Лазерная система специального назначения для осуществления процесса управляемого лазерного термораскалывания листового стекла марки К-8 толщиной 1 мм

Размещено на http://www.allbest.ru/

Министерство образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Ижевский Государственный Технический Университет

Приборостроительный факультет

Кафедра "Лазерные системы"

ПОЯСНИТЕЛЬНАЯ ЗАПИСКА

к курсовому проекту по дисциплине " Лазерные системы специального назначения "

Тема: Лазерная система специального назначения для осуществления процесса управляемого лазерного термораскалывания листового стекла марки К-8 толщиной 1 мм.

Выполнил: А. Н. Игнатьев

Принял: д.т.н. профессор В. А. Алексеев

Ижевск

2007



Содержание

Введение

1. Технологические особенности лазерного термораскалывания листового стекла

2. Функциональная схема

2.1 Технологический лазер

2.2 Излучатель

2.3 Блок питания

2.4 Система охлаждения

2.5 Система автоматизированного управления

2.6 Система датчиков

2.7 Система транспортировки и фокусировки излучения

2.8 Система позиционирования излучения и объекта

2.9 Система дефектообразования

2.10 Система подачи хладагента

3. Расчет мощности

4. Расчет рабочей длины волны

5. Расчет мощности лазерной установки, выбор излучателя

6. Энергетический баланс и расчет КПД лазера

7. Расчет системы охлаждения

8. Расчет резонатора, системы транспортировки и фокусировки излучения

9. Требования безопасности при эксплуатации и обслуживании лазерной установки

Заключение

Список литературы



Введение

Постановка задачи: проектирование установки для осуществления процесса лазерного разделения листового стекла К-8, толщиной 1мм. в режиме термораскалывания.

Параметры стекла К-8 [10] :

1). Температура стеклования: 813 К.

2). Теплопроводность: 1,08 Вт/(мЧК).

3). Удельная теплоемкость: 710 Дж/(кгЧК).

4). Плотность: 2520 кг/м3 .

5). Показатель преломления: n2.6=1,4836.

Стекло К-8 широко применяется для производства линз, призм, плоскопараллельных пластин, сферических линз, цилиндрических линз, зеркал и других типов оптических компонентов.

Режим термораскалывания характерен для ряда хрупких неметаллов: керамики, ситалла, стекла и некоторых других.

Под лазерным разделением хрупких материалов в режиме их термораскалывания понимается процесс, заключающийся в нагреве образца лазерным излучением и появлением в связи с этим значительных напряжений, обусловленных наличием высокого температурного градиента. При превышении этими напряжениями предела прочности в материале возникают трещины, которые при перемещении луча вдоль поверхности следуют за лучом. Необходимым условием появления трещин в материале в термическом отношении является нагрев до температуры, превышающей предел термостойкости материала, но не доходящей до значений температуры его стеклования Tc [2].

Термостойкостью хрупких материалов называют их способность противостоять, не разрушаясь, термическим напряжениям, обусловленным изменением температуры при нагреве или охлаждении.

Температура стеклования соответствует такому значению температуры, при котором физические свойства материала изменяются наиболее резко. Материал находится в твердой фазе, только при условии, что его температура ниже температуры стеклования материала.

Вследствие малой теплопроводности материалов, подверженных хрупкому разрушению, объем материала, в котором возникают значительные термонапряжения, в начальный момент времени очень мал. Однако для гарантированного разрушения образца необходимо, чтобы достаточно быстро прогрелся существенный объем материала. Скорость распространения напряжений по глубине материала зависит от скорости переноса теплоты, определяемого механизмом теплопроводности. Малые значения теплопроводности хрупких материалов обусловливают небольшие скорости распространения термонапряжений по сравнению с возможными скоростями перемещения лазерного луча по поверхности образца, что приводит к запаздыванию разрушения относительно траектории луча.

Для обеспечения достаточно быстрого разрушения материала необходимо, чтобы напряжения в нем были максимальны. Чем значительнее возникающие в материале напряжения будут превышать предел термостойкости, тем больше вероятность его разрушения. Следовательно, градиенты температур, возникающие в хрупком материале под воздействием лазерного излучения, должны быть максимально большими. Температурный градиент определяется двумя факторами: максимальной температурой нагрева и минимальной областью нагрева материала, зависящими от концентрации энергии и от скорости перемещения лазерного луча, которая в данном случае определяется свойствами материала.

Требование обеспечить максимальный градиент температур в стекле накладывает определенные ограничения на перечисленные факторы: область нагрева материала должна быть минимальной, следовательно, нагрев должен осуществляться достаточно быстро, а максимальная температура нагрева стекла не должна превышать температуру стеклования, при которой напряжения в стекле резко снижаются; для увеличения градиента температур, возможна подача хладагента по направлению обработки вслед за лазерным лучом, для создания минимальной области нагрева материала.



1. Технологические особенности лазерного термораскалывания листового стекла

Основой технологии управляемого лазерного термораскалывания диэлектрических материалов является зарождение микротрещины и управление ее движением лазерным лучом и хладагентом, как показано на рис. 1. Микротрещина зарождается на первоначальном дефекте, который в имеющихся установках создается искусственно с помощью механического устройства (алмазной пирамиды) путем вдавливания ее в материал, где в последующем эту точку освещают лазерным лучом, сечению которого придается специальная форма (чаще всего эллиптическая); после прохождения луча через первоначальный дефект, микротрещина начинает расти по направлению следования лазерного луча. Хладагент из форсунки падает на горячий след луча, усиливая термонапряжение в микротрещине [3].

Рисунок 1. Схема управляемого лазерного термораскалывания:

1 - микротрещина; 2 - форсунка для хладагента; 3 - лазерное излучение; 4 - алмазная пирамида для дефектообразования; 5 - материал; 6 - дефект; 7 - фокальное пятно; 8 - пятно охлаждения.

Для обеспечения термораскалывания по строго заданному контуру, отставание начала трещины от подвижной точки попадания луча должно быть вполне определенным. При большом отставании трещина распространяется неравномерно: она может обогнать луч, что приводит к неуправляемому разрушению стекла, или уходить в сторону от направления перемещения луча, особенно если пластина разделяется не посередине. Качественное термораскалывание обеспечивается при длине отставания, равной по порядку величины толщине разделяемого материала.

Наиболее важно сохранить заданное отставание трещины на начальном и конечном участках линии разделения. Если трещина зарождается на срезе, обычно имеющем много различных дефектов -- микротрещин, сколов, царапин и т. д., тогда трудно гарантировать, что по соседству с линией разделения будут отсутствовать более крупные дефекты, способные более легко зародить трещину в стороне от точки набегания луча на край пластины. На некотором расстоянии от края пластины обычно направление трещины совмещается с направлением перемещения луча. При этом трещина искривляется. Для устранения такого искривления необходимо применять специальные меры. Можно, например, снизить скорость перемещения лазерного луча на начальном участке, увеличивая тем самым степень воздействия на стекло. В некоторых случаях это приводит к более точному разделению. Известны также другие меры -- изменение степени фокусировки луча с переходом на скрайбирование на начальном участке, предварительное нанесение царапин, легкое обкалывание кромки, прикосновение острого охлажденного инструмента.

Особенно трудно зарождается термотрещина на кромке стекла, полученной в результате лазерного термораскалывания. Высокое качество кромки стекла, обеспечиваемое в результате его разделения рассматриваемым методом, в данном случае затрудняет раскрой стекла во взаимно пересекающихся направлениях.

На конечном участке линии разделения термораскалывание облегчается и часто здесь трещина обгоняет лазерный луч, что приводит к потере контроля под ходом процесса. Для устранения этой причины искривления линии термораскалывания можно повысить скорость перемещения лазерного луча на конечном участке разделения или снизить его мощность. Во многих случаях это позволяет устранить обгон и обеспечить контролируемое распространение термотрещины по всей линии разделения.

Большое значение при осуществлении управляемого термораскалывания имеет форма лазерного луча. Экспериментально было установлено, что для качественного термораскалывания, кроме обеспечения описанных ранее условий, необходимо также, чтобы след лазерного луча на поверхности обрабатываемого материала имел форму эллипса, вытянутого в направлении разделения. Кроме формы важен диаметр лазерного луча: он должен примерно равняться толщине обрабатываемого стекла. При толщине разрезаемого материала 1мм., диаметр лазерного луча в зоне обработки должен составлять ? 1мм.

Следует отметить, что процесс лазерного термораскалывания эффективно реализуется в том случае, если в стеклянных изделиях отсутствуют заметные термонапряжения. При недостаточно тщательном отжиге стекла его разделение с помощью лазерного излучения затруднено, а при наличии чрезмерных остаточных напряжений в стекле эти процессы реализовать не удается. Это объясняется тем, что поскольку воздействие лазерного излучения на стекло при термораскалывании проявляется в создании локальных направленных термонапряжений, наличие неконтролируемых остаточных напряжений исключает возможность осуществления рассматриваемых технологических операций. Среди плюсов лазерного термораскалывания стекла можно отметить следующие преимущества [1]:

- наименее энергоемкий способ лазерного разделения стекла;

- лучше качество получаемой кромки реза;

- нет необходимости предварительного нагрева разрезаемого материала (при лазерной резке в режиме плавления и испарения стекло необходимо помещать в печь и нагревать до температуры приблизительно 6000С).

- отсутствие продуктов распада стекла;



2. Функциональная схема

2.1 Технологический лазер

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 2. Функциональная схема установки лазерного термораскалывания листового стекла.

На рисунке 2 изображена функциональная схема установки лазерной резки материала. Рассмотрим подробнее назначение отдельных блоков установки:



2.2 Технологический лазер

В состав технологического лазера входят:

- блок питания лазера;

- излучатель;

2.3 Излучатель

Излучатель предназначен для генерации лазерного излучения с необходимыми оптическими, энергетическими и пространственно-временными параметрами, обеспечивающими требуемые показатели качества и производительности процесса. Основными составляющими излучателя являются:

- активная среда - среда, в которой происходит генерация лазерного излучения;

- система накачки - передает энергию атомам или молекулам активной среды, давая им возможность перейти в возбужденное "метастабильное состояние", создает инверсию заселенности;

- резонатор - генерирует лазерное излучение. На торцах резонатора размещаются два зеркала: глухое и полупрозрачное, они обеспечивают положительную обратную связь в резонаторе, за счет чего и становится возможным генерирование лазерного излучения.

2.4 Блок питания

Блок питания лазера отвечает за электропитание всех потребителей энергии установки.



2.5 Система охлаждения

Система охлаждения предназначена для обеспечения нормального теплового режима работы лазерной установки. Система охлаждает излучатель лазера. Система охлаждения замкнутая, в качестве охладителя используется вода.

2.6 Система автоматизированного управления

Система автоматизированного управления (САУ) - это комплекс программно-аппаратных средств, основной задачей которого является обеспечение надежного и гарантированного управления всеми подсистемами установки посредством ЭВМ. На ЭВМ поступают оцифрованные сигналы от датчиков, расположенных в блоках установки, программно обрабатываются и сравниваются с показателями, заданными в соответствии с определенными технологическими процессами.

САУ обеспечивает:

- круглосуточное автоматическое поддержание заданных параметров технологического процесса;

- возможность контроля состояния систем с рабочего места диспетчера;

- сокращение времени реакции на опасные ситуации для предотвращения или уменьшения потерь;

- экономия электрической, тепловой энергии;

- увеличение сроков службы инженерного оборудования, предотвращение аварий;

- автоматическое предупреждение о необходимости техобслуживания элементов систем;

Показания от датчиков также поступают на монитор оператора, который может вмешаться в работу установки в случае необходимости.



2.7 Система датчиков

Данная система предназначена для обеспечения работоспособности установки. Посредством данной системы осуществляется наблюдение за состоянием элементов установки. Датчики располагаются в критических точках системы (высокая температура, недостаточное или превышенное значение давления) и в местах наиболее вероятных неисправностей. Работу и связь датчиков с ЭВМ осуществляют контроллеры, расположенные в местах установки датчиков. Они оцифровывают сигналы и отсылают их на ЭВМ, где происходит обработка сигналов. Датчики в системе охлаждения, контролируют температуру охлаждающей жидкости и ее давление в охлаждающем контуре, температуру активного элемента.

2.8 Система транспортировки и фокусировки излучения

Данная система предназначена для доставки лазерного излучения в зону обработки с приданием заданных параметров лучу (рисунок 3).

Поворотное зеркало расположено под углом 450 к обрабатываемой поверхности.

Использование одной фокусирующей линзы снижает уровень потерь мощности излучения на элементах системы фокусировки. Фокусирующая линза и поворотное зеркало входят в состав лазерной головки (рисунок 4).

Рисунок 3. Система транспортировки и фокусировки излучения. ГЗ - "глухое" зеркало резонатора; ВЗ - выходное зеркало резонатора; ПЗ - поворотное зеркало; Л1 - фокусирующая линза; Д - обрабатываемая поверхность.

2.9 Система позиционирования излучения и объекта

Назначение системы - относительное перемещение детали и луча в пространстве. Состоит из предметного стола с управлением от компьютера и навигационной (координатной) системы, а также - системы визуального контроля (для ручного и автоматизированного типов процесса). Лазерная головка и обрабатываемая поверхность могут перемещаться во взаимно перпендикулярных направлениях.

Рисунок 4. Установка управляемого лазерного термораскалывания. ЛГ - лазерная головка.

2.10 Система дефектообразования

В случае необходимости создания микротрещины в обрабатываемом материале путем механического воздействия, микротрещина зарождается на первоначальном дефекте, который создается с помощью системы дефектообразования, с помощью механического устройства (алмазной пирамиды) путем вдавливания ее в материал.

2.11 Система подачи хладагента

Для увеличения градиента температур на поверхности обрабатываемого материала, по направлению его разделения, возможна подача хладагента вслед за лазерным лучом, для создания минимальной области нагрева материала.

Данная система предназначена для хранения и подачи хладагента в зону обработки материала. В качестве хладагента используется вода.



3. Расчет мощности

Выражение мощности лазерного излучения, необходимой для обеспечения управляемого термораскалывания стекла с заданной скоростью, записывается в виде [1]:

(4.1),

где P0 - мощность излучения, поглощенного стеклом; Tc - температура стеклования материала; r - радиус лазерного излучения в зоне обработки; лt - коэффициент теплопроводности материала; c - удельная теплоемкость стекла; с - плотность стекла; v - скорость разделения стекла.

Таким образом, зная размеры и характеристики подлежащего обработке стекла, можно, используя (4.1), рассчитать мощность излучения лазера, необходимую для осуществления процесса лазерного термораскалывания стекла.

Расчеты по приведенному соотношению дают достаточно точные результаты, несмотря на то, что при выводе расчетной формулы были сделаны некоторые допущения, и вместо прямого вычисления термонапряжений использовалось понятие термостойкости стекла, определяемой по методам, достаточно приближенно учитывающим условия лазерной обработки стекла.

Скорость лазерного термораскалывания материала прямопропорциональна его теплопроводности и обратно пропорциональна квадрату его толщины. Никакими изменениями параметров лазерного излучения, в том числе и повышением мощности излучения, увеличить эту скорость не представляется возможным. Средняя скорость лазерного разделения листового стекла при толщине образца 1 мм в режиме термораскалывания составляет около 15 мм/c[1].

Из пункта 2, пучок на детали должен иметь форму эллипса, при этом длина осей эллипса должна быть приблизительно равна толщине разрезаемого стекла. Для соблюдения обоих условий, возьмем значение полуосей эллипса a=0.4, b=0.6 тогда в качестве значения r в формуле (4.1), возьмем значение:

(4.2),

r=0,5мм.

Подставив известные значения в соотношение (4.1), получим:

,

Вт ,

- поглощенная мощность лазерного излучения, необходимая для обеспечения управляемого термораскалывания стекла К-8 толщиной 1 мм.



4. Расчет рабочей длины волны

Каждому материалу при определенной температуре соответствует определенная длина волны, на которой происходит максимум поглощения. Зная температуру материала в зоне его обработки, необходимо выбрать длину волны, на которой поглощение материала будет наибольшим для данной длины волны.

Вычислим ее, используя понятие энергетической светимости абсолютно черного тела (АЧТ). Согласно второму закону Кирхгофа - в состоянии равновесия поглощаемая в секунду участком поверхности энергия излучения должна быть равна энергии, излучаемой в тот же промежуток времени тем же участком поверхности. Таким образом, зная максимум излучательной способности, мы определим максимум поглощательной способности. Для нахождения максимума излучательной способности, используются следующие формулы [6]:

[Вт/м2] (5.1),

[Вт/м2] (5.2),

[м] (5.3),

где y(х) - зависимость энергетической светимости АЧТ от длины волны;

x - длина волны;

Me(max) - максимум энергетической светимости;

л(max) - длина волны, на которую приходится максимум энергетической светимости;

T - температура АЧТ.

По приведенным выше формулам строим кривую Планка АЧТ при температуре Т=813К - температура стеклования стекла К-8 (рисунок 5):

Рисунок 5. График зависимости энергетической светимости y(x) АЧТ от длины волны х при температуре Т=813К.

Из рисунка 5 видно, что максимум поглощения при температуре 813К приходится на длину волны 3.565мкм. Лазерная резка в режиме термораскалывания осуществляется при температурах меньших температуры стеклования стекла, при этом, согласно (5.3), максимум энергетической светимости смещается в сторону больших длин волн, так, при температуре 750К, максимум поглощения приходится на длину волны 3.864 мкм. В связи с этим, для обработки стекол наиболее целесообразно использовать излучение СО-лазера (л = 4.8...6 мкм).

До того как лазерное излучение нагреет обрабатываемый материал до необходимой температуры, лазерный луч пройдет некоторое расстояние по зоне реза, не нагретой до необходимой температуры. Для достижения достаточного коэффициента поглощения излучения в начальной зоне движения лазерного луча по обрабатываемому материалу, на стекло в этой зоне наносится поглощающее покрытие BaO, позволяющее достичь коэффициента поглощения излучения - 0.9.



5. Расчет мощности лазерной установки, выбор излучателя

Мощность лазерного излучения должна быть достаточной, чтобы обеспечить управляемое термораскалывание стекла К-8 толщиной 1мм. с заданной скоростью. Основные потери мощности излучения происходят на элементах системы транспортировки и фокусировки излучения, а также на отражении части излучения от поверхности стекла и прохождения через стекло частью не поглотившегося излучения.

Поворотное зеркало выполнено из металлического медного зеркала с коэффициентом отражения д=0.992. В качестве материала для фокусирующей линзы выбран BaF2, имеющий наибольший показатель пропускания для излучения СО-лазера у=0,96 (рисунок 6), со следующими характеристиками:

- показатель преломления: n=1,39;

- коэффициент поглощения, см-1: 0,02;

В [10] приведена таблица значений показателя преломления стекла К-8 для длин волн в диапазоне (0.8 - 2.6)мкм, при этом значение показателя преломления стекла К-8 уменьшается с увеличением длины волны излучения. коэффициент отражения стеклом падающего излучения вычисляется по формуле:

о= (6.1),

где n - показатель преломления стекла для излучения СО-лазера.

Зависимость коэффициента отражения от величины показателя преломления представлена на рисунке 6:

Рисунок 6. Зависимость коэффициента отражения материала от величины показателя преломления. о(n) - коэффициент отражения; n - показатель преломления.

Из рисунка видно, что коэффициент отражения уменьшается, с уменьшением показателя преломления материала, поэтому для оценки отражения стеклом К-8 излучения СО-лазера, можно использовать значение показателя преломления стекла для длины волны излучения 2.6 мкм:

о= ;

.

Поворотное зеркало выполнено из металлического медного зеркала с коэффициентом отражения д=0.992. В качестве материала для фокусирующей линзы выбран BaF2, имеющий наибольший показатель пропускания для излучения СО-лазера у=0,96 (рисунок 7), со следующими характеристиками:

- показатель преломления: n=1,39;

- коэффициент пропускания: 0,96;

Рисунок 7. Зависимость пропускания лазерного излучения от длины волны оптическими материалами.

На рисунке 8 представлена зависимость пропускания излучения стеклом К-8 в зависимости от длины волны. Как видно из рисунка, стекло К-8 непрозрачно для излучения СО - лазера.

Рисунок 8. Зависимость пропускания излучения от длины волны некоторыми видами стекол.

Потери излучения У на элементах системы транспортировки и фокусировки излучения, а также на отражении от обрабатываемой поверхности составляют:

У=1 - д· у2·(1-о) (6.2),

где д - часть излучения, отраженная поворотным зеркалом; у - коэффициент пропускания материалом фокусирующей линзы излучения СО-лазера; о - часть излучения, отраженная поверхностью обрабатываемого стекла; У - суммарные потери мощности излучения на элементах системы транспортировки и фокусировки излучения и на отражении от обрабатываемой поверхности.

Подставив известные значения, получим:

У= 1 - 0,992·0,962·(1-0,038),

У= 0.1205.

Необходимая мощность лазерной установки равна:

P=P0·(1+ У),

Р = 19.13(1+0.1205) ? 22Вт.

В качестве излучателя выбран излучатель ИЛГН-711, имеющий следующие технические и эксплуатационные характеристики [7]:

Мощность излучения, Вт 10…40

Длина волны излучения, мкм 5…6

Диаметр лазерного пучка, мм 10

Тип активного элемента отпаянный

Ток анода, мА не более 40

Габаритные размеры излучателя, мм ш90*1430

Температура окружающей среды, 0С 5…35

Расход воды, л/мин 3…5

Температура воды на входе системы охлаждения, 0С не более 20

Использование излучателя на половину его максимальной мощности позволяет увеличить время работы излучателя (ресурс излучателя) более чем в 2.5 раза [7]. Резонатор излучателя - плоско-сферический, перетяжка лазерного пучка находится на выходном зеркале резонатора.



6. Энергетический баланс и расчет КПД лазера

Основные рабочие процессы в лазере связаны с преобразованием и передачей энергии (рисунок 9). Энергетическая эффективность лазера, как правило, невелика, поэтому конечная величина получаемой энергии излучения составляет небольшую часть от выделяющейся в процессе работы лазера энергии различных видов.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рисунок 9. Энергетический баланс в лазерах.

Суммарная энергия Е?, которая поступает от источника энергии, расходуется на питание системы накачки (ЕСН) и возбуждение активной среды (ЕАС). При этом происходят неизбежные потери энергии Е? на питании вспомогательных элементов лазерной установки (ДЕэ), нагревании элементов системы накачки (ДЕСН) и активной среды (ДЕАС).

С учетом потерь энергии ДEЭ можно записать:

Е?=ЕСН+ЕАС+ДЕЭ (7.2),

Эффективность источника энергии зЭ:

зЭ==, (7.3),

где ЕЭН - энергия, затрачиваемая на питание системы накачки.

Обозначив относительные доли энергии, затрачиваемые на отдельные системы через еi, выражение можно записать в виде:

зЭ=еСН (7.4),

где еСН - относительная доля энергии, затраченной на работу системы накачки.

Коэффициентом полезного действия системы накачки называют отношение энергии, передаваемой системой накачки рабочему телу (ЕСН), к энергии, обеспечивающей работу системы накачки:

зСН== (7.5).

Только часть энергии, подводимой к активной среде ЕАС, может быть принципиально реализована в виде лазерного излучения Е0. Эта часть определяется коэффициентом полезного действия накачки зН и квантовым КПД излучающего атома или молекулы зК:

зН?зК= (7.7),

зЛ= (7.8),

зЛ=зСН?еСН?зН?зК (7.9),

где зЛ - энергетическая эффективность лазера (КПД лазера).

Оценим КПД лазера:

зК=0,7 [8];

зН=0,17 [7];

зСН=0,5 [9];

еСН=0,5 [9];

зл=0,7?0,17?0,5?0,5=0,0298

Таким образом, КПД установки для лазерного термораскалывания листового стекла составляет примерно 2,98%.



7. Расчет системы охлаждения

При работе лазера в активной среде остается запас энергии, который будет вызывать ее нагрев. Рост температуры активной среды приводит к росту заселенности нижнего лазерного уровня и уменьшению инверсии. Кроме того, нагрев активной среды может привести к нежелательным изменениям ее физико-химических свойств и отрицательному воздействию на элементы конструкции лазера, поэтому в процессе генерации излучения необходимо создать условия, не допускающие перегрева активной среды сверх допустимой температуры (400 К) [7], т. е. обеспечить эффективный отвод тепла, как от активной среды, так и от элементов системы накачки.

Рассмотрим активный элемент: длина L=1430мм, диаметр d=8мм. Объемное тепловыделение в активной среде рассчитывается по формуле [8]:

, (8.1)

где - теплопроводность активной среды;

Т0=298К - начальная температура активной среды;

Тmax=400K - максимальная температура активной среды;

R=4?10-3м - радиус активного элемента.

Подставив значения, получим:

,

.

В качестве охладителя активной среды используется дистиллированная вода, которая с начальной температурой T0ж=298K пропускается по контуру, охлаждает активный элемент, нагреваясь при этом до температуры Tmaxж=301K, затем направляется в холодильник, а затем возвращается к активному элементу. Система охлаждения замкнутого цикла. Для бесперебойной работы установки тепло, которое выделяется в активной среде, должно отводиться.

Расход воды, обеспечивающий отведение необходимого количества теплоты выражается формулой:

(8.2),

(8.3),

(8.4),

(8.5),

где - количество теплоты, которое необходимо отвести от объема активного элемента;

- количество теплоты, которое необходимо отвести от элементов системы накачки;

зК - квантовый КПД излучающей молекулы;

еН - относительная доля энергии, затраченной на работу системы накачки.

зН - коэффициент полезного действия накачки;

- объемное тепловыделение в активной среде;

V - объем активной среды;

R - радиус активного элемента;

L - длина активного элемента;

- теплоемкость охладителя, для воды:=4200Дж/(кг?К);

T0ж - начальная температура охладителя;

Tmaxж - максимальная температура охладителя;

P - мощность лазерной установки;

Подставив известные значения получаем:

м3

+=(3.825?106?71,84?10-6) + =644.44 Дж;

м3/мин.

Для обеспечения нормального теплового режима работы установки при мощности излучения 22Вт, необходимый расход воды в контуре системы охлаждения составляет 3 л/мин.



8. Расчет резонатора, системы транспортировки и фокусировки излучения

Рисунок 10. Резонатор технологического лазера: щ0 - радиус перетяжки лазерного луча в резонаторе; Lp - расстояние между зеркалами резонатора.

Резонатор выбранного излучателя - плоско сферический, "глухое" зеркало резонатора выполнено из металлического медного зеркала, с коэффициентом отражения для л= 5…6мкм. - 0,992. Выходное зеркало выполнено из арсенида галлия и имеет светоделительное покрытие. Коэффициент отражения светоделительного покрытия в диапазоне л= 4…7мкм составляет 88 - 90%. Для снижения оптических потерь, на поверхность выходного зеркала, контактирующего с атмосферой, нанесено просветляющее покрытие.

Расчет резонатора осуществляется с учетом приближений:

расчет открытого плоско-сферического резонатора;

распределение напряженности электрического поля в поперечном сечении потока излучения описывается гауссовым законом распределения;

коэффициент преломления среды резонатора принят равным 1;

расчет устойчивого резонатора.

длина волны излучения при проведении расчетов принята л=5.5мкм;

в длине резонатора укладывается целое число длин волн излучения лазера.

Необходимо рассчитать параметры зеркал.

Исходные данные:

длина волны л=5.5·10-3мм;

длина резонатора Lp=1350 мм [7];

показатель преломления среды резонатора n=1;

радиус пучка на "глухом" зеркале wL=5 мм. [7].

Перетяжка пучка находится на плоском зеркале резонатора, где пучок имеет минимальный поперечный размер в некотором сечении, а фронт волны плоский. По мере удаления от этой плоскости размеры пучка увеличиваются, а кривизна фронта сначала возрастает, а затем уменьшается:

(9.1),

(9.2),

где щ(z) - радиус пучка в точке z; R(z) - радиус кривизны волнового фронта в точке z; щ0 -радиус пучка в перетяжке;

л - длина волны излучения лазера;

z - расстояние от перетяжки до интересующей точки. Положительное направление оси z направлено вправо от перетяжки.

В качестве фокусирующей линзы используется цилиндрическая плосковыпуклая линза, это позволяет получить на выходе линзы пучок эллиптической формы.

Расчет фокусирующей линзы производится по формуле линзы конечной толщины для плосковыпуклой линзы, имеющей вид [11]:

(9.3),

где n - показатель преломления материала линзы;

f' - заднее фокусное расстояние линзы;

- радиус кривизны линзы.

Заднее фокусное расстояние линзы равно переднему фокусному расстоянию при нахождении системы в воздухе. Переднее фокусное расстояние линзы вычисляется по формуле [12]:

(9.4),

где R1, R2 - радиусы кривизны волнового фронта падающего на линзу пучка и преобразованного ей соответственно.

Рисунок 11. Система фокусировки излучения: w0 - перетяжка пучка на выходном зеркале резонатора; wд - перетяжка пучка преобразованного фокусирующей линзой; wл - радиус пучка на фокусирующей линзе; wL- радиус пучка на "глухом" зеркале резонатора; rл- радиус линзы; Rp- радиус кривизны "глухого" зеркала резонатора; R1, R2 - радиусы кривизны волнового фронта падающего на фокусирующую линзу и преобразованного ей соответственно; Lр - длина резонатора; z1 - расстояние от выходного зеркала резонатора до фокусирующей линзы; z2 - расстояние от фокусирующей линзы до обрабатываемой поверхности.

Пусть w0 - перетяжка пучка на выходном зеркале резонатора, wд - перетяжка пучка преобразованного линзой Л1 на поверхности обрабатываемой детали, wл - радиус пучка на фокусирующей линзе (рисунок 10). Учитывая, что радиус пучка, падающего на линзу, равен радиусу пучка, выходящего из нее, радиус пучка на "глухом" зеркале резонатора - 5мм, размеры полуосей эллипса на обрабатываемой поверхности a=0.4мм, b=0.6мм, используя (9.1), составим систему уравненй:

(9.5),

где w0 - перетяжка пучка на выходном зеркале резонатора; wд - перетяжка пучка, преобразованного фокусирующей линзой; wл - радиус пучка на фокусирующей линзе; wL- радиус пучка на "глухом" зеркале резонатора; L - длина резонатора; z1 - расстояние от выходного зеркала резонатора до фокусирующей линзы; z2 - расстояние от фокусирующей линзы до обрабатываемой поверхности; л - длина волны излучения.

Подставив известные значения, получим решение системы:

= 0.475 мм; излучатель питание транспортировка излучение

= 99.481мм;

= 102.179 мм.

Зная z1, z2, найдем, используя (9.2), значения R1 и R2:

;

266.44;

;

= -183.922.

Переднее фокусное расстояние фокусирующей линзы:

Теперь, зная фокусное расстояние линзы, рассчитаем радиус выпуклой поверхности линзы, используя (9.3):

Радиус выпуклой поверхности линзы rл=42.4мм;

Диаметр линзы должен составлять D ? 0.95мм, толщина линзы t ? 0.05мм.

Зная размер перетяжки пучка , найдем, пользуясь формулой (9.2), радиус кривизны фронта волны на расстоянии -1350мм от плоского зеркала. В этом месте и будет стоять вогнутое сферическое зеркало, радиус кривизны которого будет равен радиусу кривизны фронта волны.

мм.

Радиус кривизны сферического зеркала: 1362 мм.



9. Требования безопасности при эксплуатации и обслуживании лазерной установки

Требования к конструкции:

- конструкция и индивидуальные средства защиты должны обеспечивать безопасность людей и исключать возможность несанкционированного выхода лазерного излучения, а также других сопутствующих вредных факторов за пределы рабочей зоны;

- лазерная установка должна иметь визуальные и (или) звуковые устройства предупреждения о лазерной опасности;

- органы управления установкой должны быть размещены и сгруппированы с учетом последовательности операций таким образом, чтобы при регулировке и работе не происходило облучение персонала лазерным излучением с уровнем, превышающим ДПИ для класса 1. Формы органов управления должны легко идентифицироваться;

- лазерная установка должна быть снабжена съемным ключом управления, при отсутствии которого установка не должна работать, или дистанционным управлением;

- в качестве средств защиты от лазерного излучения следует использовать экраны, которые должны быть изготовлены из огнестойкого и непроницаемого для лазерного излучения материала и максимально закрывать зону взаимодействия лазерного пучка с мишенью;

- особые требования предъявляются к зоне обработки (или контакта лазерного пучка с мишенью). Цвет внутренних поверхностей защитных элементов лазерной установки (кожуха, экрана и т.п.) должен быть темный, матовый, с максимальным поглощением лазерного излучения и отсутствием блестящих и отражающих элементов.

Требования к размещению лазерных изделий, организации рабочих мест и помещениям:

- траектория прохождения лазерного пучка должна быть заключена в оболочку из несгораемого материала или иметь ограждение, снижающие уровень лазерного излучения при визуальном наблюдении лазерного пучка до ДПИ для класса 1 и исключающие бесконтрольное попадание лазерного пучка на зеркально отражающие поверхности. Оболочка или ограждение траектории лазерного пучка должны иметь цветовую или световую маркировку, предупреждающие надписи, знак лазерной опасности;

- рабочие места должны быть организованы таким образом, чтобы исключать возможность воздействия на персонал лазерного излучения или чтобы его величина не превышала ДПИ для класса 1. Также рабочее место обслуживающего персонала, взаимное расположение всех элементов (органов управления, средств отображения информации, оповещения и др.) должны обеспечивать рациональность рабочих движений и максимально учитывать энергетические, скоростные, силовые и психофизиологические возможности человека;

- наличие оперативной связи для вызова наладчика при нарушении работы лазерной установки обязательно;

- установка, должна эксплуатироваться в специально выделенном помещении, которое должно соответствовать требованиям пожарной безопасности и иметь необходимые средства предотвращения пожара и противопожарной защиты. Отделку помещения следует выполнять только из негорючих материалов. Не допускается применение глянцевых, блестящих, хорошо (зеркально) отражающих лазерное излучение материалов (коэффициент отражения рекомендуется не более 0,4);

- двери помещений должны иметь знак лазерной опасности, кроме того, они должны быть оборудованы специальным замком и дополнительно иметь надпись: "Посторонним вход запрещен".

Требования безопасности при эксплуатации и обслуживании лазерной установки:

- к ремонту, наладке и испытанию лазерной установки допускаются лица, имеющие соответствующую квалификацию и прошедшие инструктаж по технике безопасности в установленном порядке;

- при эксплуатации установки должно назначаться лицо, ответственное за охрану труда при его эксплуатации. Обслуживающий персонал должен обеспечиваться средствами индивидуальной защиты, в т.ч. специальными защитными очками или щитками со светофильтрами, рекомендуется применять защитную одежду, изготовленную из жаростойкого и отражающего материала;

Требования электробезопасности:

- лазерная установка должна быть сконструирована и изготовлена таким образом, чтобы гарантировать защиту персонала при эксплуатации, а также при возникновении неисправности от поражения электрическим током;

- элементы конструкции, с которыми соприкасается оператор во время работы лазерного изделия, рекомендуется выполнять из диэлектрического материала или наносить на них защитное диэлектрическое покрытие;

Медицинский контроль:

- лица, работающие с лазерным излучением (в процессе изготовления, испытаний и эксплуатации), должны проходить обязательное медицинское обследование: окулист, дерматолог, 1 раз в 6 месяцев.



Заключение

Спроектированная установка является лазерной системой специального назначения для осуществления процесса управляемого лазерного термораскалывания стекла марки К-8 толщиной 1мм. Однако на базе данной установки можно производить термораскалывание материала больших толщин, без увеличения мощности лазерной установки. Для этого необходимо ввести систему бесконтактного докалывания материала, обеспечивающую управляемое распространение микротрещины по всей толщине материала. Наиболее эффективным является пневматическое устройство акустического докалывания материала (рисунок 12) [3]. К его плюсам относятся бесконтактность воздействия на материал, а также простота устройства с возможностью регулировки удара в широком диапазоне.

Рисунок 12. Устройство для реализации акустического докалывания термораскалываемых материалов: 1 - пучок СО-лазера, 2 - микротрещина, 3 -материал, 4 - сапфировый капилляр, 5 - вольфрамовый электрод, 6 - кварцевая изоляция, 7 - электрод, 8 - газ, 9 - импульсный блок питания, 10 -ударная волна.



Список литературы

Григорьяц А. Г. Лазерная обработка неметаллических материалов - М.: Высшая школа, 1988;

Мачулка Г. А. Лазерная обработка стекла - М.:1975;

Оптический журнал. Том 71, № 2, 2004. В. К. Сысоев, В. П. Папченко. "Увеличение эффективности управляемого лазерного термораскалывания диэлектрических материалов".

http://www.optotl.ru/

Рыкалкин Н. Н. Лазерная и электролучевая обработка - М., 1985;

Лекции по дисциплине "Источники и приемники излучения".

Алейников В. С. Лазеры на окиси углерода - М.:1990;

Лекции по дисциплине "Лазерные системы специального назначения";

Справочник по лазерной технике/ под ред. Байбородина Ю.В., Криксунова Л. З., Литвиненко О. Н. - Киев: Техника, 1978.

ГОСТ 13659-78. Стекло оптическое бесцветное. Физико-химические характеристики. Основные параметры.

Заказнов Н. П. Теория оптических систем - М.: Машиностроение, 1992;

Звелто О. Принципы лазеров - М., 1990.

Размещено на Allbest.ru

...