1.2 Особливості виконання експерименту

Після того, як установку зібрано згідно схеми (Рис.1), перед нами постає задача правильно обрати діапазон вимірювання енергії на калориметричному вимірювачі ИКТ-1Н. Цей діапазон може коливатись від 0,05 до 150 Дж.

1) Визначаємо енергію, необхідну для поверхневої локальної обробки зразка. Для цього:

Знаючи температуру обробки (закалки) та тривалість імпульсу, знаходимо густину потужності енергії з формули:

, (2)

де А-поглинаюча здатність матеріалу;

К – коефіцієнт теплопровідності;

τ – тривалість імпульсу;

а – температуропровідність матеріалу;

Wp – густина потужності.

Отже Wp = ,

з іншого боку Wp = , де S= - площа зони впливу випромінювання. (3)

Тобто енергія, необхідна для локальної обробки поверхні Е = W_pτS. (4) 2) Далі, враховуючи відсоток енергії, яка потрапляє у ИКТ-1Н, а також енергії, що приходиться на зразок, обираємо діапазон енергії і шкалу на приладі.

Наприклад, отримане значення енергії, необхідної для обробки зразка Е= 8Дж ( що складає 80% від усієї, яка вийшла з випромінювача), а у калориметр потрапляє 1% цієї енергії. Отже 100% інтенсивності енергії – це 10Дж, з них у вимірювач потрапляє 0,1Дж. В такому випадку доцільно обрати діапазон енергії 0,5Дж та верхню шкалу з ціною поділки 0,01Дж.

1.3 Об’єкт дослідження

Об’єктом дослідження є енергія лазерного імпульсу з урахуванням оптичної схеми експерименту.

2. Розрахунки і результати вимірювань

Завданням є визначення повної енергії імпульсного випромінювання.

Параметри імпульсів випромінювання визначаються енергією імпульсу накачування.

1) Ми розраховуємо відсоток енергії, який потрапить на калориметр, з урахуванням втрат після відбиття від світлорозподільчих пластинок.

Рисунок 3 – Схематичне зображення розташування світло розподільчих пластинок (7,8 – світло розподільчі пластинки; 9 – калориметр ИКТ-1Н, 2 - твердотільний випромінювач)

Припустимо, з твердотільного випромінювача (2) виходить 100% енергії. Промінь потрапляє на першу скляну плоско-паралельну пластину (7) під кутом 45˚. Частина променю відбивається, інша частина проходить. Відбиті промені в свою чергу потрапляють на другу пластинку (8), також під кутом 45˚ Більш детально хід променів у плоско-паралельній пластинці зображено на рисунку 4. Після відбиття від другої пластинки промені потрапляють у отвір вимірювача енергії (9).

Рисунок 4 – Хід променів у плоско-паралельній пластинці на межі середовищ повітря-скло

Розглянемо першу плоско-паралельну пластинку.

Інтенсивність променя к_о , який падає на передню грань пластинки під кутом Ө₁=45˚ складає 100%. При даному куті падіння коефіцієнт відбиття для скла ̴ 6% (значення беремо в таблиці). Отже інтенсивність променя Ік₁ = 6%. Інтенсивність променя, який пройшов крізь першу грань складає 94% (100%-6%).

Далі промінь заломлюється під кутом Ө₃ до нормалі. Кут Ө₃ знаходимо по формулі:

n₁sin Ө₁=n₂sinӨ₃ , (2)

де n_1,2 – показники заломлення для повіря і скла відповідно,

Ө₁ – кут між падаючим променем і нормаллю до поверхні

Ө₃ – кут між заломленим променем і нормаллю

Отже, Ө₃ = аrcsin((n₁sin Ө₁)/n₂) = аrcsin(0,46) =27˚

Заломлений промінь відбивається від другої грані (кут відбиття 27˚ = куту падіння) і біля першої – частина променю відбивається знову під таким же кутом, а частина виходить на повітря.

Тобто до точки б інтенсивність променю можна розрахувати:

Ік_0б = (94%*4,9)/100% = 4,6%

В точці б відбувається знову відбитя, і інтенсивність відбитого променю рівна:

Ік_відб = (4,6%*4,9)/100% = 0,22% ,

де 4,9 – коефіцієнт відбиття для скла при куті 30˚.

Отримане значення досить маленьке, тому подальшим ходом променю можна знехтувати.

Ік₂ = Ік_0б – Ік_відб = 4,6 – 0,22 = 4,38%

Тобто від першої пластинки сумарна інтенсивність відбиття дорівнює

І_сум = Ік₁+Ік₂ = 6+4,38 = 10,38%

Розглянемо другу плоско-паралельну пластинку.

Для спрощення скористаємось тією самою схемою ходу променів (Рис.4).

Ік₀ = І_сум = 10,38%.

Вхідний отвір калориметру має діаметр 3 см, тобто 30 мм. Прилад ИКТ-1Н встановлено так, щоб промінь к₁ потрапляв приблизно в центр. Тобто ми маємо обмеження в 15 мм для наступного променю. Знаючи кут заломлення і товщину пластинки (в=3 мм), можна знайти відстань s:

s=в*tgӨ₃ = 3*0,5 =1,5 мм (з прямокутного трикутника)

Відстань s нам потрібна для визначення відстані між паралельними променями к₁ і к₂. Далі з трикутника ОАБ знайдемо відрізок АБ, який і відповідає відстані між променями:

АБ = ОБ*sin(>АОБ) =2s*sin(45˚) = 2*1,5*0,7 = 2,1 мм

Оскільки промінь к₂ паралельний променю к₁ і проходить на відстані 2,1 мм від нього, то він обов’язково потрапить у отвір. Це означає, що ми маємо врахувати його інтенсивність також.

Наступні розрахунки аналогічні випадку з першою пластинкою. В результаті:

Ік₁ = 0,62%

Ік_0б = 0,47%

Ік_відб = 0,02%

Ік₂ = 0,45%

Сумарна інтенсивність відбиття від другої пластинки (І_сум2):

І_сум2 = 0,62+0,45 = 1,07%

Тобто у вимірювач калориметричний твердотільний потрапляє лише 1,07% вихідної енергії.

2) Розраховуємо відсоток енергії імпульсного випромінювання, який потрапляє на зразок з урахуванням втрат під час проходження крізь призму та оптичну лінзу.

Для цього розглянемо частину схеми, зображену на рисунку 5.

Рисунок 5 – частина оптичної схеми експерименту, де 4 – призма; 5 – оптична система(лінза); 6 – зразок.

Розглянемо хід променя при проходженні крізь скляну призму (Рис.6).

Рисунок 6 – Хід променів при проходженні крізь призму

Інтенсивність падаючого по нормалі до площини променя дорівнює:

Ік = 100% – І_сум = 100 – 10,38 = 89,62%

Коефіцієнт відбиття R розраховуємо по формулі:

R = , (5)

Де n – показник заломлення (скло). [4]

Отже R = = 0,04, тобто 4%

Звідси слідує, що інтенсивність променю, який пройшов крізь першу грань, враховуючи часткове відбиття, дорівнює:

Ік_а =89,62 - (4*89,62)/100 = 86,04% ̴ 86%

Слід також врахувати відбиття від третьої грані. Тоді інтенсивність променю на виході призми:

Ік_с = 86 – (86*4)/100 = 82,5%

Розглянемо хід променю при потраплянні на збиральну двовипуклу оптичну лінзу (Рис.7).

Рисунок 7 – Зображення променю, який проходить крізь центр двовипуклої збиральної лінзи

Інтенсивність падаючого променю рівна інтенсивності променю на виході призми (Рис.5). Тобто Ік = Ік_с = 82,5%

Оскільки призма скляна, то при проходженні крізь т. А, відбиття складає 4%

Отже інтенсивність променю, який пройшов всередину і потрапить у т. Б дорівнює:

Ік_аб = 82,5 – (82,5*4)/100 = 79,2%

Враховуючи наступне відбиття, інтенсивність променю на виході з лінзи:

Ік_б =79,2 – (79,2*4)/100 = 76%

У підсумку, ми отримали, що інтенсивність енергії випромінювання, яка потрапить на зразок, з урахуванням втрат під час проходження крізь призму та оптичну лінзу, складає 76%.

3) Після проведення експерименту ми отримали значення енергії, яка надійшла до калориметра ИКТ-1Н. Ця енергія Ек = 0,018Дж. Оскільки калориметр фіксує значення сумарної енергії імпульсу, ми можемо визначити лише повну енергію імпульсу, яка генерується лазером.

Попередньо ми розрахували, що ця енергія складає 1,07% тієї енергії, яка вийшла з випромінювача. Тобто повну енергія променю, який не зазнав втрат можна розрахувати:

Е = (0,018*100)/1,07 = 1,68 Дж.

Також, використавши попередні розрахунки, знайдемо енергію, яка потрапила на зразок:

Езр = (0,018*76)/1,07 = 1,27 Дж.

Оскільки сума Ек та Езр < Е, можна припустити, що інша частина енергії розсіялась. А саме Ерозс = Е – (Ек+Езр) = 1,68 – (0,018+1,27) = 0,39%

Неточність зумовлена також спрощеннями та округленнями під час розрахунків.

Висновки до розділу 2

В результаті експерименту встановлено, що в калориметр потрапило 0,018Дж енергії лазерного імпульсного випромінювання. Це становить 1,07% інтенсивності усієї енергії імпульсу, яку випустив твердотільний випромінювач.

Також розраховано, що на зразок потрапило 1,27 Дж енергії лазерного імпульсу, що відповідає 76% інтенсивності первинного випромінювання.

Всього лазером згенеровано випромінювання з повною енергією імпульсу 1,68 Дж. Розрахована нами енергія – повна, бо твердотільний вимірювач ИКТ-1Н логарифмує значення енергії.

Техніка безпеки при експлуатації лазерів і лазерних установок

При експлуатації лазерів і лазерних установок персонал може зазнати впливу великої кількості небезпечних і шкідливих виробничих факторів. Ступінь їх впливу залежить від просторово-енергетичних характеристик лазерного випромінювання, умов експлуатації лазерних установок і їх конструктивних особливостей. При цьому можна виділити два типу небезпечних і шкідливих виробничих факторів.

До першого типу відносяться фактори, що впливають в основному на окремі органи, до другого - на весь організм. Перший тип факторів включає лазерне випромінювання, аеродисперсні системи, шкідливі хімічні речовини і шум.

До другого типу чинників відносять вібрацію, електромагнітні поля, підвищений напруга, іонізуюче випромінювання, мікрокліматичні умови. [5]

Забороняється прямо дивитися на промінь лазера або на його дзеркальне відображення, якщо щільність енергії перевищує допустимі для ока рівні опромінення.

Не слід наводити промінь лазера, дивлячись на нього неозброєним оком, так як необхідність спостереження вздовж осі лазерного променя значно збільшує небезпеку ураження органу зору в результаті відображення.

Необхідно вживати заходів, що виключають можливість наближення персоналу до передбачуваної траєкторії пучка з будь-якої сторони.

Точки фокусування пучка при роботі ОКГ повинні бути захищені діафрагмами; в кінці пучка встановлюється пастка для поглинання випромінювання та захисту від бризок, випаровувань і аерозолів, що виділяються досліджуваним речовиною. Для зменшення розсіювання світла лінзи, кювети, призми та інші пристрої, що стоять на шляху поширення світлового пучка, повинні забезпечуватися блендами. На кінцевій ділянці лазерного променя рекомендується встановлювати мішень.

Всі автоколімаційні оптичні пристрої та інші пристосування для візуальної юстування ОКГ повинні бути забезпечені постійно вмонтованими захисними фільтрами з смугою поглинання, що включає як основну частоту лазера, так і її найбільш інтенсивні гармоніки.

Захисні стекла фільтрів необхідно періодично перевіряти, щоб гарантувати їх оптичну щільність. Ці перевірки необхідні, так як в процесі роботи з потужними світловими потоками захисні скла (окуляри) можуть змінити свої первинні оптичні характеристики.

Потрібно завжди пам'ятати, що захисні окуляри з фільтрами, затримують випромінювання на частоті, що генерується даної установкою, забезпечують лише частковий захист. Необхідно використовувати тільки ті очки, які розраховані на захист від випромінювання даного лазера, при цьому повинна бути виключена можливість помилкового застосування очок, розрахованих на іншу довжину хвилі. З цією метою рекомендується застосовувати оправи різного кольору, а на світлофільтрі вказувати його оптичну щільність. Захисні окуляри, які зазнали впливу випромінювання з високою щільністю потоку, можуть частково втратити свої захисні властивості, і тому повинні вилучатися з ужитку.

Науковий висновок

У ході експерименту з визначення енергії імпульсу лазерного випромінювання, з’ясовано, що повна енергія лазерного імпульсного випромінювання дорівнює 1,68 Дж, а на зразок потрапляє 1,27 Дж цієї енергії.

Використана література

1. Магістерська дисертація на тему: лазерна імплантація хрому в твердофазний алюміній. Кошкарьов М.С., Київ 2014р.

2. Техническое описание и инсрукция по эксплуатации оптического генератора ГОС-301, ЛОМО, 1976 г.

3. Физические основы лазерной обработки материалов: учебное пособие/ В.Ф.Лосев, Е.Ю. Морозова, В.П. Ципилев; Томский политехнический університет, 2011 – 199 с.

4. Расчет и проектирование оптических систем/Запряrаева Л.А. Свешникова И.С., 2000 г

5. Лазерная технология обработки материалов/Лабораторный практикум/ В.Н. Мышковец, А.В. Максименко, Гомельский государственный университет им. Ф. Скорины, 2001г.

6. http://www.imp.kiev.ua/ - Институт металлофизики им. Г. В. Курдюмова НАН Украины