CATEGORII DOCUMENTE
Afaceri Calculatoare Casa masina Didactica pedagogie Diverse Educatie Finante Geografie Istorie & politica Legislatie Limba Management Sanatate Tehnologie

Bulgara	Ceha slovaca	Croata	Engleza	Estona	Finlandeza	Franceza
Germana	Italiana	Letona	Lituaniana	Maghiara	Olandeza	Poloneza
Sarba	Slovena	Spaniola	Suedeza	Turca	Ucraineana

įstatymai	įvairių	Apskaitos	Architektūra	Biografija	Biologija	Botanika	Chemija
Ekologija	Ekonomika	Elektra	Finansai	Fizinis	Geografija	Istorija	Karjeros
Kompiuteriai	Kultūra	Literatūra	Matematika	Medicina	Politika	Prekyba	Psichologija
Receptus	Sociologija	Technika	Teisė	Turizmas	Valdymas	vietimas

LazeriŲ taikymai

elektra

+ Font mai mare | - Font mai mic


DOCUMENTE SIMILARE

VILNIAUS UNIVERSITETAS

KVANTINĖS ELEKTRONIKOS KATEDRA

Valdas Sirutkaitis

LAZERIŲ TAIKYMAI

vadas

1960 metų prad˛ioje atsiradus lazeriams, buvo pranaaujama naujos eros moksle ir technikoje prad˛ia. Buvo pranaaujamas 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 prad˛ios svarbiausiu stimulu kuriant lazerinę techniką tapo orentacija į konkrečius taikymus įvairiose ūkio akose - mainų gamyboje, elektronikos pramonėje, ˛emės ūkyje, statyboje, cheminėje gamyboje, ryiuose. Pirmą kartą lazeriai pramonėje panaudoti 1966 m. veicarijoje skylių grę˛imui rubino diskuose, naudojamuose laikrod˛iuose. 1969 metais lazeriai panaudoti automobilių pramonėje. Nuo to laiko lazeriai plačiai naudojami tokiuose procesuose kaip termoapdirbimas, suvirinimas, gre˛imas, 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 deimčių iki kelių tūkstančių vatų. Lazeriai pasirodė efektyvūs, kai kuriose masinėse cheminėse technologijose. Vystantis lazeriniams metodams isivystė nauja medicinos kryptis - lazerinė medicina. Be lazerių neįsivaizduojamas kompaktinis informacijos, tame tarpe vaizdų, u˛raymas, naujos kartos spausdinimo įrenginiai, mikroskopija. Lazeriai taikomi dirbinių ir detalių matmenų ir formos nustatymui, jų dėka įvertinama įrigacinių, statybinių ir ˛emės ūkio darbų kokybė. Lazeriniai metodai efektyvūs distancinei degimo produktų diagnostikai, vėjo krypties nustatymui. Pagaliau kiekviename kompaktinių diskų grotuve bei prekių brūkninio kodo nuskaitymo aparate taip pat panaudojamas lazeris. Taip, kad lazeriai iuo metu pritaikomi labai įvairiose srityse ir ių sričių pilna ap˛valga 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 koherentikumas, kuriuo jie labai pranoksta kitus viesos altinius, bei didelė galia. Daugumai taikymų svarbiausia charakteristika yra ma˛a lazerio pluoto skėstis, kas įgalina sufokusuoti pluotą į labai ma˛ą dėmę, o, esant didelei lazerio galiai, sufokusuotame pluote gauti didelį intensyvumą ar galios tankį.

2. Lazerinis med˛iagų apdirbimas

Greitai po impulsinių lazerių atsiradimo, tyrėjai pastebėjo, kad lazerio spindulys gali tirpdyti ir igarinti nedidelius med˛iagos kiekius. Tam paprastai reikėjo sufokusuoti lazerio pluotą ant med˛iagos paviriaus. Vėliau atsiradus didelės galios (P>100 W) lazeriams jie rodo platų pritaikymą technologijoje ir med˛iagų apdirbime suvirinant, pjaustant, grę˛iant, legiruojant bei apdirbant med˛iagų pavirių. To pasekoje 70 metų prad˛ioje lazerinė technologija pradėta perkelti i laboratorijų į pramoninius cechus. Tolimesniam lazerinės technologijos vystymuisi padėjo daugiakilovatinių CO₂ lazerių sukūrimas, kurių dėka atsirado galimybė apdirbti med˛iagas su 'giliu ilydimu'. Jei iki tol lazerinis apdirbimas buvo taikomas metalams, kurių storis <0,2 cm tai dabar 'gilus ilydimas' leido apdirbti daug storesnius metalų sluoksnius (net iki 5 cm).

Jau 1970 metų viduryje eilėje technologinių operacijų (rezistorių derinimas, skylių gre˛imas 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 velaus augimo lazerinė technologija vis dar įkvepia mokslininkus ir pramoninius vartotojus. To prie˛astis platus panaudojamumas ir skaitlingos galimybės lazerių taikymui. Didėjantis pasitikėjimas ios technologijos perspektyvumu ir ekonominė nauda greitina jos skverbimąsi į iuolaikinę visuomenę. Lazerinių technologijų skverbimąsis iuo metu yra sąlygojamas tiek mokslinių tyrimų, kuriančių vis tobulesnius lazerius ir tobulesnes lazerines technologijas, tiek ir didejančių pramonės poreikių. iuo metu lazerinių technologijų reikmė didėja beveik visose gamybos srityse, tačiau pagrindinės lazerių panaudojimo sritys gamyboje yra suvirinimas, grę˛imas ir ˛enklinimas mikroapdirbime, bei takinis ir siūlinis suvirinimas ir pjaustymas makroapdirbime. I 2.1 pav. matosi, kaip plačiai lazerinė technologija panaudojama automobilių gamyboje. iandieniniuose automobiliuose eilė detalių yra gaminamos naudojant lazerius, pagrindinai suvirinant ir pjaustant. 2.2 ir 2.3 pav. pateikti lazerių taikymo pavyzd˛iai makroapdirbime ir mikroapdirbime.

Lazerinių sistemų rinka per pastaruosius deimt metų (1990-2000 metais) pastoviai augo. 2000 metais med˛iagų lazerinio apdirbimo sistemų rinkos vertė virijo 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 ˛enklinimą (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 naesniais ir pigesniais technologiniais procesais.

Lazerio pluoto panaudojimas med˛iagų apdirbime turi sekančius privalumus:

1. ilumos paveikta zona yra labai ma˛a ir tai sąlygoja ma˛esnes detalių deformacijas.

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

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

4. Didelis naumas.

5. Aukta kokybė.

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

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

8. Nėra tiesioginio lazerinių instrumentų isineiojimo.

Bet lazerinei technologijai būdingi ir trūkumai:

1. Didelė įrangos kaina.

2. Pluoto struktūros nestabilumai įtakoja apdirbimo tikslumą.

3. Reikia laikytis specialių saugumo priemonių.

2.1. Fizikiniai mechanizmai

Lazerio energijos panaudojimas med˛iagų apdirbimui pagrįstas lazerio spinduliuotės sugėrimu med˛iagoje. Spinduliuotės prasiskverbimas į med˛iagą apraomas lygtimi:

, (2.1)

čia E(x) - energija praėjusi med˛iagos storį x, E_o - energija krintanti ant paviriaus, R - paviriaus atspind˛io koeficientas, - sugerties koeficientas. Energijos kiekis, sugertas storio sluoksnyje, lygus:

(2.2)

Taigi maksimali energija sugeriama med˛iagos paviriuje ir ji monotonikai ma˛ėja didesniame gylyje. Did˛ioji energijos dalis sugeriama sluoksnyje. Metalams , todėl juose lazerio spinduliuotė sugeriama storio paviriniame sluoksnyje. Sugėrimas pagrindinai vyksta dėl sąveikos su elektronais. Sugėrę kvantą elektronai peroka į auktesnį su˛adintą lygmenį, bet labai greitai (per <) praranda ią energiją dėl smūgių. To pasekoje sugerta energija virsta gardelės virpesių energiją t.y. iluma (tik labai trumpų impulsų atveju elektronai gali nespėti perduoti energijos gardelei). Praktikai lazerinį spinduliavimą galima nagrinėti kaip ilumos altinį patalpintą detalės paviriuje ar arti jo. 2.5 pav. schematikai pateikti kai kurie fizikiniai procesai vykstantys esant lazeriniam kaitinimui. Viruje rodyklėmis pa˛ymėta lazerio spinduliuotė, krentanti ant apdirbamo paviriaus, apačioje pateiktas temperatūros profilis (T) įvairiuose med˛iagos gyliuose. I prad˛ių spinduliuotė sugeriama paviriuje. Ilginant apvietimo laiką temperatūra pakyla iki lydimosi temperatūros (2.5 b pav.) ir lydinio frontas pradeda skverbtis gylin į med˛iagą (u˛brūkniuota sritis). Po to kai paviriaus temperatūra virija garavimo temperatūrą , virutinis med˛iagos sluoksnis pradeda garuoti, o lazerio spinduliuotė pradedama sugerti vėl atsidengiančiuose sluoksniuose. 2.5 c pavyzdyje punktyru pavaizduotas pradinis med˛iagos pavirius. Toliau trumpai ap˛velgsime pagrindinius procesus.

A. Lazerinis pavir iaus kaitinimas

Apytikrę detalės paviriaus temperatūrą laiko momentu , pradėjus jį vitinti erdvikai vienalyte lazerio spinduliuote momentu , galima rasti i lygties:

(2.3)

čia - pradinė temperatūra, - krentantis srautas, - iluminio laidumo koeficientas, k - temperatūrinio laidumo koeficientas. Temperatūrinio laidumo koeficientas gali būti ireiktas per med˛iagos iluminio laidumo koeficientą, specifinę ilumą c ir tankį , t.y. . iluminė energija i paviriaus perduodama į gilesnius sluoksnius dėl iluminio laidumo. Paviriaus temperatūra auga kaip aknis i apvitinimo laiko t. Sąryis (2.3) galioja kol neprasidėjo sluoksnio lydimas.

Lazerinėje technologijoje svarbus atspind˛io koeficientas R, rodantis kokia krintančios spinduliuotės dalis atsispindės ir nedalyvaus kaitinime. Metalų atspind˛io koeficientas stipriai priklauso nuo spinduliuotės bangos ilgio, ˛ymiai iaugdamas tolimoje IR srityje (2.6 pav.). Sugėrimo koeficiento (1 - R) reikmės aliuminiui, gele˛iai ir nikeliui ties keletu viesos bangos ilgių pateiktos 2.1 lentelėje. Ties CO₂ lazerio bangos ilgiu (1,06 mm) daugumos metalų atspind˛io koeficientas virija 97 % t.y. nenaudijant jokių papildomų priemonių kaitinimui pradiniu momentu panaudojama tik 2-3 % krintančios spinduliuotės galios. Metalų sugertis did ja 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). iuo at˛vilgiu trumpesnio bangos ilgio lazeriai yra perspektyvesni dėl didesnės jų spinduliuotės sugerties. Be to, sugėrimo (1 - R) reikmės priklauso nuo temperatūros ir kinta apvitinimo metu kartu su temperatūros kitimu (2.7 pav.). Daugumos metalų atspindys didėjant temperatūrai ma˛ėja ir tai sąlygoja greitesni paviriaus kaitimą. 2.7 pavyzdyje pateiktas nerūdyjančio plieno paviriaus temperatūros augimas pastovaus ir ma˛ėjančio atspind˛io koeficiento atveju.

2.1 lentelė. Metalų sugerties koeficientai ties kai kuriais bangos ilgiais

	mm	mm	mm	mm
Aliuminis
Gele˛is
Nikelis

B. Pavirinis lydimas

Pakankamai ilgai vitinant apdirbamą pavirių jo temperatūra pakyla iki lydimosi tako ir prasideda paviriaus lydimas. Tam reikalingas apvitinimo laikas :

(2.4)

Daugumai metalų ir galingų lazerių t sudaro nuo kelių nanosekund˛ių iki mikrosekund˛ių. Pasiekus lydimosi temperatūrą, sugerta energija pradedama naudoti paslėptai lydimosi ilumai kompensuoti. Riba tarp kietos ir skystos fazės pradeda slinkti į med˛iagos gilumą. Suvirinimo metu reikia, kad i riba įsiskverbtų per visą apdirbamos detalės gylį, dar iki to kol prasidės igarinimas nuo paviriaus.

C. Giluminis lydimas

Po to kai lazerio energija yra sugerta apdirbamame paviriuje, ji pradeda sklisti gylin į med˛iagą dėl iluminio laidumo. Gylis D, į kurį perduodama dėl iluminio laidumo sugerta paviriuje energija, per laiką t aproksimuojama iraika:

(2.5)

Pavyzd˛iui metalui su k=1,0 cm/s (santykinai didelė temperatūrinio laidumo koeficiento reikmė) per laiką 2,5 ms iluminė energija prasiskverbia į 0,1 cm gylį. Taigi iluminės energijos prasiskverbimo gylis gana ribotas. Su ma˛os galios lazeriais paprastai suvirinamos detalės, kurių storis 2-3 mm, nes impulso metu iluma neįsiskverbia giliau. Naudojant nuolatinės veikos lazerius įsiskverbimo gylį galima padidinti, bet suvirinimo greitis smarkiai suma˛ėja ir be to iluma isisklaido ir kitomis kryptimis. Taigi prarandamas lazerinio apdirbimo privalumas - lokalus ildymas.

Tačiau atsiradus CO lazeriams su nuolatine galia P>5 kW pastebėta, kad lydimo metu pasireikia kitas fizikinis procesas - tai dėl didelio energijos padavimo susidaranti kaverna, kurios dugne ir sugeriama energija. iuo atveju lydimo zonoje kartu su ilydytu metalu susidaro metalo garų ir dujų miinys, kuris plėsdamasis metalo lydinyje padaro kanalą krentančios spinduliuotės kryptimi (2.8 pav.). Kaverna juda gylin į med˛iagą ir leid˛ia apdirbti detales, kurių storis 25 mm ir daugiau. Ilydytas metalas juda link u˛pakalinio pluotelio 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 ilydytoje kiaurymėje.

D. Pavirinis garavimas

Temperatūrai paviriuje pasiekus virimo taką prasideda garavimas ir paviriuje susidaro krateris. Esant spinduliuotės intensyvumui <10⁸ W/cm² igarinta med˛iaga paalinama dėl konvekcijos nesąveikaudama su spinduliuote. iuo atveju lazerio spindulys skverbdamasis gilyn į kraterį yra sugeriamas garuojančio sluoksnio.

Jei med˛iagos paalinimas dėl konvekcijos stabilizuojasi tai paviriaus gilėjimo greitis v gali būti ireiktas:

(2.6)

kur L_g - specifinė garavimo iluma; - med˛iagos tankis. Praktikoje da˛ni atvejai kai didesnė med˛iagos dalis i kraterio neigaruoja, o yra imetama skystoje būsenoje.

E. Plazmos susidarymas ir smūginės bangos

Toliau didinant lazerio galią igaravusi med˛iaga pradeda sugerti spinduliuotę, įkaista ir jonizuojasi. To pasekoje arti apspinduliuojamo paviriaus susidaro sugerianti plazma, kuri pradeda sklisti iilgai spindulio link lazerio. is reikinys vadinamas sugėrimo banga palaikoma lazerio spinduliavimo. Ji pasireikia kaip viečiantis rutulys atsirandantis ant paviriaus ir judantis link lazerio. Lazerinio impulso metu gali atsirasti daugybė tokių bangų. is reikinys atsiranda prie tam tikro spinduliuotės srauto tankio. Plazmos susidarymas pradeda ekranuoti apinduliavimą, nes joje vyksta spinduliuotės sugėrimas ir vis ma˛iau energijos patenka ant apdirbimo paviriaus. Kadangi sugėrimo banga dėl sugėrimo plazmoje yra besiplečianti auktatemperatūrinė plazma ji pradeda spausti pavirių. Dėl to atsiranda smūginė banga med˛iagoje ir tai gali pa˛eisti apdirbamą detalę. Todėl is rė˛imas 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 med˛iagų apdirbimo įrenginiuose

3.1.Lazerio pluoto parametrai

Pagrindiniai lazerio parametrai svarbūs med˛iagų apdirbime pateikti pav. 3-1. Lazeris spinduliuoja tam tikro bangos ilgio intensyvų pluotą, kuris fokusuojamas lęiu į nedidelę dėmelę. Spinduliuotės skestis ir erdvinis pasiskirstymas J(r) priklauso nuo lazerio modinės struktūros. Pagrindinė TEM_oo moda turi Gauso erdvinį pasiskirstymą ir ma˛iausią skėstį lygią:

, (3-1)

kur - pluoto diametras, apibrė˛iamas kaip dvigubas atstumas, kuriame lauko amplitudė suma˛ėja e kartų palyginus su amplitude pluotelio ayje . Skėstis ir panaudojamo lęio ˛idinio nuotolis F apsprend˛ia dėmelės diametrą lęio ˛idinio ploktumoje :

. (3-2)

Minimalus dydis paprastai yra artimas bangos ilgiui. Esant daugiamodei spinduliuotei, lazeris vienu metu spinduliuoja keletą modų, todėl erdvinis pasiskirstymas čia sudėtingesnis ir pluotas jau negali būti sufokusuotas į tokią ma˛ą 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)

Iilginis sąsmaukos matmuo, apibūdinamas kaip atstumas kuriame sufokusuoto pluoto intensyvumas krinta du kart palyginus su taku, kuriame energijos koncentracija maksimali, apibrė˛iamas kaip:

(3-4)

Esant , ir fokusuojant į diametro dėmę, fokusavimo gylis yra , o fokusuojant į diametro dėmę fokusavimo gylis yra . 3-1 lentelėje pateiktos reikmės keliems lazeriams fokusuojant lęiu su . Pateiktos reikmės duoda minimalų sufokusuotos dėmės diametrą, kadangi čia neįskaitytas iplitimas dėl leio aberacijų. Tolstant nuo sąsmaukos Gauso pluotelis 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 i sekančių dalių: lazerio, pluoto nukreipimo ir fokusavimo sistemos bei detalės orentavimo ir keitimo sistemos (3.2 pav.).

Lazeris bendru atveju sudarytas i aktyvaus elemento, kaupinimo altinio, maitinimo altinio, aldymo įrenginio, veidrod˛ių, diafragmų bei moduliatorių. Taip pat naudojama lazerio parametrų kontrolė bei grį˛tamo ryio grandinės ių parametrų valdymui. Optinis izoliatorius apsaugo lazerį nuo suardymo stiprinant spinduliuotę, atsispindėjusią nuo apdirbamos detalės paviriaus.

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

Detalės keitimo sistema skirta detalių pakrovimui transportavimui į apdirbimo zoną bei iėmimui. Lazerio pluotas gali būti dalinamas į keletą pluotų arba nukreipiamas į sunkiai pasiekiamas vietas (3.4 pav.). Bekontaktis apdirbimas supaprastina postūmio sistemą ir leid˛ia 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 isineiojančių 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, med˛iagos

paalinimas

IAG:Nd 1,06 nuolatinis 500 Suvirinimas

IAG:Nd 1,06 impulsinis 200 (vidutinė) Suvirinimas, grę˛imas

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

su modu- derinimas

liuota ko-

kybe

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

su modu- grę˛imas

liuota ko-

kybe

Lazeriniai med˛iagų apdirbimo procesai

Lazerio spinduliuotės intensyvumas ir trukmė, kaip matosi i 2-6 pav. apsprend˛ia proceso tipą: įkaitinimas iki lydimosi temperatūros, lydimas ir garavimas. Terminio poveikio zonos dydis apdirbamas detalės paviriuje pagrindinai priklauso nuo sufokusuoto pluoto diametro, o gylis priklauso nuo med˛iagos iluminio laidumo ir med˛iagos imetimo i poveikio zonos ir todėl gali būti valdomi lazerinės spinduliuotės intensyvumo ir trukmės. Charakteringi įvairiems lazerinio apdirbimo metodams temperatūriniai rė˛imai, reikalingi intensyvumai ir poveikio trukmės pateikti 4.1 lentelėje .

4.1 lentelė

Intensyvumas, Temperatūros Procesas

trukmė rė˛imas

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

10⁶ W/cm²; 0,2 ms Puslaidininkių atkaitinimas

10⁷ W/cm²; 15 ns

10⁶ W/cm²; 1-10 ms T_l < T < T_g Lydimas, legiravimas,

litavimas, suvirinimas

10⁷ W/cm²; 0,1-0,5 ms T > T_g Grę˛imas, pjovimas,

skraibavimas, derinimas

4.1. Terminis apdirbimas prie temperatūrų ˛emesnių u˛ lydimosi temperatūrų

4.1.1. Grūdinimas. Grūdinimas ir atkaitinimas vykdomi esant metalams kietoje būsenoje. Senai ˛inoma, kad jei greitai ataldyti įkaitintą iki raudonumo plieną arba ketų, tai jo kietumas padidės. Juodojo metalo struktūros kitimas pavaizduotas 4.1 pav. Plienas i nemagnetinės būsenos (austenito), kurioje jis yra prie auktų temperatūrų vykstant pakankamai greitam ataldymui, kad vyktų uolis 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 iuo būdu. Lazerinė spinduliuotė trumpą laiką apviečia grūdinamą pavirių. Dėl spinduliuotės sugėrimo ploname paviriniame sluoksnyje isiskyrusi iluma padidina paviriaus temperatūrą aukčiau u˛ austenizacijos taką; iluma isilaiko laiko tarpą, kuris reikalingas angliai, esančiai metale, itirpti. Kaitinimo metu paviriuje formuojasi did˛iausi temeperatūros gradientai. Jų formavimui did˛iausią įtaką turi ilumos nutekėjimas į metalo gilumą. Kaip matosi i 4-2 pie. u grūdinta zona susidaro ikart u˛ slenkančio metalo paviriumi lazerio pluoto.

Lazerinis grūdinimas turi keletą privalumų lyginant su įprastais metodais. Pagrindinis privalumas tai, kad nereikia eikvoti energijos viso med˛iagos tūrio kaitinimui, nes kaitinamas tik plonas pavirinis sluoksnis. iluminio poveikio zona iuo atveju suma˛ėja iki minimumo. Paviriaus deformacijos taip pat minimalios lyginant su kitais grūdinimo būdais. Todėl galimas precizinių detalių grūdinimas. Be to lazerinio grūdinimo metu vidutinė detalės temperatūra pakinta ne˛ymiai. Lazeriniam grūdinimui nereikia specialaus aldymo tokio kaip vanduo ar alyva. Apdirbtos detalės pavirius lieka varus.

Kaip matosi i 4-3 pav. lazerinio grūdinimo procesą galima charakterizuoti spinduliuotės intensyvumu ir apvitinimo laiku. 4-3 pie. kreivės gautos ketui turinčiam 3,5 % anglies ir lydimosi temperatūrą 1200^oC. Kaip matosi kaitinimo gylis ma˛ėja didinant lazerinės spinduliuotės intensyvumą, nes dėl to vyksta greitesnis paviriaus kaitinimas. Bet paviriaus temperatūra grūdinimo metu neturi viryti metalo lydimosi temperatūros. I kitos pusės esant ma˛am spinduliuotės intensyvumui ir dideliam apvitinimo laikui, vyksta didelė termodifuzija į pagrindinę med˛iagą ir tada praeinant lazerio spinduliui temperatūrinis gradientas nepakankamas greitam pavirinio sluoksnio atauimui, kad susidarytų kieta struktūra. Lazerinio kaitinimo greitis artėja prie 10³ ^oC/s, todėl homogeninio austenito formavimas vyksta esant 900^oC ir auktesnei 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 ma˛a, todėl lazeriniam grūdinimui labiausiai tinka plienai ir ketus su homogeniku anglies pasiskirstymu. Greitai austenizacijai būtinos perlitinė arba beinitinė kristalinės struktūros. Plienai su ma˛esne kaip 0,3 % anglies koncentracija paprastai nesigrūdina. Plienai su vidutine ir didele anglies koncentracija optimalūs lazeriniam grūdinimui. Kaip matosi i 4.4 pav. jų maksimalus tvirtumas priklauso nuo anglies koncentracijos. Matai legiruotose plienuose anglies koncentracija taip pat apsprend˛ia jų tvirtumą. Legiruojančių elementų tokių kaip chromas, magnis ar molibdenas koncentracija taip pat įtakoja grūdinimą.

Praktikoje grūdinamo sluoksnio storis nevirija 3 mm, ma˛ėdamas didėjant anglies koncentracijai pliene ir ma˛ėjant plieno lydimosi temperatūrai. Austenizacijos temperatūra esant lazeriniam grūdinimui artūja prie lydimosi temperatūros ir todėl norint kartu sukurti reikalingą temperatūros gradientą yra pasiekiami tik nestorame paviriniame 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 paviriniame sluoksnyje įkaitinamas vir lydimosi temperatūros. Martensito susidarymas yra u˛laikomas ir susidaro martensitas su austenito priemaiomis. Tokios med˛iagos tvirtumas, kietumas ir atsparumas dilimui daug ma˛esnis negu vienalyčio martensito.

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

Lazerinio spinduliavimo erdvinis pasiskirstymas turi tiesinę įtaką ˛grūdintos srities profiliui ir gyliui. Naudojant daugiamodį spinduliavimą, leid˛iantį gauti did˛iausią lazerių galią, tenka naudoti specialias optines sistemas norint sukurti vienalytį intensyvumo pasiskirstymą ant grūdinamo paviriaus. Toks pasiskirstymas vadinamas stačiakampiu arba juostiniu. Jam suformuoti gali būti panaudotos dvi schemos. Viena jų tai segmentinis veidrodis (4.6 pav.). Jis sudarytas i kelių vienodų plokčių veidrod˛ių. Kampas tarp atskirų veidrod˛ių <180^o, todėl jų visuma sudaro įgaubtą pavirių. Be to jie nukreipia spinduliavimą į bendrą taką. Lazerinis spinduliavimas prad˛ioje apviečia visą veidrodį ir dėl to vyksta pluoto dalinimas. Kiekvienas naujai sudarytas pluotelis turi vienodą diametrą atstume nuo veidrod˛io iki ˛idinio ploktumos. Tokiu būdu fokusavimo dėmėje vyksta atskirų pluotelių sudėtis dėl ko jų energija susideda. Be to tokiu būdu panaudojama pluoto energija, kurios tiesiogiai nepakaktų grūdinimui, nes ji pridedama į sufokusuotą dėmelę. Tokiu būdu gaunamas gana vienalytis intensyvumo pasiskirstymas stačiakampėje dėmėje. io metodo trūkumas, kad neįmanoma keisti dėmės matmenų, nes jie priklauso nuo segmentų dyd˛io.

Kitas metodas tai pluoto skanavimas viena arba dviem kryptimis. iuo atveju paprastai naudojamas ilgo ˛idinio nuotolio veidrodis. Skanavimas dviem kryptimis gali būti atliekamas dviem virpančiais ortogonaliomis kryptimis veidrod˛iais. Virpesių da˛nis 100-400 Hz. Tokiu būdu nedidelė dėmelė greitai juda apdirbamas detalės paviriumi kartodama Lisa˛u figūras. Teisingas virpesių da˛nio ir amplitudės parinkimas sukuria apdirbamos detalės paviriuje stačiakampę zoną, kurios ribose juda sufokusuota dėmelė.

Bendru atveju med˛iagos, grūdintos lazeriniu spinduliavimu, mikrostruktūrą galima suskirstyti į 3 zonas: pilnai martensitinė zona, dalinai martensitinė zona ir neu˛grūdinta zona. 4.7 pav. parodytas kietumo kitimas priklausomai nuo gylio pliene prie įvairių spinduliuotės intensyvumų. U˛grūdinta zona turi rykią liniją (4.8 pav.). Taip pat reikia pa˛ymėti, kad u˛grūdintos zonos gylis ma˛ėja prie lazerinio pluoto kratų dėl ilumos nutekėjimo į onus. Didelius pavirius paprastai grūdina kelis kartus praeidami pavirių tokiu būdu, kad lazerinio pluoto keliai dalinai persidengtų. Tačiau jau u˛grūdintos zonos pakartotinas įkaitinimas sukelia grūdinimo atleidimą. Todėl persidengimo srityje gali susidaryti sritys su ma˛esniu kietumu (4.9 pav.). Jei tai nepageidautina naudojami metodai leid˛iantieji apvitinti visą plotą vieno praėjimo metu. Tam gali būti panaudotas cilindrinės detalės sukimas apie aį ir cilindro poslinkis sukimo aies 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 ˛emesnių u˛ 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 auktos temperatūros. Tai atitinkamai sukelia legiruojančių priemaių difuziją, kas riboja puslaidininkinių prietaisų matmenis ir maksimalius datnius. Paskutiniu metu naudojami mikroschemų elementai, kurių dydis , todėl jų atkaitinimas pečiuose neįmanomas. Lazerinis atkaitinimas leid˛ia apeiti daugumą apribojimų būdingų pečiams, atkaitindamas tik pa˛eistą sluoksnį trumpą laiką (_~1 ms), reikalingą persikristalizavimui. Tuo pat metu u˛tikrinamas didelis neėjų judrumas, didelis legiruojančių priemaių tirpumas bei kristalinės struktūros tobulumas. Atkaitinimui prie labiausia tinka argono lazeriai. Reikalingas energijos tankis atkaitinimui yra _~200 J/cm². 100 mm diametro ploktelė naudojant 40 W argono lazerį atkaitinama per _~7 min.

4.2. Lazerinis apdirbimas prie temperatūrų auktesnių u˛ 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 ilumos nutekėjimo i lydinio-metalo ribos. Ilydyto sluoksnio storio priklausomybė nuo lazerinio spinduliavimo intensyvumo ir trukmės pateikti 4-9 pav. Lazerinis perlydymas leid˛ia gauti naują, ypatingai tvirtą, ma˛ai dilantį pavirių. Dėl didelio paviriaus įtempimo veikiančio ilydytą metalą, gaunamas labai lygios dangos. Papildoma med˛iaga, u˛neta ant metalo paviriaus, lazerinio lydimo metu gali legiruoti pavirinį sluoksnį ir suteikti pagrindinei med˛iagai naujas savybes pav. korozijinį atsparumą.

4.2.2. Lazerinis mikrolitavimas. Mikroschemų ir mikroschemų korpusų vietinis lazerinis mikrolitavimas leid˛ia automatizuoti į procesą. Takinis ir gerai kontroliuojamas įkitinimas apsaugo nuo jautrių elementų pa˛eidimo ir lydmetalio perkaitinimo. Lituoti kontaktai neveikiami mechaninių įtempimų ir turi vienodus elektrinius parametrus. Lazerinis spinduliavimas įkaitina lydmetalį iki temperatūros auktesnės u˛ lydimosi temperatūrą, tuo sudarydamas gerą kontaktą lapinimą ir paalindamas fliusą nuo jų. CO₂ lazeris yra optimalus iam procesui. Litavimas aliekamas ma˛iau nei per 0,3s. Spindulys paprastai valdomas i komjuterio.

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

4.2.3. Puslaidininkių atkaitinimas. Lazerinis paviriaus lydimas taip pat naudojamas puslaidininkių defektų atkaitinimui. Persikristalizavimas skystoje fazėje vyksta labai greitai ir turi įtakos kristalinei gardelei; implantuotos priemaios ilydytame sluoksnyje persiskirsto. Si sluoksniui ilydyti reikalingas _~15 ns ir 3^.10⁷ W/cm²impulsas. Konkretus intensyvumas labai priklauso nuo spinduliavimo sugerties puslaidininkyje. Naudojami YAG:Nd, rubino, aleksandrito ir argono lazeriai.^.Polikristalinio sili io sluoksnio lazerinis ilydimas sukelia jo kristalų u˛augimą iki 1 m. Dėl to jo var˛a gali padidėti 10⁴ karto.

4.2.4. Lazerinis suvirinimas. Tai iuo metu plačiausiai naudojamas lazerinis technologinis procesas. Gera kokybė ir minimalus aplink esančios med˛iagos įkaitinimas leid˛ia plačiai taikyti į metodą. Naudojamas takinis, silinis bei u˛dėtos 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 ilydimu daugumai metalų K=8. iuo atveju didėjant lazerinės spinduliuotės galiai, med˛iaga pradeda garuoti veikiamoje srityje sudarydama siaurą gilų kanalą. Kanalo matmenys priklauso nuo spinduliavimo intensyvumo, garų slėgio ir apdirbamos med˛iagos. Minimalus suvirinimo tako 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 pluoto atlenkimo arba dėl detalės perstumimo. Priklausomai nuo med˛iagos ir siūlės gylio suvirinimas gali būti vykdomas su 0,1-10 cm/s greičiu (4.11 pav.). Didėjant suvirinimo siūlės pločiui (kuris keičiamas sufokusuoto pluoto diametru), suvirinimo greitis ma˛ėja. Lazerinis suvirinimas naudojamas svarbių detalių, naudojamų medicinoje, energetikoje, elektronikoje ir kitur, gamybai kai būtinas tiek i vieno metalo tiek i įvairių metalų pagamintų detalių suvirinimas, folgų ir laidų suvirinimui, miltelių sukepinimui, stiklo ir plastmasių suvirinimui.

4.3. Lazerinis apdirbimas prie temperatūros auktesnės u˛ garavimo temperatūrą

Spinduliuotės intensyvumo didinimas sukelia metalo garavimą ir lydinio ineimą i apdirbimo zonos. is reikinys gali būti panaudotas, bet kuriame procese kur reikia paalinti med˛iagą pav. gre˛ime, pjovime, skraibavime, derinime, dinaminiame balansavime. Lazeriniai įrenginiai pasirodė nepakenčiami apdirbant kietas ir trapias med˛iagas, tiek metalus, tiek nemetalus. Detalių apdirbtų lazeriu kokybė priklauso nuo terminio poveikio zonos matmenų bei imetamų produktų persiskirstymo.

4.3.1. Grę˛imas. Lazerinis grę˛imas plačiai naudojamas serijinėje gamyboje dėl galimybės su dideliu tikslumu ir greičiu daryti ypač ma˛o diametro skyles. Lazeris lengvai grę˛ia laikrod˛ių guolius, kuro purktuvus, aldymo angas turbinose, graviruojančių formų gardeles, ekraninius ablonus ir kitką. Be to jie grę˛ia ypač ma˛as skylutes bei siauras ir ilgas aldymo angas su dideliu pasikartojimu. Naudojant keletą lazerio impulsų, skylės gylio ir diametro santykis gali būti K > 10 kai su vienu impulsu igre˛tos skylės grę˛iamos skenuojančiu lazeriniu spinduliu (tai vidinio apskritimo ipjovimas). Med˛iagos su ˛ema lydimosi temperatūra gali būti grę˛iamos moduliuotu lazeriniu spinduliavimu sudarytų i trumpų impulsų (_~0,3 s). Med˛iaga paalinama pasluoksniui. io proceso metu praktikai nepa˛eid˛iama arti esanti med˛iaga. Su lazerio spinduliu praktikai galima grę˛ti visas med˛iagas svarbu tik kad sugerta spinduliutės galia būtų pakankama med˛iagos igarinimui.

4.3.2. Pjovimas, skraibavimas, skaldymas. Lazerinis spinduliavimas su pasisekimu naudojamas ypač ploniems pjūviams gauti be aplinkinės med˛iagos įkaitinimo bei kietų, trapių ir technikai 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 purktuvai. Jie paprastai yra koaksialiniai arba vienaaiai su fokusavimo sistema. Purkiamos dujos pirmiausia apsaugo lęius nuo imestų i apdirbamos detalės med˛iagų, o antra priklausomai nuo poreikio arba apsaugo med˛iagą nuo oksidavimo arba inicijuoja cheminę reakciją. Apsaugai nuo oksidacijos naudojamas argonas arba azotas. Tai būtina, kad neu˛sidegtų tokios med˛iagos kaip kartonas, tekstilė, medis, plastmasės. Tačiau pjaustant daugumą metalų būtina panaudoti oksidacijos energiją, kuri isiskiria pučiant į apdirbimo zoną deguonį. iuo atveju pjovimo kokybė daugiau priklauso nuo deguonies srauto negu nuo lazerio spinduliuotės parametrų. Pjovimo greitis iuo atveju gali padidėti 2-3 kartus plienui ir 10 kartų titanui.

Impulsinis-periodinis arba moduliuotas lazerio spinduliavimas naudojamas keraminių ploktelių hibridinėms schemoms bei stiklo ir puslaidininkinių ploktelių skraibavimui ir pjaustymui. Aukta lazerinio pjovimo kokybė ir galimybė programikai valdyti lazerinius įrenginius suteikia jiems pirmenybę palyginus su kitomis pjovimo staklėmis. Lazerinis pjovimas naudojamas sudėtingo kontūro ablonų pjovimui i plonų folijų, popieriaus, plastmasių, tekstilės, med˛io. Be to lazeriniu spinduliavimu pjaustomos kietos ir kompozicinės med˛iagos.

Ma˛ų med˛iagos kiekių paalinimo 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 ioriniai spausdinimo įrenginiai su didesniu spausdinimo greičiu ir didele riftų įvairove. ių reikalavimų paprasti klaviiniai spausdinimo įrenginiai jau nebetenkino, todėl buvo sukurti naujos kartos spausdinimo įrenginiai panaudojantieji elektrofotografinį metodą vietoje smūginio kontaktinio. Jie buvo pavadinti lazeriniais spausdinimo įrenginiais, kadangi viesos altiniu 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 riftų. Tačiau sudėtingesni spausdinimo įrenginiai turi imtus riftų ir jų skaičius priklauso tik nuo spausdinimo įrenginio atminties apimties.

3. Padidėja spausdintų ˛enklų kokybė, todėl galima naudoti sum˛intų nuo 2,5x4,2 mm iki 2,1x3,2 ir net iki 1,7x2,1 mm matmenų riftą . 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 pavirius padengtas specialiu fotolaid˛iu sluoksniu, kuris tamsoje turi didelę var˛ą. viesoje var˛a krinta. Būgno pavirius įelektrinamas ir po to įelektrintas pavirius prasūkamas per eksponavimo įrenginį. Tuo momentu informacijos perneimui yra atvira tik dalis būgno. Eksponavimas vykdomas lazerio spinduliu praėjusiu per simbolių generatorių, kuris gauna informacija i kompjuterio. (Kai kuriuose lazeriniuose spausdinimo įrenginiuose yra ir antras eksponavimo kanalas, kuris perduoda da˛nai naudojamą informaciją (firmų ˛enklus, lenteles ir kt.) nuo kopijavimo aparato. Juose vienu metu galimas eksponavimas abiem būdais). Eksponuota būgno dalis ilaiko krūvą tuo metu kai kitas pavirius isielektrina. Rykinančiame įrenginyje yra elektrostatikai įelektrintas da˛as, kuris specialiu įtaisu paduodamas ant būgno paviriaus. Da˛as nusėda ant eksponuotų būgno dalių. Tuo metu transportuojantis įrenginys paima popierių ir nunea į perneimo įrenginį. Transportavimo metu popierius įgauna elektrinį krūvį, kuris yra prieingas da˛o krūviui. Dėl to da˛as yra perneamas ant popieriaus. Da˛o perteklius paalinamas valančiu įrenginiu. Fotolaidus būgnas ielektrinamas ilyd˛io įrenginyje. Po to procesas kartojasi i naujo.

Informacija, kurią reikėjo atspausdinti dabar yra perneta ant popieriaus, ieinančio i perneimo įrenginio. Tačiau da˛as dar netvirtai sukibęs su popieriumi. Todėl popierius pereina per įrenginį, kur da˛as lydosi ir ritinėliu yra įspaud˛iamas į popierių. Tuo spausdinimas baigiasi ir popierius automatikai sudedamas.

Simbolių formavimas

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

Lazerinis simbolių formuotuvas

I kompjuterio informacija per spausdinimo įrenginio interfeisą patenka į simbolių formuotuvą. Formuotuvas skirtas elektrinį signalą, gautą i elektroninių blokų, keitimui į optinį vaizdą. Jo funkcinė schema pateikta 5.3 pav. Lazerio spindulys atspindimas nejudančiu veidrod˛iu į optinį modulį. Spindulys praeina per lęių sistemą į akustooptinį atlenkimo įrenginį, kurį praėjęs per kitą objektyvą patenka ant daugiabriaunio veidrod˛io. Daugiabriaunis veidrodis atspindį spindulį horizontalioje ploktumoje ant papildomų nejudančių veidrod˛ių, kurie nukreipia jį ant fotolaidaus būgno. Spindulys atsispindėjas nuo daugiabriaunio veidrod˛io, slenka besisukančio būgno paviriumi _~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 kompaktiki 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 takuose galime u˛rayti 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 ma˛ėja. Todėl prad˛ioje pagrindinai buvo naudojami He-Ne ir He-Cd lazeriai. Dabartiniu metu sukūrus patikimesnius ir galingesnius puslaidininkinius lazerius bei imokus 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; - viesos bangos ilgis vakume; P_a - akustinio signalo galia; l - akustooptinės sąveikos ilgis, H -akustooptinio moduliatoriaus plotis.

I 5.4 pav. matosi, kad difragavusio spindulio intensyvumas kinta priklausomai nuo akustinės bangos galios. Ir būtent akustiniam keitikliui paduodamo signalo keitimas leid˛ia moduliuoti atlenkto ir praėjusio spindulio intensyvumą. Praėjęs spindulys negali būti pilnai u˛darytas, todėl kaip raantis spindulys naudojamas tik difragavęs spindulys, nes tik jo intensyvumas gali būti keičiamas nuo _~0,3 I_o iki 0. Norint pasiekti didelį difragavusios bangos efektyvumą reikia, kad viesos banga kristų Brego kampu tenkinančiu (5-1) sąlygą. Keičiant akustinės bangos da˛nį keičiame akustinės bangos ilgį ir dėl to kinta atlenkimo kampas.

Kai kuriuose lazeriniuose spausdinimo įrenginiuose gali būti vienu metu su˛adinama 6 akustiniai da˛niai ir lazerio spindulys difraguoja į 6 spindulius, sklindančius truputį besiskiriančiomis kryptimis. Praėję fokusavimo sistemą spinduliai fokusuojami ant fotolaidaus būgno i karto u˛rao 6 eilutes. Tuo pačiu daugiabriaunio veidrod˛io sukimo greitis gali būti suma˛intas 6 kartus.

Dėl to kad atstumas iki būgno paviriaus įvairiose vietose skiriasi, jo kompensavimui naudoja koreguojančius cilindrinius lęius. Be to skanavimo greitis iilgai būgno nevienodas, nes atstumas iki būgno nevienodas. Tai atliekama su laikinės u˛uolaidėlės pagalba arba su tuo pačiu koreguojančiu lęiu. Jei vaizdas raomas 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

Ma˛a lazerių spinduliuotės skėstis ir monochromatikumas leid˛ia 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 viesos bangoms yra daug ma˛esnė negu radijo bangoms. Impulsinio toliamačio funkcinė schema analogika radijolokatoriui. Atstumas D tokiuose toliamačiuose nustatomas i u˛laikymo tarp atraminio ir atspindėto nuo objekto impulso:

(6.1)

čia c - viesos greitis, - u˛laikymo laikas. U˛laikymo laikas matuojamas specialiais įrenginiais, kuriuose panaudojami chronuojantis (sekantis vienas po kito vienodu laikiniu intervalu) impulsai. Atstumo nustatymo tikslumas iuo atveju yra:

(6.2)

čia - u˛laikymo nustatymo paklaida.

Optinis siustuvas-imtuvas

Ma˛a lazerinės spinduliuotės skėstis leid˛ia matuojant ma˛us atstumus apseiti be papildomų perduodančios sistemos elementų. Matuojant didelius atstumus lazerinio toliamačio siustuvas turi turėti kolimuojančią optiką. Priimanti optinė sistema naudojama atspindėtos nuo objekto viesos surinkimui ir fokusavimui į fotoimtuvą. Paprasčiausia ir patikimiausia nuo foninio u˛vietimo yra schema su atskirtais perdavimo ir priėmimo kanalais. Toliamačių optinės schemos yra teleskopinės, iplėsdamos lazerinį pluotą jos suma˛ina jo skėstį 10-20 kartų. Fotoimtuvais toliamačiuose yra fotodaugintuvai ir fotodiodai. Impulsiniuose toliamačiuose da˛niausia vartojami ir rubino lazeriai . Jų parametrai pateikti 6.1 lentelėje.

6.1 lentelė

P_i, W Q, ' O_pr, cm ,ns N_f 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

ia P_i - siustuvo galingumas; Q - pluoto skėstis; O_pr - priimančio objektyvo diametras; - impulso trukmė; N_f - vidutinis fotoelektronų skaičius per stebėjimų intervalą; k() - energijos susilpninimo koeficientas praeinant vienetinį ilgį. Tolis kuriame veikia toliamatis priklauso nuo signalo sugėrimo atmosferoje. Dėl atbulinio ibarstymo signalas taip pat silpnėja, nes registruojamas triukmas ma˛ina naudingą signalą. Atbulinis ibarstymas fotoimtuve sukurs triukmus, kurių galia lygi:

^(6.3)

čia Ps - siustuvo galingumas; f() - funkcija įskaitanti ibarstytas viesos nevienalytį pasiskirstymą, d_o - objektyvo diametras, siustuvo ir priimtuvo kanalų pralaidumas, - impulso trukmė, D_i - atstumas iki ibarstančio atmosferos sluoksnio.

Silpninimas atmosferoje. Iki 3 km vir jūros lygio aukčiui aerozolinis ibarstymas yra didesnis lyginant su molekuliniu sugėrimu. Jis gali būti ireiktas:

(6.4)

čia S_j- auktis vir 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 paviriaus plotas, - siustuvo skėstis, - ibarstyto spinduliavimo skėstis. Pav. prie d_o=20 cm, esant ir atstumui D=15 km dėl geometrinio silpninimo atgal priimama tik 0,54 % ispinduliuoto galingumo.

Lazerių toliamačių maksimalus matuojamas atstumas, skaitant, kad objekto matmenys ma˛i palyginus su atstumu iki objekto ir objektas perspinduliuoja energiją kaip takinis altinis, yra:

(6.6)

čia - objekto atspind˛io koeficientas, k_r - atspindėto signalo erdvinio pasiskirstymo koeficientas. Įskaitant fotoimtuvų ribinį jautrį, optimalį signalo ir triukmo santykį, natūralaus fono spinduliavimo rykį yra sudarytos monogramos, i kurių galima nustatyti D (6.3 pav.).

Naudojant moduliuotos kokybės impulsus su energija 10-300 mJ ir trukme 10-40 ns galima imatuoti atstumus iki ma˛ų matmenų taikinių, esančių u˛ 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 da˛nis, 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. ˇinant tikslų atstumą iki taikinio galima audyti daug tiksliau. Pav. lėktuvinis toliamatis leid˛ia 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. Da˛niausia toliamatyje kartu yra ir ˛iūrėjimo vamzdis, per kurį irenkamas taikinys.

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

Dirbtinių ˛emės palydovų sekimas. Tam naudojami papildomi retro reflektoriai pritvirtinti prie palydovų. Tada krentantis pluotas 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 iose sistemose lazeriai su didesne impulso energija (impulsinė galia 5-30 mW). Kartu naudojama ir atstumui iki mėnulio nustatyti. Matavimų tikslumas +40cm.

Artilerijos ir aunamųjų ginklų audymo imitatoriai. iuo atveju lazeris pritvirtinamas ir istatomas, kad būtų lygiagretus pabūklo ar autuvo aiai. Ir vietoje ūvio iuo atveju suveikia lazeris ispinduliuodamas impulsą, kuris registruojamas fotojautriame stende. Imitatoriai naudojami mokymo tikslams. Tai leid˛ia greičiau imokti nutaikyti ir be to sutaupo audmenis.

7. Optinis informacijos u˛raymas. Video diskai ir kompaktiniai diskai

Viena i aktualių iandienos problemų tai didelių informacijos kiekių saugojimas su galimybe greitai ją nuskaityti. Be to būtina galimybė kreiptis į atitinkamą informacijos segmentą. iuos reikalavimus patenkina optinis informacijos u˛raymas ir saugojimas ant video diskų, kai informacija u˛raoma atriai 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. ˇema kaina.

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

7.1 pav. pateikta struktūrinė optinės ˛raymo ir nuskaitymo sistemos schema. U˛raymui lazerio spindulys praleid˛iamas per moduliatorių (elektrooptinį arba akustooptinį), kuriame spindulio intensyvumas keičiamas priklausomai nuo įeinančio elektrinio signalo. Moduliuotas lazerio spindulys plečiamas taip, kad jis pilnai u˛pildytų fokusuojančio lęio apertūrą. is lęys fokusuoja lazerio pluotą į labai ma˛ą (ma˛esnę u˛ ) dėmelę registruojančios terpės paviriuje. Kadangi spindulio intensyvumas yra moduliuotas tai informacija bus u˛raoma takelyje dėmelių seka.

Nuskaitymui naudojamas nemoduliuotas to pat lazerio spindulys tik ma˛esnio intensyvumo, kad nepa˛eistų anksčiau padaryto u˛rao. Jis slenka tuo pačiu takeliu, kuriuo slinko u˛raantis spundulys. viesa, atsispindėjusi nuo u˛raytų dėmelių, surenkama lęiu ir prąėjusi antrą kartą ploktelę ir atsispindėjusi nuo poliarizacinio viesos daliklio nukreipiama į fotoimtuvą, kuris paverčia ją į elektrinį signalą t.y. pradinį u˛rao signalą, kuris buvo panaudotas spindulio moduliacijai. Lazerio dėmelės padėtis disko paviriuje keičiama radialinio postūmio karetėlė ir sekančiu veidrod˛iu. Radialinio postūmio karetėlė, valdoma elektromotoro, gali judėti taip kad bus gaunami arba spiraliniai arba koncentriniai apskritiminiai u˛raymo takeliai. Nuskaitant karetėlė naudojama grubiam nuskaitomo takelio radimui, o sekantis vaiedrodis u˛tikrina tikslų io takelio irinkimą, jo sekimą ir informacijos nuskaitymą.

Apraomos schemos praktinei realizacijai būtina gana tiksli mechanika, kadangi diskas sukasi ir jo paviriaus muimai sukelia lazerio pluoto isifokusavusią, o nuskaitant u˛raytas takelis taip pat virpa lęio aies at˛vilgiu. Todėl reikalinga labai tiksli mechanika kas brangu ir sudėtinga arba reikalingas disko poslinkių sekimas, dviejų servomechnizmų pagalba: vienas i jų kontroliuoja fokuso padėtį, o antras u˛raymo takelio padėtį. Be to reikalingas dar vienas servomotoras norint palaikyti pastovų disko sukimosi greitį (S), kad u˛tikrinti 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 lęį su tikslumu u˛tenkamu ių netikslumų korekcijai.

Atstumą tarp disko ir lęio su pakankamu mechaniniu tikslumu galima ilaikyti pakabinus lęį ant oro pagalvės vir optinio disko arba optinį diską ant oro pagalvės vir lęio. Tačiau to dar neu˛tenka, todėl būtinas disko muimų sekimas su anksčiau minėtais servovarikliais. Besisukant diskui 30 aps/s datniu disko muimo da˛nis bus nuo 30 Hz iki _~100 Hz. Efektyvų padėties keitimą tokiu da˛niu galima vykdyti su mechanizmu naudojamu elektrodinaminiuose garsiakalbiuose. Tam ant lęio apsukama ritė ir visas blokas patalpinamas pastovaus magneto viduje. Rite tekanti srovė keičia padėtį taip kaip jis priverčia judėti difuzorių garsiakalbyje. Objektyvo lęio ˛idinio nuotolis paprastai yra 3-5 mm.

ˇidinio padėties bei takelio padėties korekcijos signalai yra gaunami naudojant optinius daviklius. Optiniuose davikliuose paprastai stebimas sufokusuotas dėmelės ar jos formos kitimas ˛idinio ploktumos aplinkoje. Praktinėse schemose tam naudojamas astigmatinis lęys fokusuojantis atspindėtą nuo optinio disko viesą ant kvadrupolinio detektoriaus. Kai objektyvas yra tiksliai sufokusuotas ant disko, atspindėta viesa yra tiksliai sufokusuota ant kvadrupolinio detektoriaus, todėl turi apvalią formą ir paklaidos signalas (A+C)-(B+D)=0 (7-3 pav.). Esant atstumui nuo lęio iki disko didesniam ar ma˛esniam u˛ ˛idinio nuotolį paklaidos signalas bus didesnis ar ma˛esnis u˛ nulį. Tai leid˛ia ˛inoti į kurią pusę turi būti slenkamas lęys.

Takelio padėties turi būti kontroliuojama su dar didesniu tikslumu net iki 0,1 . Takelio padėties kontrolei galima panaudoti pvz. 2 spindulius, kurie juda takelio kratu (7.4 pav.). Įvykus poslinkiui nuo takelio centro, atsispindėjusių pluotelių intensyvumui isiderins ir tai rodis, kad takelis pasislinko į kurią tai pusę. io poslinkio kompensacijai naudojamas sekantis veidrodis (~3 mm diametro), patalpintas ant galvanometro pakabinimo, ir galintis keisti pluoto kryptį 1-3^o kampu su 30 Hz da˛niu, o ma˛esniu kampu su dar didesniu da˛niu.

Informacijos u˛raymui svarbiausi sistemos parametrai yra atsimenančios terpės talpa ir u˛raymo greitis. Atsimenančios terpės talpa priklauso nuo duomenų bitų skaičiaus viename takelyje ir takelių skaičiaus diske. Informacijos u˛raymo tankis iilgai takelio priklauso nuo u˛raytos srities minimalaus dyd˛io ir moduliacijos kodavimo būdo. Pilnas takelių skaičius priklauso nuo disko diametro ir atstumo tarp takelių, kuris turi būti pakankamas kry˛minių triukmų suma˛inimui iki maksimalaus leid˛iamo lygio. Imant, kad informacijos kodavimo būdas reikalauja 1 bito u˛raytai dėmei, o kry˛miniai triukmai reikalauja, kad takelių tankis būtų 1/3 u˛raymo tankio iilgai takelio, pilnas bitų skaičius kuris gali būti u˛raytas ant optinio disko bus lygus:

, (7-2)

čia d- u˛raytos dėmės diametras, ir -atitinkamai did˛iausias ir ma˛iausias u˛rayto takelio diametras.

Imant gauname, kad

, (7-3)

ia - matuojamas mikronais.

Duomenų u˛raymo greitis R lygus:

(7-4)

ia S - disko sukimosi greitis. Čiuo metu S, ribojamas disko med˛iagos patvarumo ir servomechanizmų reakcijos greičio yra 30 aps/s.

Imant gauname

R = (14,4/10⁶)/(d_o) bitų/s, (7-5)

čia - matuojamas mikronais.

Taigi ir R priklauso nuo u˛raymo dėmės dyd˛io, kuris priklauso nuo lazerio pluoto dėmės. , kuri priklauso nuo ir objektyvo skaitinės apertūros NA:

(7-6)

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

Todėl gauname:

bitų (7-7)

bitų/s (7-7)

7.1 lentelėje patektos ir R reikmės kelioms optinių diskų u˛raymo sistemoms.

7.1 lentelė

NA C_o, 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 u˛raymo 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 u˛raymo sistemos naudojami He - Cd, Ar+, He - Ne ir GaAlAs lazeriai. Jų parametrai pateikti 7.2 lentelėje (nuolatinė veika, vienamodis rė˛imas).

7.2 lentelė

Lazerio tipas , m d_1/2p, 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, energetikai labai efektyvus, turintis didelį darbo resursą bei leid˛iantis sufokusuoti spindulį į dėmelę, kurios matmenys apriboti tik difrakcija.

U˛raanti terpė. Tai pagrindinis optinės informacinės paiekinės sistemos elementas. Terpė tinkanti optinės informacijos u˛raymui turi tenkinti iuos reikalavimus:

1. Turėti didelį jautrumą, nes lazerių spinduliuotės galia, kuri naudojama u˛raymui ir patenka ant terpės nevirija kelių .

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

3. Didelis signalo triukmo santykis.

4. U˛raymas realiame laike ir momentinis atgaminimas.

5. Didelis atsparumas u˛raančio paviriaus defektams.

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

Plačiausiai optiniam informacijos u˛raymui naudojamės plonos plėvelės, kurios informacijos u˛raymo metu lydosi ir garuoja. Ilydytoje srityje dėl paviriaus įtempimo vyksta plyio (įdubos) atsidarymas (7.5 pav). Nuskaitant u˛raytą informaciją lazerio spindulys su ma˛esne galia praeina perįįdubas besisukant diskui ir atspindėtos viesos moduliacija dėl atspind˛io koeficiento kitimo nuo u˛raytos ir viesos disko vietos po detektavimo ir duoda u˛rasytą elektrinį signalą. Tačiau efektyvesnės yra 3 sluoksnių struktūros. Gaminant ias struktūras prad˛ioje padėklėlis apgarinamas aliuminiu, o po to u˛neamas skaidraus dielektriko sluoksnis, o po to labai plonas u˛raančios terpės sluoksnis. Parenkant dielektrinio sluoksnio storį (paprastai jo storis ~4n) bei u˛raančios plėvelės sluoksnį galima gauti, kad u˛raančiai bangai atspindys yra artimas 0 nuo srities, kurioje nėra u˛raytos įdubos. tai yra. iuo atveju ploname metalo sluoksnyje bus sugerta vir 90% energijos. Trisluoksnė struktūra leid˛ia 2 kart padidinti u˛raančios aplinkos efektyvumą.

Audėjo kompaktiniai diskai (anglikai ˛ymimi CD) revoliucizavo muzikos industriją. Kartu su iaugusiais reikalavimais muzikos atk˛rimui kompaktinių diskų grotuvai (kartu ir ten naudojami puslaidininkiniai lazeriai tapo įprastu namų apyvokos daiktu. 26,8 mln. lazerinių diodų buvo parduota optinės informacijos u˛raymo ir atkūrimo sistemoms 1992 metais.

iandien nuskaitomi kompaktiniai diskai (read only memory compact disks - sutrumpintai anglų kalboje ˛ymimi CD-ROM) arba itrinami 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 mainoms. Itisas enciklopedijas ir mil˛iniko duomenų bazės dabar ileid˛iamos 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. U˛raomi vieną kartą nuskaitomi daug kartų (anglų kalboje vadinami 'write once, read many' ir ˛ymimi WORM).

3. Daugkartinio u˛raymo diskai tokie kaip magnetooptiniai diskai.

Magnetooptiniai diskai komercikai buvo pradėti pardavinėti 1988 m. Magnetooptinis reikinys sujungia u˛raančioje terpėje magnetinę ir optinę technologijas, kurios abi yra itrinamos ir kartu stabilios. Magneto-optiniai diskai skiriasi nuo tik nuskaitomų ir vieną kartą u˛raomų tuo, kad juose informacija nekoduojama atspind˛io kitime sudarant įdubas, skyles ar ikilimus. Duomenys koduojami lokaliai pasirenkant vieną i dviejų galimų u˛raančios terpės magnetinio dipolio kryptį.

Norint u˛rayti duomenis ant magneto-optinio disko sufokusuotas lazerio pluotas (diametras ~1 m) įkaitina u˛raančią terpę iki Kiuri temperatūros. Prie Kiuri tako u˛raanti terpė tokia pav. kaip GdTbFe, normalioje temperatūroje esanti feromagnetiku tampa paramagnetiku, kurio magnetinis poliarikumas gali būti u˛duotas iorinio magnetinio lauko (7.6 pav.).

Ma˛as elektromagnetas, esantis ant u˛raymo nuskaitymo galvos, sukuria magnetinį lauką reikalingą u˛rayti arba itrinti duomenis ant magnetooptinio disko. Kai magneto iaurinis polius nukreiptas auktyn u˛raomas 1, o kai nukreiptas ˛emyn 0. Kai lazeris yra ijungtas tokia informacija negali būti u˛rayta arba itrinta su magnetu. Jei lazeris veikia nuolatinėje veikoje ir magneto iaurinis polius nukreiptas ˛emyn, visur u˛raomi nuliai ir buvę duomenys yra efektyviai itrinami.

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

Tolimesnis optinio u˛raymo ir saugojimo vystymosi tendencijos yra tokios pat kaip ir kompjuterių: ma˛esnis, greitesnis, pigesnis, geresnis ir talpesnis. Jei gerumu ir talpumu optinės u˛raymo sistemos pirmauja prie magnetines informacijos u˛raymo sistemas, tai kitomis savybėmis dar atsilieka. Jų gerinimui skiriamos dabartinių tyrėjų ir in˛inierių pastangos. Vienas i kelių jų sėkmingam sprendimui yra integralinės bangolaidinės optikos bei holografinių optinių elementų panaudojimas. Jie leid˛ia suma˛inti gabaritus bei integruoti kelių optinių elementų funkcijas.

8 Holografija

Holografija tai naujas vaizdo u˛raymo metodas, pagrįstas interferencinio vaizdo sukurto atraminės ir daiktinės bangų superpozicijos registravimu viesai jautrioje med˛iagoje. Gauta interferograma vadinama holograma. Joje nėra elementų bent artutinai vaizduojančių daiktą, bet joje yra u˛rayta pilna informacija apie objekto ibarstytos 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 altinių nebuvimo. Antras gimimas 1962-63 m. kada E. Leitas, J.Upatnieks ir vėliau J.Denisiukas panaudojo hologramų u˛raymui ir atstatymui lazerius. Holografija susideda i dviejų procesų: pirmas tai pilnos informacijos u˛raymas ir antras tai jos atstatymas.

Tegul ant fotojautraus sluoksnio krenta dvi bangos: E_a ir daiktinė E_d:

(8.1)

Suminė kompleksinė lauko amplitudė hologramos ploktumoje:

(8.2)

Interferencinio vaizdo apvietimas :

Įskaitant (8.1) (x,y) bus lygus:

(8.4)

a - proporcingumo koeficientas.

(8.5)

(8.6)

Atstumas tarp interferencinių juostų (periodas) u˛raant paprasčiausią hologramą - difrakcinę gardelę su tolygiai kintančiom tamsiom viesiom juostom lygus:

(8.7)

I rykintoje hologramoje pralaidumo koeficientas lygus:

, (8.8)

kur t_e - eksponavimo laikas.

Ap viečiant hologramą atramine banga gauname:

, (8.9)

čia

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

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

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

Hologramos savybės:

Bet kuris gabalėlis hologramos turi informaciją apie visą daiktą, Todėl galima atstatyti vaizdą i ma˛o gabalėlio, nors tada blogėja kokybė ir skyra. Takinis objektas bus atvaizduotas dėmele, kurios matmenys:

esant takinis objektas gali būti atvaizduotas dėmele su .

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

3. Holograma duoda tūrinį vaizdą. Tai gaunama, nes registruojama bangos amplitudė ir fazė. Fazė koduojama santykniu juostų da˛nių, o amplitudė interferencinio vaizdo kontrastingumu. Ateinančiu nuo skirtingų objekto dalių bangos fazės registracija duoda informaciją apie santykinius atstumus iki skirtingų objekto takų. Tūrikumą galima stebėti ir fotografuoti i skirtingų erdvės takų.

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 u˛raoma i tos pat bangos ibarstytos ir neibarstytos dalių. Tokia hologramų gavimo schema vadinama aine schema, o pati holograma Gaboro-Frenelio holograma. i schema nepatogi kadangi atstatyto vaizdo matymo kryptis sutampa atramine banga.t.y. atraminė banga sukuria stiprų foną. Todėl daugumoje dabartinių schemų naudojama neainė schema, kuriai būtini du pluotai.

Holografijai naudojami lazeriai turi turėti pakankamą laikiną ir erdvinį koherentikumą. Maksimalus poslinkis holografavimo metu neturi viryti

Kelių eigos skirtumas tarp E_a ir E_dpluotų turi būti ma˛esnis u˛ koherentinį ilgį

čia lazerio spinduliuotės spektro plotis.

Reikalingas ir erdvinis koherentikumas.

čia - altinio matmenys, - kampas, kuriuo matomas elementarus. altinio elementas i hologramos ploktumos.

Fotomed˛iagos naudojamos holografijoje turi turėti skyrą 1500-2000 linijų/mm. Storų hologramų u˛raymui naudojamos fotomed˛iagos su 5000 lin/mm skyra.

Hologramos skirstomos į plokčias ir tūrines pagal parametro L reikmes:

čia T - jautraus sluoksnio storis, kuriame u˛raoma holograma, _a - viesos bangos ilgis vakume, n - jautraus sluoksnio lū˛io rodiklis, d - atstumas tarp interferencinių plokštumų. Jei L >. 10 holograma laikoma tūrine. Kadangi interferencinių ploktumų da˛nis priklauso nuo pluotelių 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 reikmė yra 1,98 m ir suvedimo kampas ˛alatinoje norint gauti tūrinę hologramą yra 2Q > 12^o. Esant iam pluotų suvedimo kampui tokia holograma (ar fazinė ar amplitudinė) turės apie 7,5^o selektyvumo kampą krintančio pluoto at˛vilgiu, bet beveik neturės spektrinio selektyvumo. Tokios hologramos difrakcinis efektyvumas. virija 50% visam matomam diapazonui. Didėjant suvedimo kampui Q hologramos kampinis selektyvumas didėja. Pav. prie Q = 30^o. 1,6^o, todėl vienoje fotoploktelėje galima u˛rayti kelias hologramas. Kad atstatyto vaizdo matymo kryptis keistusi reikia arba fotoplok telę, ant kurios u˛raome, pasukti didesniu kampu nei , arba pakeisti atraminio pluoto kryptį tokiu pat kampu tarp atskirų ekspozicijų. Kartu didinant pluotų suvedimo kampą Q ir tuo pačiu Brego kampą hologramos spektrinis selektyvumas didėja (prie Q=30^o, =30 nm, o prie Q = 80^o, = 5,9 nm), todėl įmanoma u˛rayti spalvotas hologramas, kurios atstatomos neduoda įvairių spalvų vaizdo u˛siklojimo. Padidinus kampą tarp u˛raančių pluotų iki reikmių kada gaunamos atspindinčios tūrinės hologramos, jos gali būti atstatomos baltoje viesoje, nes pasi˛ymi dideliu selektyvumu. Tūriniu hologramų difrakcinis efektyvumas gali siekti 80-90 % kai tuo tarpu plokčių amplitudinių ~6 %, o difrakcinių ~33 %.

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

čia _a - bangos ilgis ore, n - vidutinis fotojautraus sluoksnio lū˛io rodiklis, d - atstumas tarp interferencinių juostų hologramoje, Q - kampas kurį sudaro krentantis ir difragavęs pluotas su ibarstančiais 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 leid˛ia gauti tūrinius vaizdus tiek stacionarių, tiek judančių objektų. Tiriant stacionarius objektus bei reikinius naudojami nuolatinės veikos lazeriai, tuo tarpu kai judančių objektų bei greitai kintančių procesų tyrimams naudojami impulsiniai lazeriai. Informacija u˛rayta holografiniame vaizde yra lengvai apdirbama. Informacijos apdirbimas iuo atveju gali būti holografinio vaizdo forografavimas įvairiais rakursais, trimačiai matavimai ir t.t.

9.1. Stacionari holografija

Stacionarios hologramos, gautos eksponuojant fotojautrią terpę keletą sekund˛ių 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). ių hologramų atstatyti vaizdai naudojami kaip etaloniniai. Dirbinys, kuris turi būti sulyginamas su originalu, patalpinamas į originalo vietą; irykinta 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 is nuokrypis lygus 0,32 m).

9.2. Impulsinė holografija

Judančių objektų arba greitai vykstančių procesų impulsinės hologramos u˛raomos 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 fotoploktelės. (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 lū˛ius, procesus sprogimo metu ir t.t. Fazinių objektų impulsinė holografija leid˛ia tirti dujinių degiklių liepsnos fakelus, kondensacijos procesus, o taip pat nustatyti dalelių dydį ir greitį dvifaziuose vienakomponentiniuose srautuose (vandens garai). iuo atveju skirtingų judėjimo fazių hologramos eksponuojamos chronologiniu ir erdviniu nuoseklumu lazerio impulsų serija. Eksponavimo metu atstumas tarp daikto ir fotoploktelės negali pakisti daugiau kaip /2, nes kitu atveju interferencinis vaizdas atrodys visai susitepęs ir holograma nesigaus. Todėl naudojant holografijoje mil˛inikus 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 pluoto. Imant = 30^o, m ir t = 15 ns, v = 6,7 m/s. Tačiau apviečiant objektą i u˛pakalio kai = 90^o t.y. ia 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 identikos; t.y. stebėtojas matys tokį pat vaizą kaip ir i vienos ekspozicijos; atstatyti i hologramos vaizdai u˛siklos erdvėje. Tačiau jeigu daikto padėtis ekspozicijos metu keičiasi tai ant atstatyto vaizdo atsiranda interferencinės juostos. iuo atveju u˛raytos hologramos nėra identikos, tuo pačiu ir jų atstatyti vaizdai taip pat nėra identiki. Holografinės interferometrijos metodo esmė ta, kad ji leid˛ia sulyginti dvi iskirtas 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 viesą.

Jei dvi hologramos viena po kitos nufotografuotos ant tos pačios ploktelės tai atstatytų bangų S₁(r) ir S₂(r) amplitud˛ių pasiskirstymas hologramos take 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 - amplitud˛ių pasiskirstymas iki poslinkio ( = 0); S₂ - amplitud˛ių pasiskirstymas po poslinkio per

Fotoploktelė 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)

I 9.3 pav. seka, kad

. (9.8)

Tako poslinkis randamas i sekančio sąryio:

, (9.9)

Tai rodo, kad u˛raius dvi hologramas ant vienos fotoploktelės u˛ fotosluoksnio ploktumos 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 ie būdai:

a) dviguba ekspozicija naudojant dviejų skirtingų bangos ilgių viesą;

b) dviguba ekspozicija esant skirtingoms objektinių spindulių kryptims;

c) dviguba ekspozicija esant skirtingiems aplinkos lū˛io rodikliams.

Da˛niausia naudojamas paskirtinis būdas. Tam holografuojamas objektas talpinamas į stiklinę kamerą, kurioje gali būti keičiamas slėgis, keičiantis lū˛io rodiklį. Priklausomai nuo lū˛io rodiklio pokyčio sukuriamas reikiamas atstumas tarp interferencinių juostų. Atstatant vaizdą ant objekto atsiranda interferencinės juostos, kurios yra identikos 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

iuo 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 paviriaus pokyčiai (įtrukimai, įdubimai) lengvai registruojami interferencinių juostų fone dėl didelio interferencinio metodo jautrumo. Interferencinės juostos formavimui u˛tenka kelio pokyčio /2. Holografiniai metodai leido apskaičiuoti sudėtingas konstrukcijas, kurių tvirtumo nepavyko įvertinti matematikai.

9.6 Mechaninių vibracijų matavimas

Holografinės interferencijos metodas leid˛ia lengvai pamatyti vibracijų linijas ir virpesių mazgus. Kai daiktas virpa, jo forma kinta virpesių da˛niu. Mazgų takuose daikto poslinkiai minimalūs t.y. tokie takai ant atstatyto vaizdo matomi geriau ir aikiau. Kadangi paviriaus takai vykstant virpesiams didesnę laiko dalį būna dviejuose prieingose ekstremaliose padėtyse tai jie bus fiksuojami holografinėje ploktelėje 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 ˛ymimas interferencinėmis juostomis, kurios ma˛iau rykios negu mazgų ir pupsnių interferencinės juostos. Virpesių maksimumai ir lokalinės amplitudės gali būti nustatytos i 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 leid˛ia parinkti optimalius detalių parametrus ir tvirtinimo būdus, kad virpesiai nesuardytų detalės.

Mechaninių virpesių tyrimui naudojami ie 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 lū˛io 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 su˛adinimas, o taip pat katalizatorių panaudojimas tam tikrų reakcijų greičio padidinimui. Lazerių panaudojimas leid˛ia veikti nurodytus faktorius naujais didelio selektyvumo būdais norint efektyviau valdyti chemines reakcijas.

Lazerinė technika gali paveikti tik nedidelį skaičių įvairių faktorių, apsprend˛iančių pilną cheminių produktų kainą. Esant masiniai chemikalų gamybai _~80% savikainos sudaro ˛aliavos kaina, _~10% eksplotacinės ilaidos, 5% - pastovios ilaidos ir 5% ilaidos elektroenergijai. Farmacinių produktų atveju tik 30% jų auktos kainos sudaro gamybinės ilaidos. Todėl technologinio proceso pakeitimas tiek pigių tiek brangių chemikalų gamyboje tik ne˛ymiai veikia gamybines ilaidas, nes jos veikia tik pridėtinę produkto vertę, sukurtą proceso metu. ˇymus efektas pasiekiamas tik taip pakeitus technologinį procesą, kad galima atsisakyti kokio tai ypač brangaus proceso pav. valymo etapo, galima panaudoti pigesnę ˛aliavą 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, varūs izomerai, didelio varumo med˛iagos, puslaidininkiai ir retos med˛iagos. Procesai su didele kvantine ieiga 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 kruopti 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. iuo metu daugumoje laboratorijų yra galimybės visapusikai tirti sudėtingas chemines reakcijas, nustatant pradinių, tarpinių ir galinių produktų susidarymo ir inykimo greičius, su laikine skyra . Galima nustatyti ir sekti tam tikrų komponentų atsiradimą sudėtinguose miiniuose, o taip pat selektyviai veikti tam tikras tokio miinio komponentes.

Lazerinės diagnostikos metodų vystimasis matomai yra did˛iausias lazerinės chemijos indėlis į cheminę technologiją. Progresas ioje srityje leid˛ia suprasti sudėtingiausias cheminių procesų detales ir to pasekoje optimizuoti technologinius procesus kartais nustatant tokius parametrus, kurių anksčiau negalima buvo imatuoti.

Dabar did˛iausias progresas pasiektas degimo procesų diagnostikoje ir tai leid˛ia nagrinėti sudėtingų sistemų kitimus degimo metu. ie pasiekimai dalinai susiję su valstybinių laboratorijų iems procesams tirti sukūrimu JAV, Rusijoje ir kitur bei i u˛davinių karine svarba.

Plačiau lazerinės spektroskopijos metodai yra nagrinėjami kituose kursuose, todėl trumpai ap˛velgsime tik tokius ių metodų taikymus kaip koncentracijų nustatymas bei procesų diagnostika.

Koncentracijų nustatymas. Vienas i pirmų lazerių taikymų cheminių procesų kontrolei ir valdymui buvo imetamų dujų sąstato valdymas. Siekiant suma˛inti NO kiekį imetamose i degimo krosnių dujose į jas papildomai įvedamos NH₃ dujos, kurios reaguoja su NO sudarydamos N₂ ir H₂O:

(10.1)

reikalinga tiksli NH₃dozė. Per ma˛a NH₃ dozė padidina NO kiekį imetamose dujose, o per didelė pati teria aplinką. Tačiau tam būtina ˛inoti tikslų NH₃ kiekį imetamose dujose ir įvesti jį reguliavimo grandinę. NH₃kontrolei naudojama IR spektroskopija. Imetamose dujose yra daug komponentų sugeriančių IR srityje, tokių kaip SO₂ NO_x, H₂O ir CO₂, todėl matavimui reikia irinkti diapazoną, kuriame pasireikia 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 i milijono (1 mln.^-1). Tačiau iems matavimams reikalingi derinami nuolatinės veikos CO₂ lazeriai, turintieji būtiną stabilumą. Gali būti panaudotas ir CO₂ lazeris vienu metu generuojantis du da˛nius. Kalibravimo daa˛nis naudojamas turbulentikumo įtakos į optinius ikraipymus įvertinimui. Analogikai tiriama C₂H₄ koncentracija gamybinėse patalpose. iuo atveju naudojami du skirtingo da˛nio CO₂ lazerio spinduliai, kurie nukreipiami vienu keliu vir gamyklos teritorijos. viesa ibarstyta atgal surenkama teleskopu, kur matuojamas intensyvumo kitimas laike prie abiejų da˛nių. I ių pokyčių sprend˛iama apie C₂H₄ sugėrimą ir jo koncentraciją. is metodas leid˛ia nustatyti C₂O₄koncentraciją iki 1 mln.^-1 su 0,3 m erdvine skyra.

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

viesos ibarstymas leid˛ia nustatyti dalelių dyd˛ius. Tai panaudojama pav. smulkių katalizatoriaus dalelių koncentracijos ar pertekliaus nustatymui isiskiriančiose dujose.

10.2. Lazerinis cheminių reakcijų inicijavimas

ioje srityje lazeriai naudojami selektyviam energijos perdavimui cheminėms sistemoms. Priklausomai nuo su˛adinimo pobūd˛io, reakcijų sąlygų ir stimuliuojamo cheminio proceso po pradinėė lazerinės aktyvacijos gali vykti visikai skirtingos cheminės reakcijos. Su˛adinimo etape vykdomas vibracinis ar elektroninis su˛adinimas 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 su˛adinimus naudojant matomo diapazono lazerius. Visi ie procesai sukuria molekulės su˛adinimą pagrindinėje elektroninėje būsenoje. Antruoju atveju matoma arba UV lazerinė spinduliuotė naudojama molekulių elektroniniam su˛adinimui, kurios vėliau gali fotochemikai virsti kitomis. Trečiuoju atveju intensyvi lazerinė IR, matoma ar UV spinduliuotė naudojama jonų gavimui vykstant vienfotoninei ar daugiafotonei jonizacijai arba dielektriniam pramuimui.

Elektroninio su˛adinimo ir jonizacijos procesai su matoma ir UV viesa gerai ˛inomi ir itirti. Čia panagrinėsime IR lazerinę chemiją. Pirmas lazerinės chemijos ypatumas tai, kad selektyvus molekulės vykdymas grie˛tai apibrė˛tų vibracinių uolių, būdinga iai molekulei su˛adinimas. is selektyvumas paaikinamas tuo, kad energijos perdavimo greitis molekulėms su skirtingomis spektrinėmis charakteristikomis yra skirtingas. Taip pav. molekulės apvitinimas CO₂ lazerio bangos ilgiu 10,76 mm selektyviai su˛adina molekulę , o su ilgiu 10,55 mm padidina tik molekulės energiją. Selektyvi chemija galima tik tokiu laipsniu kokiu su˛adintos molekulės chemija skiriasi nuo nesu˛adintos molekulės chemijos.

Antra perspektyvi lazerinės chemijos sritis susijusi su kinetiniu selektyvumu. Selektyviai ˛adinant vieno tipo molekules miinyje galima pakeisti cheminę pusiausvyrą taip, kad gautų termodinamikai ma˛iau tikimą produktą. Impulsinių lazerių panaudojimas leid˛ia staigiai su˛adinti ir dezaktivuoti molekules ir tuo būdu inicijuoti reakcijas labiau tikimas kinetikai, o ne termodinamikai.

Izotopų atskyrimas. Kadangi kiekviena med˛iaga, 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 peraldytų molekulių su˛adinimas IR spinduliuote su tolimesne fotodisocijacija apviečiant eksimeriniu lazeriu, ir kiti. Dauguma ių būdų yra įslaptinti, todėl paaikinsime į procesą tik daugiafotoninės disociacijos būdu veikiantį lakaus urano darinio - uranilo komplekso pavyzd˛iu. is kompleksas kur B - Liuiso bazė pav. tetragidrofurinas arba trimetilsulfosfatas, o HFA heksofloroacetilacetonatas. Lakaus uranilo komplekso vibracinės modos yra CO₂ spinduliuotės diapazone. io chromoforo ir izotopų izotopinis poslinkis yra 0,7 cm^-1. 10 mm spinduliuotei ių izotopinių formų sugerties skerspjūvių santykis yra 1,3 ir labiau su˛adinama molekulė turinti izotopą. Esant lazeriniam su˛adinimui, suteikiančiam papildomą energiją kompleksas lengvai disocijuoja:

(10.2)

Jei disocijacijai reikia daug fotonų (10-30) tai proceso selektyvumas didėja ir tampa gana ˛ymus net ir esant ma˛am vienfotoniam selektyvumui. Tai pasiekiama padidinus energetinę zoną tarp maksimalios iluminio pasiskirstymo energijos ir disociacijos energijos. Tam įvykdyti galima: a) parinkti molekules su stipresniu ryiu; b) suma˛inti molekulės temperatūrą c) naudoti kinetinį greitai disocijuojančių molekulių atrinkimą. Panaudojus iuos būdus galima padidinti selektyvumą 1,2-1,9 karto. Did˛iausias gautas selektyvumas yra 3.

Valymas. Lazerinis valymas taip pat paremtas selektyviu su˛adinimu. Tačiau čia didelį selektyvumą pasiekti lengviau negu lazeriniame izotopų atskirime nes čia atskiriamos chemikai skirtingos med˛iagos. Maksimalus atskirimas apsprend˛iamas termodinamika t.y. maiymo proceso entropija. Realių valymo procesų efektyvumas daug ˛emesnis u˛ maksimalų kas apsprend˛iama nepakankamu med˛iagų atskirimo koeficientu. Todėl norint pasiekti reikiamą lygį, tenka valymą atlikti keletą kartų. Tai susiję su didelėmis energijos sanaudomis nes tam būtina panaudoti visą med˛iagą (pav. perdistiliuoti keletą kartų). Lazeriniai metodai leid˛ia selektyviai paveikti priemaiines molekules neveikiant pagrindinę med˛iagą. Dauguma valymo procesų veikia tik dujinėje fazėje. Kaip sėkmingi valymo pavyzd˛iai 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 u˛ teria katalizatorius. UV spinduliuotė taip pat naudojama valant SiH₄ (monosilaną) nuo AsH₄, PH₃ ir B₂H₆ priemaių. Čia gaunamas 10⁴ selektyvumas esant charakteringam puslaidininkinių med˛iagų gamybai priemaių kiekiui ma˛esniam nei 0,5 mln^-1.

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

Selektyvaus ˛adinimo derinimas su greita relaksacija leid˛ia gaminti termodinamikai ma˛iau 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 reikinių susijusių su skirtinga viesos ir biologinių objektų sąveika. Lazerinis spinduliavimas, taip pat kaip ir įprasta viesa, gali atsispindėti, būti perspinduliuojamas, sugertas, isklaidytas biologinės terpės ir kiekvienas i ių procesų duoda tam tikrą informaciją apie terpės mikro ir makrostruktūrą, bei jos sudėtinių dalių formą bei judėjimą. Matoma ir UV viesa gali sukelti fotocheminį poveikį. To pavyzdziu gali būti augalį ir bakterijų fotosintezė, o taip pat matymo procesas. Didelio intensyvumo UV, matomo bei IR diapazono viesa 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 ˛ymaus poveikio bioobjektui). Antrąjai - procesai, kuriuose pasireikia fotocheminis poveikis, o trečiąjai procesai sukeliantieji fotoardymą. 11.1 pav. pateikta lazerių taikymo biologijoje ir medicinoje pagrindinių principų klasifikacija atsi˛velgiant į ankstesnį procesų skirstymą.

Kadangi čia nagrinėjama sąveika su gyvais objektais tai be fizikinių-cheminių lazerinės spinduliuotės pasireikimo būtina atsi˛velgti ir į jos poveikį gyvos materijos funkcionavimui. i įtaka apsprend˛iama gyvo organizmo homeostazės laipsniu. Homeostazės laipsnis harakterizuoja būsenas ir procesus, u˛tikrinančius organizmo stabilumą ioriniams trikd˛iams, ir yra evoliucijos funkcija. Homeostazės laipsnis ma˛iausias biologinėms molekulėms ir did˛iausias stuburinių gyvunų. Ma˛o intensyvumo viesa nepaleid˛ia biosistemos adaptacinių mechnizmų. Didinant intensyvumą i prad˛ų 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 negrį˛tami procesai, kurie auga ir sukelia sistemos ardymą. Tačiau objektą dar galima skaityti gyvu. Esant dideliems intensyvumams pa˛eidimai yra tokie ˛ymūs, kad objekto jau negalima laikyti gyvu.

I fizikinės pusės lengviau tirti ypač ma˛ų ir labai didelių intensyvumų diapazone. Pirmame i jų galima panaudoti eilę labai jautrių fizikinių tyrimo metodų, nereikalaujančių stiprių viesos srautų ir atitinkamai neįneančių ikraipymų į matavimo rezultatus dėl gyvos materijos homeostazės net lokaliame lygyje. Antrame intensyvumų diapazone matavimų rezultatai taip pat neikreipiami, nes biosistema jau nebegyva.

viesos sąveikai su biologiniai objektais svarbu ir vytinimo trukmė. Tame taip pat gali pasireikti gyvos med˛iagos homeostezė. Priklausomai nuo bangos ilgio ir viesos intensyvumo slensktinė apvitinimo trukmė, prie kurios pradeda vykti morfologiniai pokyčiai, gali būti labai skirtingos tam pačiam objektui.

viesos sugertis yra viena i viesos 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 rugčių liekanos, kurios sugeria UV diapazone (l =200-300 nm), nukleininės rūgtys taip pat sugeria ioje srityje. Matomos viesos sugertis vyksta dėl tokių molekulių kaip hemaglobinas, chlorofilas, flavinas, karatinoidai ir kt. 11.2 pav. patektas krauju u˛pildyto biologinio audinio sugerties spektras. 0,6-1,5 mm diapazono viesa 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 ma˛ai įsiskverbia į audinio gilumą. 4-6 mm diapazone įsiskverbimo gylis yra apie 100-150 mm, o 7-12 mm diapazone sulyginama su viesos bangos ilgiu. 0,45-0,5 mm diapazone sugertis vyksta kraujo hemoglobine, o UV diapazone dauguma bioaudinių stipriai sugeria dėl juose esančių baltymų.

viesos sklaidymas bioobjektuose taip pat vienas i charakteringiausių reiųkinių. Jis susijęs su biosistemų, sudarytų i didelio skaičiaus atsitiktinai isidėsčiusių sklaidančių centrų, struktūra. Iimtys 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 virija sugertį.

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

Rekia pa˛ymėti, kad bioobjektų sugerties, atspind˛io sklaidymo ir fluorescencijos pobūdį galima efektyviai keisti įvairiais dirbtiniais metodais. Pav. nuda˛ant galima keisti sugerties ir atspind˛io spektrus. Tokie objektai vadinami sensibilizuotais t.y. jų jautrumas viesai yra pakeistas. Biologinės med˛iagos sensibilizacija plačiai naudojama tiriant atskirų ios med˛iagos komponenčių sąveiką su viesa bei praktinėje medicinoje atskirų bioobjektų komponenčių diagnostikai ir selektyviai destrukcijai.

Minktų, krauju u˛pildytų audinių pralaidumą galima ˛ymiai, iki 40 kartų, padidinus nestipriai suspaudus. Tuo būdu ispaud˛iamas kraujas ir sutankinami ibarstantys 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, leid˛ianti detektuoti vienetinius atomus ir molekules; rezonansinė molekulių fotojonizacija su tradicine masspektroskopija leid˛ianti nustatyti ma˛us priemaių 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. ie metodai nagrinėjami kituose kursuose todėl jų plačiau nenagrinėsime.

Lazerių panaudojimas makrodiagnostikoje leid˛ia ˛ymiai supaprastinti tokius matavimus kaip atskirų molekulių analizė ir separacija, biologinių skysčių ma˛ų judėjimo greičių matavimas, trimačiai bioobjektų vaizdai, dvikomponenčių bioaudinių tyrimas ir t.t. bei padidinti jų patikimumą.

11.2. Lazerinė terapija

Lazerin terapija pagrįsta biocheminių procesų valdymu viesa, kuri sutadina biomolekules. Su˛adinta molekulė arba pati dalyvauja cheminėje reakcijoje, arba perduoda savo su˛adinimą kitai molekulei, dalyvaujančiai cheminėse transformacijose. Skiriamas vienfotonis su˛adinimas (ma˛i viesos 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 vė˛io fototerapiją arba fotochemoterapiją gerai ˛inomi fotobiologijoje. Vė˛io fotochemoterapija panaudojant hematoporfirino darinius (HPD) yra klasikinis pavyzdys. Įvedus HPD į organizmą jis turi tendenciją kauptis pataloginiuose audiniuose. Vienas i galimų mechanizmų paaikinančių ią terapiją yra sekantis. HPD gerai su˛adinami matoma viesa ir perduoda į su˛adinimą per tripletinius lygmenis deguonies molekulėms, esančioms audiniuose. Savo ruo˛tu deguonies molekulės su˛adinamos į singletinę būseą, kuri yra chemikai aktyvios ir sunaikina lasteles. is procesas vadinamas fotodinaminiu efektu. Nagrinėjami procesai galimi esant pakankamai ma˛iems viesos intensyvumams (_~1 W/cm²), kuriuos galima gauti ir i nelazerinių altinių. Tačiau dėl lazerio spinduliuotės monochromatikumo ir ma˛os skesties tapo galima pasiekti didesnį poveikio selektyvumą ir viesą lengviau transportuoti prie sunkiai pasiekiamų audinių skaiduliniais viesolaid˛iais.

He-Ne lazerio terapija su = 0,63 m plačiai naudojama tropinių ir ilgai neu˛gijančių ˛aizdų ir egzemų gydymui. Terapinis efektas stebimas ir nelazerinių altinių atveju. Lokalinis gydimo efektas ma˛o 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 viesos reguliuojančiu poveikiu ląstelės dauginimosi (vystymosi) ciklui, kada viesa yra trigeriniu ląstelės metabolizmo reguliatoriumi. ˇemo intensyvumo viesos fotoakceptoriais yra endogeniniai sensibilizatoriai. Kiti terapiniai ma˛os galios lazerių taikymai dermitologijoje egzemų, paraudimų gydymui, ortopedijoje - esant lėtam lū˛usių kaulų gyjimui bei reumatiniam artritui, nervopatologijoje esant centrinės ir periferinės nervų sistemos susirgimams (paprastai tai lazerinė akupunktūra); ginekologijoje, stomatologijoje ir kitur.

Daugiafotonis su˛adinimas galimas naudojant trumpą bet santykinai ma˛os energijos impulsą. Dvifotonis su˛adinimas dėl singletinės - tripletinės tikimybės suma˛inimo leid˛ia ˛ymiai padidinti fotocheminių reakcijų efektyvumą. Pav. panaudojus 10⁹W/cm² intensyvumo spinduliavimą vietoje 1W/cm² intensyvumo leid˛ia padidinti HPD ieiga 100 kartų.

11.3. Lazerinė chirurgija

Lazerinės chirurgijos privalumai gerai ˛inomi - tai bekontaktikumas duodantis absoliutų sterilumą; selektyvumas leid˛iantis spinduliuotės bangos ilgio parinkimu ardyti pataloginius audinius neu˛kliudant aplinkinių sveikų; didelis intensyvumų diapazonas leid˛iantis pasiekti reikiamą poveikį bioobjektui; lydimas ir igarinimas esant nedideliam iilimui; hidrodinaminis ardymas dėl intensyvaus impulsinio lokalinio įkaitinimo arba fotocheminis ardymas. At˛ymėsime dar lazerinių operacijų bekraujikumą, o taip pat dideles galimybes audinių ir ląstelių mikrochirurgijoje dėl galimybės sufokusuoti į ma˛ą dėmelę ir slenkstinio fotoardymo charakterio.

ie lazerinės chirurgijos privalumai tokiais atvejais kaip auglių paalinimas ligoniams su ma˛u kraujo kreėjimu ir t.t. yra labai svarbūs ir būtini ir atitinkamai sąlygojo lazerinės chirurgijos paplitimą. Tai vyko ne˛iūrint gana auktų lazerinės aparatūros kainų, jų gremėzdikumo bei neypač didelio patikimumo. Kartu atsiranda pavojus gydytojų ir pacientų akims dėl lazerinio spinduliavimo bei pavojus susijęs su aukta įtampa.

Vienas i pirmųjų lazerinėje chirurgijoje buvo panaudotas rubino lazeris ( = 0,69 m). Tačiau vienas i efektyviausių yra argono lazeris su bangos ilgiu nuo 0,488 iki 0,512 m. Didelė io lazerio spinduliuotės sugertis kraujo hemoglobine pateikta 8.3 pav. Apvitinimas sukelia eritrocitų suardymą, trombocitų aktyvaciją bei kraujo indų endotelio suardymą. Tokia faktorių visuma sudaro palankias sąlygas kraujo kreulio susidarymui bei kraujavimo sustabdymui. Spinduliavimo įsiskverbimo gylis siekia _~1 mm. Argono lazeriai plačiai naudojami kraujavimo sustabdymui i smulkių kraujagyslių bei akies tinklainės koaguliacijai. Jo spinduliuotė gerai perduodama daugiamod˛iais viesolaid˛iais su erdies diametru 200-400 m. Stambių kraujo indų atveju tenka naudoti didesnį intensyvumą, kas da˛nai sukelia indų perforaciją ir vietoje kraujavimo sustabdymo jis gali padid ti.

Tipinis chirurginis Ar⁺ lazeris susideda i lazerio, skaidulinio viesolaid˛io, iėjusio i viesolaid˛io galios matuoklio, iėjimo galios reguliatoriaus, nukreipiantis spindulys vietos indikacijai bei ekspozicijos reguliavimo įrenginys. Ieinančios i viesolaid˛io 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 i 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 pa˛eidimui atstume iki 50-200 m. Tai leid˛ia panaudoti CO₂ lazerius auglių paalinimui i galvos smegenų, jungiančio audinio bei polypų paalinimui. 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 kreulius ir sukelti didelių kraujo indų koaguliaciją. Be to jis gali praeiti per vandenį, lapimą ar skrand˛io sultys. Jis ˛ymiai giliau įsiskverbia į audinius ir sukelia daug didesnį iluminį pa˛eidimą negu argono lazeris. YAG lazerio iluminio pa˛eidimo sritis turi trikampę konfigūraciją ir tęsiasi per visą skrand˛io 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 pa˛eidimai. YAG:Nd, rubino ir argono lazerių spinduliuotė gali būti perduota viesolaid˛iais ir įvesta į organizmą su endoskopais. Endoskopai leid˛ia stebėti vidinius organus prie operaciją bei įvesti viesolaidį, kuriuo perduodama lazerio spinduliuotė. Prad˛ioje viesolaid˛iu perduodamas ma˛o intensyvumo spindulys leid˛iantis ap˛iūrėti pa˛eistas vidinių organų sienles, o po to irinkus vietą perduodamas galingas lazerinis spinduliavimas. Igarinamos med˛iagos kiekį galima reguliuoti keičiant spinduliuotės intensyvumą bei ekspoziciją.

Lazerinės chirurgijos metodai naudojama gastroenterologijoje, plastinėje chirurgijoje ir dermatologijoje, akuerijoje ir ginekologijoje, neurochirurgijoje urologijoje, ortopedijoje, bendroje chirurgijoje. Skaidulinių viesolaidinių kateterių panaudojimas leid˛ia atlikti sklerotinių sankaupų igarinimą. Ar⁺ ir CO₂ lazeriais paalinamos 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 viesolaid˛iais. YAG:Er generuojantis 2,94 m spinduliutę taip pat perspektyvus lazerinėje chirurgijoje. YAG:Ho ir YAG:Er lazeriai veikia impulsiniame rė˛ime. Laisvos veikos impulso energija paprastai 2 -20 J. Paskutiniu metu sukurti viesolaid˛iai 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 ryių sistemose

Optinio ryio platus panaudojimas prasidėjo sukūrus patikimus ir ilgaam˛ius puslaidininkinius lazerius bei optinius viesolaid˛ius su ypač ma˛ais nuostoliais ir keičiamomis optinėmis charakteristikomis. ių optinio ryio sistemų pagrindinių elementų parametrų gerinimas bėgant metams pateiktas 12.1 pav. Optinio ryio sistemos, analogikai kaip ir elektros ryio sistemos, skirstomos į laidininkines ir belaidininkines. Belaidininkinės kada optinis spinduliavimas sklinda atmosfera. Tačiau ios sistemos gana ma˛ai naudojamos. Pagrindinės optinio ryio sistemos tai sistemos su optiniais skaiduliniais viesolaid˛iais, turinčiais ypač ma˛us nuostolius. Pagrindiniai trys ios ryio sistemos elementai yra: viesos altinis, optinis viesolaidis ir viesos imtuvas (12.2 pav.). Perduodant signalus dideliais atstumais dar panaudojami kartotuvai (retransliatoriai). Kartotuvuose optinis signalas paverčiamas elektriniu, sustiprinamas elektroniniame stiprintuve ir perduodamas į viesos altinį. Tokiu būdu optiniai signalai, transformuoti į pirmyktę formą ispinduliuojami kartotuvo.

Optinių ryio sistemų privalumai lyginant su elektrinio ryio sistemomis esant ma˛esniems perdavimo nuostoliams; didesnis atstumas tarp kartotuvų; didesnis perdavimo tankis; ma˛esnė vieno kanalo kaina; elektrinė izoliacija tarp iėjimo ir iėjimo; apsauga nuo elektromagnetinių triukmų; apsauga nuo signalo perėmimo bei kry˛minių triukmų.

12.1 Komponentai

Dauguma optinių viesolaid˛ių, naudojamų tiek vidutinėse, tiek ilgose ryio sistemose yra pagaminti i silicio oksido. Silicio oksido viesolaid˛iai turi ma˛us 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 viesos sklidimo nuostoliai, pagrindinai apspręęti Rėlėjaus sklaidos, ma˛ėja. Tačiau 1,2-1,4 m diapazone pradeda reiktis viesolaid˛io med˛iagoje esančių OH grupių ir kitų priemaių sugertis. viesolaidiniam ryiui labiausiai tinka 0,8-0,9 m; 1,3 m ir 1,6 m bangų diapzonai. Daugumoje SiO viesolaid˛ių ma˛iausi nuostoliai yra apie 1,55 m. Skaiduliniame viesolaidyje spinduliavimo bangos 0,85 m dispersija, apsprend˛iama stiklo lū˛io rodiklio dispersija sudaro 100 ps/(nm km). Skaitoma, kad ma˛iausia dispersija ioje med˛iagoje yra 1,27-1,3 m diapazone. Tai yra iame diapazone viesos bangų su artimu bangos ilgiu sklidimo greitis viesolaid˛iu yra vienodas. Jei puslaidininkinis lazeris moduliuojamas su greičiu didesniu nei 100 Mb/s, tai generuojamos kelios iilginės modos. Bendru atveju iilginės modos, iskyrus 1,3 m diapazoną, sklinda įvairiais greičiais. Dėl to optinio signalo, perėjusio didelį atstumą, forma yra ikraipoma. Todėl didelio perdavimo greičio sistemos paprastai veikia 1,3 m diapazone. Esant bangos ilgiui > 2 m pradeda reiktis med˛iagos sugertis IR srityje.

I silicio oksido gaminami 3 tipų skaiduliniai viesolaid˛iai: daugiamodis su uoliniu lū˛io rodiklio pasikeitimu (D) (12.4 a); daugiamodis gradientinis (DG) (12.4 b) ir vienamodis (V) (12.4 c). Daugiamod˛iame viesolaidyje gali sklisti daug modų, o vienamod˛iame tik viena. Daugiamod˛io viesolaid˛io erdies diametras yra 50-90 m, o apvalkalo diametras 120-150 m. Siekiant taupyti med˛iagas, i kurių gaminami skaiduliniai viesolaid˛iai, siekiama gaminti ma˛esnio diametro skaidulą ir apvalkalą. Tačiau optimalus erdies diametras apsprend˛iamas tikslumu kurį būtina ilaikyti komutuojant viesolaid˛ius tarpusavyje bei jungiant juos su viesos altiniais. Apvalkalo diametras parenkamas taip, kad u˛tikrintų reikiamą tvirtumą tempimui ( jis didesnis esant storesniam apvalaklui) bei pakankamai ma˛ą viesolaid˛io lenkimo spindulį. Paprastai naudojami skaiduliniai viesolaid˛iai su apvalkalo diametru 120-150 m. Esant apvalkalo ir erdies lū˛io rodiklių skirtumui _~0,01 (0,1%) viesolaid˛io skaitmeninė apertūra yra apie 0,17. viesolaid˛iai naudojami su viesą emituojančiais diodais turi erdies ir apvalkalo lū˛io rodiklių skirtumą n lygų 1 %. Perduodamų da˛nių juosta tuo didesnė kuo ma˛esnis skirtumas tarp apvalkalo ir erdies lū˛io rodiklių. Tačiau norint lengviau suderinti viesos altinį su viesolaid˛iu ir ivengti mikrodeformacijų įtakos iam sujungimui n paprastai parenkamas _~ 0,7 %. Perduodamų da˛nių juosta didėja pereinant nuo D prie DG ir V viesolaid˛ių. Dabar gaminami viesolaidiniai kabeliai, sudaryti i kelių ar net kelių deimčių optinių viesolaid˛ių. Jie gali būti tiesiami arba ant stulpų arba po ˛eme metaliniuose vamzd˛iuose.

D viesolaid˛iai turi tokias charakteristikas: 0,85 m bangai nuostoliai 3-10 db/km, perduodamų da˛nių juosta esant 1 km ilgio viesolaid˛iui yra 40-50 MHz, impulsas iplinta iki 10 ns.

DG gaunami chemikai nusodinant Si i dujinės fazės. iuo būdu gaunamas lū˛io rodiklio pasiskirstymas atitinkantis antrą laipsnį (parabolinis). Jis leid˛ia gauti maksimalią perduodamą juostą. DG turi tokias charakteristikas: erdies diametras 50-90 m, apvalkalo diametras 100-150 m, apsauginės plėvelės diametras 0,5-0,9 mm, santykinis lū˛io rodiklio pokytis tarp erdies centro ir apvalkalo 0,01-0,02, skaitmeninė apertūra 0,17-0,24, 0,85 mm bangai nuostoliai 3-10 db/km perduodamų da˛nių juosta esant 1 km ilgio viesolaid˛iui 200-800 MHz, impulso iplitimas 0,3-1 ns/km. io tipo viesolaid˛iai leid˛ia perduoti plačią da˛nių juostą net ir esant dideliam erdies diametrui. Didelis erdies diametras leid˛ia lengviau sujungti įvairius viesolaid˛ius bei prijungti juos prie viesos altinio. Jie taip pat patogūs praktiniame naudojime.

Vienamod˛ių viesolaid˛ių erdies diametras yra _~1-2 m. Jie turi plačiausią perduodamų da˛nių juostą. Tačiau viesos įvedimas į tokį viesolaidį daug sudėtingesnis ir reikalauja didesnio tikslumo.

Kaip viesos altinis optinėse ryio linijose naudojami puslaidininkiniai lazeriai (PL) arba viesą emituojantis diodai (D). 0,7-0,9 m diapazone naudojami AlGaAs lazeriai arba viesos diodai. Spinduliavimo bangos ilgis keičiamas keičiant Al ir Ga procentinę sudėtį AlGaAs sluoksniuose. InGaAsP lazeriai ir viesos diodai derinami 1,-1,65 m diapazone, keičiant Ga ir As koncentraciją In_1-x Ga_x As_y P_1-y aktyviame sluoksnyje. Puslaidininkinių viesos altinių darbinių da˛nių diapazonas pateiktas 12.5 pav. PL ir D moduliacijos da˛niai yra skirtingi. PL gali veikti esant kelių imtų Mb/s moduliacijos da˛niui, kai tuo tarpu D tik apie 100 Mb/s. Tai susiję su lėta spontanine emisija D. Spinduliuotės moduliacija PL lengvai pasiekiama pridėjus kintamą maitinimo įtampą prie PL, kaip pateikata 12.6 pav. PL spinduliuotės galia nukreipta į viesolaidį yra eile didesnė u˛ D. Todėl PL pagrindinai naudojami ryio sistemose su vidutiniu ir dideliu perdavimo greičiu esant vidutiniams ir ilgiems nuotoliams. Esant dideliems atstumams naudojami InGaAsP viesos altiniai, tuo metu kai artimesniems atstumams naudojami AlGaAs viesos altiniai, spinduliuojantieji 0,8 m diapazone.

Silicio lavininiai fotodiodai (LFD) ir pin fotodiodai naudojami kaip viesos 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 ma˛ų optinių signalų priėmimui.

12.2 Taikymo sritys.

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

Kompjuterinės ryių sistemos su viesolaid˛iais palyginus su elektrinėmis ryio sistemomis turi privalumus, kad jų neveikia nei triukmai nei skirtingi ˛emės potencialai (12.9 pav.). Jos u˛tikrina santykinai didelį perdavimo greitį ir perdavimą dideliais atstumais. Be to įėjimas ir iėjimas elektrikai izoliuoti. PL naudojami ilgose ir greitose ryių linijose, D kitose.

viesolaidinės video perdavimo sistemos naudojamos pramonėje ir kabelinėje televizijoje (12.10 pav.). Pramonėje televizijoje viesolaid˛ių panaudojimas suteikia jau anksčiau ivardytus privalumus. AlGaAs lazeris veikianti 0,8 m diapazone naudojamas miesto ryių tinkle ir u˛tikrina 32-140 Mb/s perdavimo greitį _~ 10 km atstume.

Povandeninėse optinio ryio sistemose būtina suma˛inti 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, pato skyriuose bei videomagnetofonų programavimui namuose.

Juostinis kodas tai serija juodų juostų atspausdintų ant viesaus pagrindo (10-1 pie.). Informacija esanti iame simbolyje yra u˛koduota keičiant tiek juostų tiek tarpų tarp jų plotį. Da˛niausia vartojama kodinių juostų simbolizacija JAV yra produkto universalaus kodo simbolis Europoje ir Japonijoje taip pat vartojamos panaios 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 praneami vir langelio, kuriame lazerio spindulys skanuoja juostinį kodą. Antros klasės kodų skaneriai yra neiojami ir pridedami prie perkamų daiktų kodo. Dabartiniai kodų skaneriai leid˛ia 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 viesos altinis 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. ių metodų tikslas sukurti pilnai automatizuotas gamyklas. Kontrolės metodai leid˛ia patenkinti grie˛tesnius reikalavimus produkcijai.

Yra 4 lazerių taikymo matavimuose ir kontrolėje sritys:

a) dyd˛ių kalibravimas (detalės dyd˛io ir paviriaus apdirbimo varumo nustatymas),

b) staklių kreipiančiųjų eigos matavimas,

c) vizualinė kontrolė, kuria anksčiau atlikdavo ˛mogus (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 leid˛ia 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 ma˛ėjant vizualios kontrolės apimčiai, taupant atlyginamus ir ma˛ėjant garantiniam remontui.

Matavimo Paviriaus apdirbimo varumas Geometrija Matmenys

tipas Optinis Lygus Grubus Plokčia Cilindrinė Dideli

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

apdirbimo

varumas

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

defektai

Ploktumos 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 dyd˛ių matavimas

Kadangi lazerio spinduliuotės skestis labai ma˛a galima atlikti eėlinius matavimus su dideliu tikslumu.

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

Tikslumas 0,2 m. Naudojamos siurblių mentelių profilių matuokliai leid˛iantieji imatuoti 7200 det/val. su 1 m tikslumu ir jas surūiuoti pagal dydį.

Lazerinis skanavimas

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

Čia naudojamas tiesinis skanavimas su pastoviu greičiu. Takų atitinkančių detalės kratams radimas čia susijęs su dvigubu intensyvumo diferencijavimu. Kratai atitinka kur antra ivestinė lygi 0. Leid˛ia atlikti 150 mat/s. Matuojant D = 5 cm tikslumas yra 5^.10^-4 cm. Naudojama vielos gamyboje, cilindrų kontrolei po lifavimo ir t.t.

Paviriaus tyrimas lazerinės trianguliacijos būdu

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

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

12.2 Paviriaus apdirbimo varumo matavimas ir defektų radimas.

Sprend˛iama pagal atspindėtos viesos parametrus. Pluotas skanuojamas paviriumi ir matuojamas intensyvumo kitimas.

9. Lazerių taikymas statyboje, ˛emės ūkyje ir geodezijoje

Lazeriniai prietaisai naudojami daugeliui matavimų statyboje, ˛emės ūkyje ir geodezijoje. Ir tai leid˛ia padidinti darbo naumą dėl laiko, med˛iagų, energijos ar vandens ekonomijos arba dėl labiau optimalaus darbo jėgos panaudojimo. Kartu lazeriniai prietaisai leid˛ia padidinti matavimų tikslumą. iuo metu lazeriniai prietaisai ne tik keičia universalius teodolitus, bet naudojama konkrečių u˛davinių sprendimui pav. vamzdynų tiesinimas, tunelių tiesimas, matuojant ir kontroliuojant auktumas, matuojant atstumus su elektroniniais įrenginiais.

9.1. Lazerių panaudojimas lyginimui

Jau 1960 m. sukūrus He-Ne lazerį viena i jo panaudojimo sričių tapo lyginimas (vieno lygio vir ˛emės paviriaus ar ˛emės paviriuje nustatymas). Tačiau, kad ioje srityje lazeriai būtų naudojami labai plačiai teko prad˛ioje sukurti pigius, patikimus, ilgaamius ir komplektinius lazerius. Tačiau net ir laboratoriniai lazerių pavyzd˛iai kol visos lazerių problemos dar nebuvo isprętos jau buvo naudojami statant Stenfordo tiesinį 2 mylių greitintuvą bei tiesiant tunelį San Franciskas-Oklendas. Lazeriniuos lygiamačiuose Gauso pluotelis yra iplečiamas teleskopu taip, kad turtų reikiamą kolimacijos lygį ir diametrą ant taikinio esančio u˛ 100-200 m galima pluotelį sukolimuoti į 20 mm dėmelę (pav. 9-1).

9-1. pav. Teorinė Gauso pluoto diametro priklausomybė nuo atstumo. W_o(o) – pluo to diametras teleskopo iėjime.

Gauso pluoto diametras sklindant erdvėje keičiasi priklausomai nuo bangos ilgio ir sąsmaukos diametro w_o :

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

reikiamą w(z). Teisingai suderintas teleskopas turi duoti iėjime ne tik nedidelį, bet ir ma˛ai kintanti pluotą. Vykdant matavimus 100 m atstume pradinis w_o paprastai imamas 5 mm, o 600 atstume w_o yra _~15 mm.Teleskopo apertūra turi būti pakankamai didelė, kad nesireiktų difrakcija ant jos. Paprastai iėjimo lęio apertūra yra 3 kart didesnė u˛ Gauso pluoto spindulį. Naudojamų He-Ne lazerių lazeriniuose lygiamačiuose galia yra 1-3 mW. Esant pluoto diametrui 15-20 mm ir tokiai galiai ją galima daugumoje atvejų matyti esant dienos viesai. Dėmės centrą galima nustatyti vizualiai su 10% paklaida, o su elektroniniu detektoriumi net su 4% paklaida. Tikslumą nustatymo galima būtų dar padidinti, bet atmosferos triukmai ir foniniai svyravimai neled˛ia 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 nuolyd˛io kapmą ir ją sudarančių vamzd˛ių aikumą. Lyginimas su lazeriu ˛ymiai palengvina tokių vamzdynų statybą. Prad˛ioje ikasamas ulinys iki reikiamo gylio. Paskui lazeris istatomas taip, kad spindulio kryptis sutaptu su suprojektuoto

29-2 pav.

vamzdyno kryptimi. Lazeriniai prietaisai, skirti kanalizacijos vamzdynų tiesimui turi įstatytą nuolyd˛io reguliavimo mechanizmą, leid˛iantį labai tiksliai parinkti norimą nuolydį. Toliau ikasama tranėja tokio dyd˛io, kad galima būtų nustatyti lazerio pluoto kryptį. Tiesiamo vamzd˛io gale įtaisomas pusiau skaidrus plastmasinis taikinys. Toliau vamzdis klojamas taip, kad praėjęs lazerio pluotas būtų taikinio centre. Po to vamzdis u˛kasamas, o taikinys iimamas. Tap pat statomos kitos vamzdyno sekcijos.

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

Tunelių tiesimas. Daugiau taikomas krypties nustatymui ir u˛darimui. Tai panaudojama didelių grę˛imo mainų orentavimui tiesiant ilgus tunelius.

Aukčio vir duoto lygio matavimas.

Pentoprizmė (arba veidro ių sistema analogika)

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. Apvitinto sluoksnio temperatūros priklausomybė nuo apvitinimo laiko: 1 - austenizacijos temperatūra, 2 - apvitinimo 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 ilydyti.

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 atspind˛io koeficientai moliui (1); ikritusiam sniegui (2); 3 - ˛olė 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. Apvitinto sluoksnio temperatūros priklausomybė nuo apvitinimo laiko: 1 - austenizacijos temperatūra, 2 - apvitinimo 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 ilydyti.

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. Neu˛raomų optinių diskų nuskaitymo įrenginys

26-4 pav. Optinio disko ikilimai neantieji u˛raytą informaciją.

Lazerinio pluotelio profilis

Pavirinio įtempimo jėgos

Ilydyta sritis

Duobelė

26-4 pav. Terminio u˛raymo procesas.

26-5 pav. Trisluoksnės u˛raančios terpės schema

Naudojami tokių tipų optiniai diskai:

1. Skirti tik nuskaitymui (audio diskai).

2. U˛raymo ir nuskaitymo diskai, bet u˛raymas paprastai galimas tik vienkartinis.

3. Daugelio u˛raymų ir trinimų optiniai diskai. iam tikslui naudojami magnetooptinės terpės. Jose įraomos ne įdubos, o pakeičiama magnetinio dipolio orentacija. Ir taip u˛koduojama energija.

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

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

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 paviriuje.

11-1. pav. NH₃ kontrolės schema imetamose i degimo krosnies dujose

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

11-3 pav. Papildomas IR daugiafotonio izotopų atskyrimo selektyvumo didėjimas didinant energetinę zoną. Itisinės linijos molekulių pasiskirstymo iki su˛adinimo, 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 pie. Hemoglobino ir vandens sugerties spektrai. Kartu pateikti Ar⁺, YAG:Nd ir CO₂ lazerių bangų ilgiui.

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

13-1 pav. Lazerinių ir viesos diodų ilgaam˛ikumo (a) bei optinių viesolaid˛ių nuostolių (b) kitimas vystantis technologijai 1968-1976 m.

13-2 pav. Optinio ryio sistemos (a) ir elektrinio ryio sistemos (b) schema. 1 - objektyvas; 2 - viesos diodas; 3 - optinių viesolaid˛ių 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 viesolaid˛ių tipai: a) daugiamodis su uoliniu lū˛io rodiklio pokyčiu; b) daugiamodis gradientinis; c) vienamodis. 1 - viesolaid˛io skaidula, 2 - apvalkalas.

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

13-7 pav. viesos altiniai ir fotodetektoriai naudojami optinėse ryio sistemose.

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

13-9 pav. Ryys su optiniais kabeliais.

13-10 pav. viesolaid˛ių panaudojimas palydoviniame ryyje.

Politica de confidentialitate | Termeni si conditii de utilizare

DISTRIBUIE DOCUMENTUL

Vizualizari: 2202
Importanta:

Comenteaza documentul:

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

Creaza cont nou

Distribuie URL
https://www.scrigroup.com/limba/lituaniana/255/LAZERI-TAIKYMAI34499.php

Adauga cod HTML in site
<a href="https://www.scrigroup.com/limba/lituaniana/255/LAZERI-TAIKYMAI34499.php" target="_blank" title=" - https://www.scrigroup.com/limba/lituaniana/255/LAZERI-TAIKYMAI34499.php">LazeriŲ taikymai</a>