniame naudojime.

            Vienamodžių šviesolaidžių šerdies diametras yra ~1-2 m. Jie turi plačiausią perduodamų dažnių juostą. Tačiau šviesos įvedimas į tokį šviesolaidį daug sudėtingesnis ir reikalauja didesnio tikslumo.

            Kaip šviesos šaltinis optinėse ryšio linijose naudojami puslaidininkiniai lazeriai (PL) arba šviesą emituojantis diodai (ŠD). 0,7-0,9 m diapazone naudojami AlGaAs lazeriai arba šviesos diodai. Spinduliavimo bangos ilgis keičiamas keičiant Al ir Ga procentinę sudėtį AlGaAs sluoksniuose. InGaAsP lazeriai ir šviesos diodai derinami 1,-1,65 m diapazone, keičiant Ga ir As koncentraciją In1-x Gax Asy P1-y aktyviame sluoksnyje. Puslaidininkinių šviesos šaltinių darbinių dažnių diapazonas pateiktas 12.5 pav. PL ir ŠD moduliacijos dažniai yra skirtingi. PL gali veikti esant kelių šimtų Mb/s moduliacijos dažniui, kai tuo tarpu ŠD tik apie 100 Mb/s. Tai susiję su lėta spontanine emisija ŠD. Spinduliuotės moduliacija PL lengvai pasiekiama pridėjus kintamą maitinimo įtampą prie PL, kaip pateikata 12.6 pav. PL spinduliuotės galia nukreipta į šviesolaidį yra eile didesnė už ŠD. Todėl PL pagrindinai naudojami ryšio sistemose su vidutiniu ir dideliu perdavimo greičiu esant vidutiniams ir ilgiems nuotoliams. Esant dideliems atstumams naudojami InGaAsP šviesos šaltiniai, tuo metu kai artimesniems atstumams naudojami AlGaAs šviesos šaltiniai, spinduliuojantieji 0,8 m diapazone.

            Silicio lavininiai fotodiodai (LFD) ir pin fotodiodai naudojami kaip šviesos imtuvai 0,8 m diapazone. Ge ir InGaAs LFD ir pin - fotodiodai naudojami 1 m diapazone. LFD ir pin-FD veikia esant moduliacijos greičiui didesniam nei keli Mb/s. LFD, kurie veikia su stiprintuvais, naudojami mažų optinių signalų priėmimui.

            12.2 Taikymo sritys.

 

             Duomenų perdavimo sistemos skirstomos į du pagrindinius tipus: valdančias ir kompjuterines. Valdančios sistemos naudojančios šviesolaidžius turi tą privalumą, kad gali būti panaudotos ten kur dideli elektromagnetiniai trukdžiai. Todėl jos gali būti nutiestos greta galingų elektros perdavimo linijų (12.8 pav).

            Kompjuterinės ryšių sistemos su šviesolaidžiais palyginus su elektrinėmis ryšio sistemomis turi privalumus, kad jų neveikia nei triukšmai nei skirtingi žemės potencialai (12.9 pav.). Jos užtikrina santykinai didelį perdavimo greitį ir perdavimą dideliais atstumais. Be to įėjimas ir išėjimas elektriškai izoliuoti. PL naudojami ilgose ir greitose ryšių linijose, ŠD kitose.

            Šviesolaidinės video perdavimo sistemos naudojamos pramonėje ir kabelinėje televizijoje (12.10 pav.). Pramonėje televizijoje šviesolaidžių panaudojimas suteikia jau anksčiau išvardytus privalumus. AlGaAs lazeris veikianti 0,8 m diapazone naudojamas miesto ryšių tinkle ir užtikrina 32-140 Mb/s perdavimo greitį ~ 10 km atstume.

            Povandeninėse optinio ryšio sistemose būtina sumažinti kartotuvų skaičių. Todėl naudojami InGaAsP - PL veikiantis 1,3 m diapazone. Atstumas tarp kartotuvų 20-50 km.


           

14. Universalaus produkto kodo nustatymo įrenginiai

            Pirmasis lazerinis skaneris galintis perskaityti produkto universalo kodą (UK) buvo panaudotas 1974 m. JAV Ohajo valstijoje. Po 17 metų nuo pirmojo juostinio kodo skanerio panaudojimo jų per metus parduodama apie 750 000 vienetų. Kodo skaneriai panaudojami UK skaitymui ir įvedimui į kasos aparatą supermarketuose, pašto skyriuose bei videomagnetofonų programavimui namuose.

            Juostinis kodas tai serija juodų juostų atspausdintų ant šviesaus pagrindo (10-1 pieš.). Informacija esanti šiame simbolyje yra užkoduota keičiant tiek juostų tiek tarpų tarp jų plotį. Dažniausia vartojama kodinių juostų simbolizacija JAV yra produkto universalaus kodo simbolis Europoje ir Japonijoje taip pat vartojamos panašios kodavimo sistemos.

            Įvairūs juostinių kodų, panaudojimai sąlygojo tai, kad buvo sukurti įvairūs skanavimo produktai, kuriuos galima suskirstyti į dvi pagrindines klases. Ankstyvieji kodinių juostų skaneriai buvo stacionarūs. Jie ir dabar dar naudojami supermarketuose atsiskaitymo vietose, kur daiktai kuriuos norima pirkti yra pranešami virš langelio, kuriame lazerio spindulys skanuoja juostinį kodą. Antros klasės kodų skaneriai yra nešiojami ir pridedami prie perkamų daiktų kodo. Dabartiniai kodų skaneriai leidžia skaityti kelių tipų kodus. Dabartiniu metu vyksta kitas technologinis pasikeitimas t.y. He-Ne lazeriai keičiami matomo diapazono puslaidininkiniais lazeriais.

            Daugumoje stacionarių juostinių kodų skanerių šviesos šaltinis yra He-Ne lazeris. Lazerio spindulys skanuojamas per juostinį kodą sukant daugiabriaunį veidrodį.

 

 

12. Lazerių taikymas metrologijoje, kontrolėje ir matyme pramonėje

            Vis plačiau naudojami automatiniai kontrolės ir matavimų metodai pramoninės gamybos kokybės kontrolei. Tarp jų sparčiai plinta elektrooptiniai metodai, kuriuose naudojami lazeriai. Šių metodų tikslas sukurti pilnai automatizuotas gamyklas. Kontrolės metodai leidžia patenkinti griežtesnius reikalavimus produkcijai.

            Yra 4 lazerių taikymo matavimuose ir kontrolėje sritys:

            a) dydžių kalibravimas (detalės dydžio ir paviršiaus apdirbimo švarumo nustatymas),

            b) staklių kreipiančiųjų eigos matavimas,

            c) vizualinė kontrolė, kuria anksčiau atlikdavo žmogus (surinkimo tikrinimas, defektų nustatymas),

            d) techninei matavimai ( vibracijų, mechaninių įtempimų).

            Lazerinių kontrolės metodų privalumai:

            a) nekontaktinis matavimo būdas,

            b) didelis operacijų greitis,

            c) didelis matavimų tikslumas,

            d) didelis operacijų diapazonas,

            e) distancinio matavimo galimybės.

            Be to jie leidžia vienodai atlikti visų detalių matavimus ir tuo būdu tiksliai sulyginti detales. Galutinė kontrolės sistema su vidutiniu sudėtingumo laipsniu paprastai atsiperka per 1,5 metų. Ekonomija gaunama mažėjant vizualios kontrolės apimčiai, taupant atlyginamus ir mažėjant garantiniam remontui.

____________________________________________________________________________

Matavimo        Paviršiaus apdirbimo švarumas                       Geometrija                  Matmenys

tipas                 Optinis                        Lygus              Grubus                        Plokščia                       Cilindrinė            Dideli

____________________________________________________________________________

Paviršiaus        A,C,D,F          A,C,F,K                      A,C,I,L                       A,C,F              A,C                 A,C,I,L

apdirbimo

švarumas

Lokaliniai        C,F,H              C,F,H,K          C,F,H              C,H,F              C,H,F  C,F,H

defektai

Plokštumos      D,C,G,K         J,K                   A-E,G,J           A-D,G                         A-E,J,K

Forma              A,D,G-J,L       A,C,H,I,L       A,C,H,I,L       A,D,H,I,L       A,D,H,I,L       A,F,G

____________________________________________________________________________

            A - mechaninis,                                                           I - speklų

            B - niveliavimo,                                                           J - interf. juostų projekcijos,

            C - optinio vaizdo formavimo,                                                K - Fizo metodas,

            D - interferencinis,                                                      L - lazerinis su keliais bangos              E - muaro metodas,                                                          ilgiais.

            F - lazerinis skanavimas,

            G - lazerinės spektroskopijos,

            H - holografinis,

           

            12.1 Profilių detalių dydžių matavimas

            Kadangi lazerio spinduliuotės skestis labai maža galima atlikti šešėlinius matavimus su dideliu tikslumu.

            12-1 pav. Lazerinės sistemos formuojančios objekto krašto vaizdą ant fotodiodinės            matricos schema.

            Tikslumas 0,2 m. Naudojamos siurblių mentelių profilių matuokliai leidžiantieji išmatuoti 7200 det/val. su 1 m tikslumu ir jas surūšiuoti pagal dydį.

            Lazerinis skanavimas

            12-2 pav. Laser Telemetric pastovaus skanavimo greičio matmenų kontrolės schema.

            Čia naudojamas tiesinis skanavimas su pastoviu greičiu. Taškų atitinkančių detalės kraštams radimas čia susijęs su dvigubu intensyvumo diferencijavimu. Kraštai atitinka kur antra išvestinė lygi 0. Leidžia atlikti 150 mat/s. Matuojant D = 5 cm tikslumas yra 5.10-4 cm. Naudojama vielos gamyboje, cilindrų kontrolei po šlifavimo ir t.t.

            Paviršiaus tyrimas lazerinės trianguliacijos būdu

            Naudojamas tų paviršiaus dalių matavimui, kurie negali būti stebimi tiesiogiai profiliu ( pav. menčių, vidinių sriegių ir t.t.).

Tikslumas ~ 2 m. Dėmelė ant paviršiaus apie 30 m.

            12.2 Paviršiaus apdirbimo švarumo matavimas ir defektų radimas.

            Sprendžiama pagal atspindėtos šviesos parametrus. Pluoštas skanuojamas paviršiumi ir matuojamas intensyvumo kitimas.

 

9. Lazerių taikymas statyboje, žemės  ūkyje ir geodezijoje

            Lazeriniai prietaisai naudojami daugeliui matavimų statyboje, žemės ūkyje ir geodezijoje. Ir tai leidžia padidinti darbo našumą dėl laiko, medžiagų, energijos ar vandens ekonomijos arba dėl labiau optimalaus darbo jėgos panaudojimo. Kartu lazeriniai prietaisai leidžia padidinti matavimų tikslumą. Šiuo metu lazeriniai prietaisai ne tik keičia universalius teodolitus, bet naudojama konkrečių uždavinių sprendimui pav. vamzdynų tiesinimas, tunelių tiesimas, matuojant ir kontroliuojant aukštumas, matuojant atstumus su elektroniniais įrenginiais.

9.1. Lazerių panaudojimas lyginimui

            Jau 1960 m. sukūrus He-Ne lazerį viena iš jo panaudojimo sričių tapo lyginimas (vieno lygio virš žemės paviršiaus ar žemės paviršiuje nustatymas). Tačiau, kad šioje srityje lazeriai būtų naudojami labai plačiai teko pradžioje sukurti pigius, patikimus, ilgaamšius ir komplektinius lazerius. Tačiau net ir laboratoriniai lazerių pavyzdžiai kol visos lazerių problemos dar nebuvo išsprętos jau buvo naudojami statant Stenfordo tiesinį 2 mylių greitintuvą bei tiesiant tunelį San Franciskas-Oklendas. Lazeriniuos lygiamačiuose Gauso pluoštelis yra išplečiamas teleskopu taip, kad turštų reikiamą kolimacijos lygį ir diametrą ant taikinio esančio už 100-200 m galima pluoštelį sukolimuoti į 20 mm dėmelę (pav. 9-1).

9-1. pav.  Teorinė Gauso pluošto diametro priklausomybė nuo atstumo. Wo(o) – pluošto diametras teleskopo išėjime.

            Gauso pluošto diametras sklindant erdvėje keičiasi priklausomai nuo bangos ilgio ir sąsmaukos diametro wo :

                                                                                                                        

čia w(z) - Gauso pluošto diametras atstume z. Fokusuojant teleskopą ir keičiant wo galima gauti

reikiamą w(z). Teisingai suderintas teleskopas turi duoti išėjime ne tik nedidelį, bet ir mažai kintanti pluoštą. Vykdant matavimus 100 m atstume pradinis wo paprastai imamas 5 mm, o 600 atstume wo yra ~ 15 mm. Teleskopo apertūra turi būti pakankamai didelė, kad nesireikštų difrakcija ant jos. Paprastai išėjimo lęšio apertūra yra 3 kart didesnė už Gauso pluošto spindulį. Naudojamų He-Ne lazerių lazeriniuose lygiamačiuose galia yra 1-3 mW. Esant pluošto diametrui 15-20 mm ir tokiai galiai ją galima daugumoje atvejų matyti esant dienos šviesai. Dėmės centrą galima nustatyti vizualiai su 10% paklaida, o su elektroniniu detektoriumi net su 4% paklaida. Tikslumą nustatymo galima būtų dar padidinti, bet atmosferos triukšmai ir foniniai svyravimai neledžia pasiekti realiose sąlygose tikslumo didesnio kaip 4%.

            Vamzdynų lyginimas. Tai nėraiš platesnio lazerių taikymo sričių. Čia turima omenyje vamzdynų sistema naudojama fekalinei ir lietaus kanalizacijai miestuose. Kiekvienas tokios sistemos vamzdynas turi turėti tam tikrą nuolydžio kapmą ir ją sudarančių vamzdžių aiškumą. Lyginimas su lazeriu žymiai palengvina tokių vamzdynų statybą. Pradžioje iškasamas šulinys iki reikiamo gylio. Paskui lazeris išstatomas taip, kad spindulio kryptis sutaptu su suprojektuoto

29-2 pav.

vamzdyno kryptimi. Lazeriniai prietaisai, skirti kanalizacijos vamzdynų tiesimui turi įstatytą nuolydžio reguliavimo mechanizmą, leidžiantį labai tiksliai parinkti norimą nuolydį. Toliau iškasama tranšėja tokio dydžio, kad galima būtų nustatyti lazerio pluošto kryptį. Tiesiamo vamzdžio gale įtaisomas pusiau skaidrus plastmasinis taikinys. Toliau vamzdis klojamas taip, kad praėjęs lazerio pluoštas būtų taikinio centre. Po to vamzdis užkasamas, o taikinys išimamas. Tap pat statomos kitos vamzdyno sekcijos.

            Prieš lazerių panaudojimą vamzdynų tiesimui tekdavo daryti topografinį t.y. statyti bokštelius ir tempti stygą pagal kurią vėliau lygindavo vamzdyną. Lazerių panaudojimas leido padidinti našumą 30-50% tiesiant vamzdynus. Lazeriniai prietaisai naudojami tokiose sąlygose turi patenkinti griežtus reikalavimus: nebijoti vandens stulpo (net iki 5m), būti patvariu kritimui net iš 1,5 metro. Pradžioje nuolydis buvo parenkamas rankiniu būdu, vėliau jis automatizuotas. Tam naudojama arba spindulio atlenkimo sistema arba subšasi krypties keitimas. Tas leido lazeriui montuoti į vandens nepraleidžiančius korpusus. Šie matuokliai kompaktiniai ir tinka vamzdynams su diametru > 200 mm. JAV vamzdynai tiesiami tik su lazeriniais įrenginiais.

            Tunelių tiesimas. Daugiau taikomas krypties nustatymui ir uždarimui. Tai panaudojama didelių gręžimo mašinų orentavimui tiesiant ilgus tunelius.

            Aukščio virš duoto lygio matavimas.

Pentoprizmė (arba veidrožių sistema analogiška)

Besisukanti platforma

Variklis

He-Ne lazeris

Lygio matuoklis

                        4-2 pav. Lazerinis metalų grūdinimas: 1 - grūdinimo zona, 2 - grūdinimo zonos gylis, 3 - sufokusuota lazerio spinduliuotės dėmė.

                        4-3 pav.  Lazerinio grūdinimo charakteristika.

                        4-4 pav. Plienų tvirtumo priklausomybė nuo anglies koncentracijos.

                        4-5 pav. Apšvitinto sluoksnio temperatūros priklausomybė nuo apšvitinimo laiko:   1 - austenizacijos temperatūra, 2 - apšvitinimo pabaiga.

4-6 pav. Optiniai įrenginiai lazerinio spinduliavimo energijos modifikacijai : a- osciliacinis;  b -segmentinis.

4-7 pav. Plieno kietumo priklausomybė nuo gylio z prie įvairių spinduliuotės intensyvumų.

4-9 pav. Lazerinės spinduliuotės intensyvumas, I ir trukmė  reikalingi plieno sluoksniui z išlydyti.

4-12 pav. Rekomenduojama nuolatinio lazerio spinduliuotės galia (P) ir spindulio judėjimo greitis (V) norint gauti geros kokybės pjūvį z storio  pliene (Fe) ir varyje (Cu).

27-4 pav. Pateikti atspindžio koeficientai moliui (1); iškritusiam sniegui (2); 3 - žolė pavasarį.

                        4-2 pav. Lazerinis metalų grūdinimas: 1 - grūdinimo zona, 2 - grūdinimo zonos gylis, 3 - sufokusuota lazerio spinduliuotės dėmė.

                        4-3 pav.  Lazerinio grūdinimo charakteristika.

                        4-4 pav. Plienų tvirtumo priklausomybė nuo anglies koncentracijos.

                        4-5 pav. Apšvitinto sluoksnio temperatūros priklausomybė nuo apšvitinimo laiko:   1 - austenizacijos temperatūra, 2 - apšvitinimo pabaiga.

4-6 pav. Optiniai įrenginiai lazerinio spinduliavimo energijos modifikacijai : a - osciliacinis;  b -segmentinis.

4-7 pav. Plieno kietumo priklausomybė nuo gylio z prie įvairių spinduliuotės intensyvumų.

4-9 pav. Lazerinės spinduliuotės intensyvumas, I ir trukmė  reikalingi plieno sluoksniui z išlydyti.

4-12 pav. Rekomenduojama nuolatinio lazerio spinduliuotės galia (P) ir spindulio judėjimo greitis (V) norint gauti geros kokybės pjūvį z storio  pliene (Fe) ir varyje (Cu).

            26-2 pav. Neužrašomų optinių diskų nuskaitymo įrenginys

            26-4 pav. Optinio disko iškilimai nešantieji užrašytą informaciją.

                        Lazerinio pluoštelio profilis

                        Paviršinio įtempimo jėgos

                                                                                    Išlydyta sritis

                                    Duobelė

26-4 pav. Terminio užrašymo procesas.

26-5 pav. Trisluoksnės užrašančios terpės schema

Naudojami tokių tipų optiniai diskai:

1. Skirti tik nuskaitymui (audio diskai).

2. Užrašymo ir nuskaitymo diskai, bet užrašymas paprastai galimas tik vienkartinis.

3. Daugelio užrašymų ir trinimų optiniai diskai. Šiam tikslui naudojami magnetooptinės terpės. Jose įrašomos ne įdubos, o pakeičiama magnetinio dipolio orentacija. Ir taip užkoduojama energija.

            29-1 pav. Neskaidrių objektų holografavimo schema. 1 - lazeris; 2 - šviesos daliklis; 3 -      veidrodis; 4 - atraminis pluoštas; D - daiktinis pluoštas.

            29-2 pav. Fazinių objektų holografavimo schema. 1 - lazeris; 2 - šviesos daliklis; 3 -            fazinis objektas; 4 - holograma; 5 - veidrodis; 6 - tikras objekto vaizdas; 7 - stebėtojas;  A - atraminis pluoštas; D - daiktinis pluoštas.

            29-3 pav. Holografinė objektų interferometrija. 1 - lazeris; 2 - veidrodis; 3 - holograma.

            Tarp kitų lazeriu incijuojamu cheminių reakcijų paminėtini: lazerinė piroalize, laisvų radikalų gavimas, katalizatorių gavimas, lazerinė chemija paviršiuje.

11-1. pav. NH3 kontrolės schema išmetamose iš degimo krosnies dujose

11-2 pav. Išmetamų degimo krosnies dujų didelės skyros spektras IR srityje

11-3 pav. Papildomas IR daugiafotonio izotopų atskyrimo selektyvumo didėjimas didinant energetinę zoną. Ištisinės linijos molekulių pasiskirstymo iki sužadinimo, punktyrinės - po.

11-4 pav. UV sugerties spektrai H2S ir sintezės dujų (CO ir H2)

1-1 pav. 1 mm storio bioaudinyje sugertos energijos dalies dE/E priklausomybė nuo bangos ilgio.

            8-3 pieš. Hemoglobino ir vandens sugerties spektrai. Kartu pateikti Ar+, YAG:Nd ir CO2 lazerių bangų ilgiui.

            8-3 pieš. Vandens sugerties spektras ir naujų lazerių spinduliuotės bangų ilgiai.

            13-1 pav. Lazerinių ir šviesos diodų ilgaamžiškumo (a) bei optinių šviesolaidžių      nuostolių (b) kitimas vystantis technologijai 1968-1976 m.

            13-2 pav. Optinio ryšio sistemos (a) ir elektrinio ryšio sistemos (b) schema. 1 -        objektyvas; 2 - šviesos diodas; 3 - optinių šviesolaidžių kabelis; 4 - fotodetektorius; 5 - generatorius; 6 - elektrinis kabelis; 7 - detektorius.

            13-3 pav. Kvarcinio šviesolaidtio nuostolių priklausomybė nuo bangos ilgio: 1-su P           priemaišom; 2-su Ge priemaišom.

            13-4 pav. Optinių skaidulinių šviesolaidžių tipai: a) daugiamodis su šuoliniu lūžio   rodiklio pokyčiu; b) daugiamodis gradientinis; c) vienamodis. 1 - šviesolaidžio skaidula,             2 - apvalkalas.

            13-6 pav. PL spinduliuotės moduliacija: P - spinduliuotės galia; I - moduliacijos srovė; t - oduliacijos trukmė.

            13-7 pav. Šviesos šaltiniai ir fotodetektoriai naudojami optinėse ryšio sistemose.

            13-8 pav. Optinis ryšys: 1 - elektrinė; 2 - optinis kabelis; 3 - elektrinis kabelis; 4 -    valdymo pultas.

            13-9 pav. Ryšys su optiniais kabeliais.

            13-10 pav. Šviesolaidžių panaudojimas palydoviniame ryšyje.








Politica de confidentialitate

DISTRIBUIE DOCUMENTUL

Comentarii


Vizualizari: 1297
Importanta: rank

Comenteaza documentul:

Te rugam sa te autentifici sau sa iti faci cont pentru a putea comenta

Creaza cont nou

Termeni si conditii de utilizare | Contact
© SCRIGROUP 2019 . All rights reserved

Distribuie URL

Adauga cod HTML in site