Опис установки та вказівки по роботі з обладнанням

ЛАБОРАТОРНА РОБОТА

Залежність діаметра та глибини отвору від енергії імпульсів неодимового лазера, кількості імпульсів, умов фокусування та матеріалу


Залежність діаметра та глибини отвору від енергії імпульсів неодимового лазера, кількості імпульсів, умов фокусування та матеріалу.

Мета роботи

Лазери широко застосовуються практично в усіх областях техніки. За допомогою лазерного випромінювання здійснюється прошивка як прецизійних отворів, так і отворів великих діаметрів, різка, отримання прецизійних щілин, пазів, зміцнення, локальне легування матеріалу, маркування, зварювання та інші технологічні операції. Не виключенням є і медицина, де лазерні технології використовуються у хірургії, стоматології, офтальмології, дерматології тощо.

       
   
 
 

Разом із тим, впровадження прогресивних технологічних процесів лазерної обробки зустрічає складності, пов'язані з вибором необхідного обладнання, довжини хвилі випромінювання, визначенням оптимальних режимів, розробкою схем і умов реалізації процесів. У роботі пропонується ознайомитися з особливостями конструкції імпульсних твердотільних лазерів і дослідити залежність діаметра та глибини отвору від енергії імпульсів неодимового лазера, кількості імпульсів, умов фокусування, матеріалу, який опромінюється.

 

Опис установки та вказівки по роботі з обладнанням

Схема установки подана на рис. 1. Імпульсний неодимовий лазер ( ) на основі квантрона К-107 працює у режимі вільної генерації (тобто без модуляції добротності). Для створення інверсії використовується ксенонова імпульсна газорозрядна лампа типу ИФП-800. Енергія імпульсів лазерного випромінювання становить 4 Дж при максимально допустимій електричній енергії накачки 200 Дж.

Енергія накачки визначається напругою , до якої заряджається накопичувальний конденсатор із ємністю у блоці живлення: = . Ємність накопичувального конденсатора =200 мкф, а максимальна напруга блока живлення =1600 В. Тож максимальна енергія накачки, яку забезпечує блок живлення, перевищує допустиму для квантрона К-107: =256 Дж >200 Дж (!).

У випадку інтенсивного прокачування води (20 л/хв.) лазер на основі квантрона К-107 може працювати з частотою повторення імпульсів 10 Гц, а в протилежному випадку - в режимі поодиноких імпульсів. Оскільки на установці відсутня система прокачування води, то інтервал між імпульсами має перевищувати 1 хв. (!). Після кожних 10 імпульсів необхідно робити паузу на 10 хв. (!). Забороняється торкатися елементів квантрона при включеному джерелі живлення, бо напруга 1500 В є надто небезпечною для життя (!). Усі підготовчі та юстувальні операції роботи при виключеному джерелі живлення (!).

Щоб отримати лазерний імпульс випромінювання. дії виконувати у такій послідовності:

а) перевести тумблер на блоці живлення у положення „ВКЛ” (засвітиться індикатор „МЕРЕЖА (220 В)”);

б) виставити в певне положення ручку „НАПРУГА” на блоці керування, яка задає напругу, до якої заряджатиметься накопичувальна ємність (напруга збільшується при повороті ручки за часовою стрілкою);

в) натиснути та утримувати кнопку „ЗАРЯД” на блоці керування для зарядки накопичувальної ємності (під час заряду чути характерний звук роботи трансформатора і світиться індикатор „ЗАРЯД” на блоці живлення);

г) по „ІНДИКАТОРУ НАПРУГИ” на блоці живлення переконатися, що досягнута бажана напруга, (з деякою паузою можна повторно нажимати кнопку „ЗАРЯД”, коректуючи положення ручки „НАПРУГА”);

д) короткочасно натиснути кнопку „ПІДПАЛ” (у цей момент імпульсна газорозрядна лампа накачки спалахне і лазер спрацює, тому не бажано дивитися на квантрон, а особливо на мішень);

е) для отримання повторних імпульсів лазерного випромінювання повторити дії, починаючи з пункту б.

Після закінчення серії імпульсів або по завершенню досліджень виставити в крайнє (проти часової стрілки) положення ручку „НАПРУГА” на блоці керування і перевести тумблер на блоці живлення у положення „ВИКЛ”.

На установці використовується He-Ne-лазер для виконання юстувальних робіт. Необхідно сумістити промені Nd-лазера і He-Ne-лазера. Це дасть змогу встановлювати розташування фокальної плями на мішені - точки куди попадає випромінювання Nd-лазера.

Енергія поодиноких лазерних імпульсів вимірюється калориметричним вимірювачем ИКТ-1Н. Вимірювач може працювати у спектральному діапазоні 0,4¸4 мкм. Максимальна густина енергії на вході у вимірювальну головку - 200 Дж/см2 при роботі лазера у режимі вільної генерації з тривалістю імпульсів 100 мкс¸1 с. Відхилення кута від нормального падіння пучка на вхідне вікно вимірювальної головки не повинне перевищувати 3°. Вхідним вікном є матова пластинка з лейкосапфіру. Похибка вимірювань не перевищує 10 відсотків. Час установлення робочого режиму (час прогріву) - 30 хв.

Послідовність виконання вимірювань на приладі ИКТ-1Н:

а) прогріти прилад на протязі 30 хв.;

б) перевести прилад у режим „ВИМІРЮВАННЯ” і виставити нуль приладу ручкою „УСТАНОВКА НУЛЯ”;

в) виконати калібрування приладу; для цього перемикач діапазонів вимірювань виставити у положення 0,5 Дж та перевести прилад у режим „КАЛІБРОВКА”; стрілка приладу має відхилитися до поділки 50; при невиконанні цієї умови ручкою „ПІДСИЛЕННЯ” добитися вказаного відхилення;

г) перевести прилад у режим „ВИМІРЮВАННЯ” та вибрати необхідний діапазон вимірювань (цифри біля кнопок перемикача вказують на енергію імпульсу, яка відповідає відхиленню стрілки в крайнє положення);

д) виконати вимірювання;

е) по завершенню вимірювань перевести прилад у режим „АРЕТИР” і вимкнути живлення.

 

Завдання

(варіант конкретизуються керівником роботи для кожного студента)

1. Вивчити схему установки та виконати необхідне юстування.

2. Розрахувати напругу, яка відповідає енергії накачки 200 Дж і не перевищувати її при проведенні досліджень.

 

Варіант 1

3. Для наданого зразка заданої товщини та лінзи з певною фокусною (близько 10 см) відстанню дослідити залежність мінімальної енергії імпульсу лазера, яка необхідна для утворення отвору, від зміщення зразка відносно фокальної площини лінзи. Зміщення можна вибирати на свій розсуд. Нанести точки, які відповідають отриманим даним на графік ( ), де пробігає щонайменше п'ять значень, та методом найменших квадратів побудувати інтерполяційну криву.

4. Використовуючи мікроскоп, з'ясувати залежність діаметра отворів, отриманих при виконанні пункту 3 від зміщення . Побудувати графік ( ) з даними та інтерполяційною кривою.

5. Вибравши розташування зразка, коли діаметр отвору та енергія імпульсу лазера є мінімальними (за результатами пунктів 3, 4), визначити як збільшується кількість імпульсів, яка необхідна для утворення отвору, якщо зменшувати енергію імпульсів. Побудувати гістограму ( ).

Варіант 2

6. Використовуючи три різні лінзи з фокусними відстанями визначить експериментально мінімальну енергію лазерного випромінювання в джоулях, необхідну для утворення чіткого наскрізного отвору за один імпульс. Побудуйте залежність .

7. Виміряйте радіус отворів для . Оскільки отвори можуть бути не круглими то беріть ефективне значення радіусу, за якого площа отвору . Побудуйте залежність . Методом найменших квадратів проведіть через отримані точки пряму лінію та визначте розбіжність лазерного променю в радіанах (отриману величину в звіті приведіть у кутових хвилинах).

8. Розрахуйте мінімальну інтенсивність у Вт/см2, необхідну для утворення отворів лінзами з . Для розрахунків використайте співвідношення

,

де тривалість лазерного імпульсу мс. Побудуйте залежність .

Література

1. Григорук В. І., Іванісік А. І., Коротков П. А. Експериментальна лазерна фізика: Підручник.- К.: Віпол, 2004. - 300 с.

2. Справочник по лазерам / Под ред. Прохорова А. М..- М.: Соврадио, 1978.- Т.2.- 403 с.

3. Справочник по технологии лазерной обработки / В. С. Коваленко, В. П. Котляров, В. П. Дятел и др.; Под общ. ред. В.С. Коваленко.- К.: Техніка, 1985.- 167 с.

Застереження

Дотримуйтесь правил безпеки роботи з високовольтним обладнанням та лазерами. Користуйтесь ізоляційним ковриком на підлозі та захисними окулярами. Не торкайтесь одночасно двома руками різних елементів установки, що можуть мати різні потенціали. Запобігайте попаданню випромінювання (навіть відбитого та розсіяного) в очі.