Поисково-исследовательская работа по физике "Квантовые генераторы в строительстве"

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ

РОСТОВСКОЙ ОБЛАСТИ

«КАМЕНСКИЙ ТЕХНИКУМ СТРОИТЕЛЬСТВА И АВТОСЕРВИСА»

Территориальный этап областной 

Выставки-конкурса

поисково-исследовательских и опытно-экспериментальных работ

по общеобразовательной дисциплине «Физика»

номинация: поисково-исследовательская работа

тема «Квантовые генераторы в строительстве»

Выполнили обучающиеся 1 курса по профессии

08.01.14 Монтажник санитарно-технических, вентиляционных систем и

оборудования Хаустов Дмитрий и Бойко Эдуард

Руководитель, осуществляющий подготовку обучающихся к участию в конкурсе Семиколенова Наталья Анатольевна

2018

СОДЕРЖАНИЕ

	Введение...................................................................................................	3
1	Теоретическая часть	5
1.1	Принцип действия квантовых генераторов  …………………….........	5
1.2	Свойства лазерного излучения ..............................................................	6
1.3	Характеристика и классификация лазеров ...........................................	8
1.4	Применение квантовых генераторов в строительстве  .......................	9
1.5	Техника безопасности при эксплуатации квантовых генераторов    ..........................................................................................	15
2	Экспериментальная часть  ................................................................	18
	Заключение  .......................................................................................	21
	Список использованных источников  ..............................................	22
	Приложения   .....................................................................................	23

ВВЕДЕНИЕ

         В наше время известно много разных источников света – от уже ушедших в прошлое свечей и керосиновых ламп до современных ламп накаливания и ламп дневного света. В начале 60-х годов двадцатого столетия появились новые источники оптического излучения − лазеры. Слово «лазер» составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplificationby Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает: усиление света посредством вынужденного испускания. Таким образом, в самом термине лазер отражена та фундаментальная роль процессов вынужденного испускания, которую они играют в генераторах и усилителях когерентного света. В 50-хгодах зародилась, и начала интенсивно развиваться область физики, получившая название квантовой электроники. Основной ее задачей является получение и усиление излучения с помощью квантовых систем - атомов, молекул, ионов и других частиц вещества в различных агрегатных состояниях. В основе работы квантовых усилителей и генераторов лежит открытое Эйнштейном в 1917 году явление.

          Первые реальные предложения о практическом использовании эффекта индуцированного излучения были сделаны советскими учеными Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым и, независимо, американскими исследователями Ч.Таунсом и Вебером. Вопросы лазерного излучения рассмотрены в работах О.В. Богданкевича, Б.М. Булла, А.И. Изнара, А.С. Красникова, Б.М. Миркина, Ю.М. Попова, В.А. Степанова, Л.В.Тарасова, Б.Ф. Федорова и др. С этого момента работа в этой области развернулась в исключительно широком масштабе[1].

         Вскоре исследования приобрели техническую направленность – применение квантовых систем для целей навигации, локации, связи, телевидения, вычислительной техники, и так далее, а в курсе физики изучению лазеров уделяется мало времени.Анкетирование обучающихся первого курса показало: 65% опрошенных не знают о возможности  использования квантовых генераторов в строительстве, 37% - уверены в том, что нельзя использовать.  На вопрос  «Вреден ли квантовый генератор для человека» 65% уверено ответили-«да», 44%- нет, 41% подтвердили свою неосведомленность по данному вопросу(см. Приложение А). В связи с этим изучение данного вопроса актуально.

         Тема поисково-исследовательской работы - "Квантовые генераторы в строительстве".

         Проблема- выявление условий безопасного использования квантовых генераторов.

         Объектом поисково-исследовательской работы является индуцированное излучение.

         Предметом исследования выступает использование квантовых генераторов в профессиональной деятельности монтажника санитарно-технических, вентиляционных систем и оборудования.

         Целью нашего  исследования является  ознакомление с видами квантовых генераторов, изучение свойств лазерного луча и определение их возможного использования в строительстве.

         Для реализации цели  нам предстояло  решить ряд задач:

-     изучить литературу по данной теме;

-     подобрать комплекс опытов, демонстрирующих свойства лазерного луча;

изучить ГОСТ 28915-91. Сварка лазерная импульсная. Соединения сварные точечные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры по использованию сварки лазерной,  СанПиН 5804-91 Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров;

-     сделать выводы о безопасных условиях использования квантовых генераторов в строительстве.

При выполнении проекта мы использовали следующие методы исследования:

-  эмпирические: наблюдение, сравнение,  изучение опыта, эксперимент;

-  теоретические: анализ теоретического материала, изучение документации;

-  социально-педагогические: анкетирование;

-  обработки и интерпретации результатов исследования: графического представления материала.

Гипотеза нашей  работы-квантовые генераторы можно использовать без последствий для здоровья.

Работавелась поэтапам:

-       подготовительный;

-       основной: поисково-исследовательский;

-       заключительный.

1 ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ

                1.1 Принцип действия квантовых генераторов

Под лазером понимают устройство, испускающее в видимом спектре когерентную электромагнитную лучистую энергию в диапазоне от сверхкороткого ультрафиолетового до сверхдлинного инфракрасного (субмиллиметры) излучения.

Все лазеры состоят из трех основных конструкционных блоков:  

Активная (рабочая) среда, которая определяет возможную длину волн эмиссии. Активная среда представляет собой вещество, в котором создается инверсная заселенность. Активная среда может быть:

 - твердой - кристаллы рубина или алюмо -иттриевого граната, стекло с примесью неодима в виде стержней различного размера и формы ;

- жидкой - растворы анилиновых красителей или растворы солей неодима в кюветах;

- газообразной - смесь гелия с неоном, аргон, углекислый газ, водяной пар низкого давления в стеклянных трубках.

Полупроводниковые материалы и холодная плазма, продукты химической реакции тоже дают лазерное излучение. В зависимости от типа активной среды лазеры называются рубиновыми, гелий-неоновыми, на красителях.

Источник энергии (накачки). Например, электрический ток, импульсная лампа или химическая реакция.

Резонансная полость (оптический резонатор) с емкостным устройством -обычно два зеркала. Оптические резонаторы бывают с плоскими зеркалами, сферическими, комбинациями плоских и сферических и др. Резонатор представляет собой пару зеркал, которые располагаются параллельно друг другу. Между этими зеркалами помещается активная среда. 

Первое из зеркал отражает весь падающий на него свет ( "глухое зеркало", обычно используется призма полного внутреннего отражения). Второе зеркало полупрозрачное (используется стопа стеклянных пластин), оно возвращает часть излучения в среду для осуществления вынужденного излучения, часть излучения возвращает в среду , а часть выводится наружу в виде лазерного луча. Резонатор можно настроить таким образом, что лазер станет генерировать излучение только одного, строго определенного типа (моду). Настройка осуществляется путем подбора расстояния между зеркалами (см. рисунок 1).

Принцип работы лазера заключается в следующем. Происходит инверсия электронной населенности вследствие «накачки» рабочей среды, для чего к рабочей среде подводится энергия (световые или электрические импульсы). Рабочая среда помещается в резонансную полость (оптический резонатор),  при циркуляции волны в котором её энергия экспоненциально возрастает благодаря механизму вынужденного излучения. При этом энергия накачки должна превышать определённый порог, иначе потери в резонаторе будут превышать усиление и выходная мощность будет крайне мала[1].

Рисунок1 - Устройство лазера

       1.2 Свойства лазерного излучения

«Лазерный луч – это уникальный тепловой источник, способный нагреть облучаемый участок детали до высоких температур за столь малое время, в течение которого тепло не успевает «растрескаться»»: так говорил о лазерном луче  академик Н. Г. Басов.

Лазерный пучок обладает следующими свойствами:

Коллимированностью(направленностью) – очень малым расхождением лучей лазерного пучка даже на больших дистанциях, т.е. почти параллельные лучи.

Направленность определяется расходимостью оптического пучка в пространстве и характеризуется плоским или телесным углом, в пределах которого распространяется большая часть излучения. Все нелазерные источники дают ненаправленное излучение в пределах большого телесного угла, вплоть до полного 4π. Вдали от источника путем диафрагмирования волны можно создать пучок с достаточно малой расходимостью, определяемой дифракцией, однако достигаться это будет за счет потери большей части излучения. В лазере резонатор «выделяет» в активной среде определенноенаправление, для которого выполняется условие самовозбуждения, – именно в этом направлении процессы вынужденного испускания в состоянии компенсировать потери. Таким образом, в этих условиях формируется излучение, остронаправленное вдоль оси резонатора. Следует отметить, что даже при полной пространственной когерентности лазерного излучения его расходимость не равна нулю и определяется дифракцией на излучающей апертуре лазера. Такие пучки называются дифракционно- ограниченными.  На практике расходимость лазерного излучения связана не только с дифракцией на выходной апертуре лазера, но и с геометрией резонатора, а также с наличием оптических неоднородностей в лазерном веществе[2].

Монохроматичностью. Лазерное излучение характеризуется очень узким спектром. Поэтому монохроматичность лазерного излучения, которая обусловлена целенаправленным использованием квантовых свойств света, является одним из его важнейших качеств. У современных твердотельных лазеров, работающих в импульсном режиме генерации, ширина спектра излучения составляет примерно 10 ГГц (это соответствует энергетической ширине спектра около 40 мкэВ), а специальные установки, используемые для получения стандартов длин волн оптического диапазона, обладают шириной спектра всего 10 Гц[4].

Когерентностью-все волны лазерного пучка имеют одинаковую фазу. Когерентность является одним из важнейших понятий в области оптики и имеет самое прямое отношение к способности света проявлять интерференционные эффекты. Световое поле называется когерентным, когда есть фиксированная связь фаз между значениями электрических полей в разных местах или в разное время.Когерентность обусловлена вынужденным характером излучения, поэтому проявляет основное свойство лазера, представляющего упорядоченную структуру его излучения, т. е. степень близости светового поля к идеальной гармонической волне. Для электромагнитной волны существуют понятия пространственной и временной когерентности. Если разность фаз для любых точек волнового фронта в любой момент времени t остается неизменной, то данная волна является полностью пространственно когерентной. Если разность фаз сохраняется лишь в некоторой конечной области пространства, то волна является частично пространственно когерентной. Если в данной точке пространства на интервале времени ∆t фаза волны остается неизменной, то существует временная когерентность на интервале ∆t. Если ∆t не ограничено, то имеет место полная временная когерентность; если ∆t ограничено, – частичная временная когерентность. Понятие временной когерентности связано с понятием монохроматичности излучения. Пространственная и временная когерентности являются независимыми характеристиками лазерного излучения. Исторически понятие когерентности света возникло в связи с явлением интерференции, когерентность определялась как способность света давать интерференционную картину. Однако когерентный свет – это свет, структура которого близка к плоской или сферической гармонической волне [4].

Одной из важнейших характеристик лазерного излучения является угловая расходимость. Под термином «угловая расходимость» принимается величина потока излучения, приходящаяся на единицу телесного угла, т. е. угловое распределение интенсивности излучения в дальней зоне.

Спектральная ширина распределения интенсивности в дальней зоне и есть угловая расходимость светового пучка. На практике применяется понятие «расходимость по уровню 0,5 интенсивности». Это спектральная ширина диапазона углов, в котором энергия излучения составляет не менее0,5 максимального значения. Это угловой диаметр круга в дальней зоне, который охватывает половину всего потока излучения[4].

Яркостью- термин, в основном использующийся с выходной мощностью и качеством луча лазера, количественно: синоним светимости.

Термин яркость часто используется в контексте лазеров и лазерных пучков, но часто с просто описательным, неколичественным значением. Этот термин также используется с различными количественными значениями; такое разнообразие часто происходит из-за неопределенности. В частности, яркость иногда означает светоизмерительную величину светимости, но в других случаях это может означать радиометрическую величину излучения. Важное различие в том, что радиометрия имеет дело с оптической энергией, тогда как фотометрия оценивает, как интенсивность оптического излучения воспринимается глазами[1].

1.3 Характеристика и классификация лазеров

Газовые лазеры

         Активной средой газовых лазеров служат газы низкого давления (от сотых долей до нескольких миллиметров ртутного столба) или их смеси, заполняющие стеклянную трубку с впаянными электродами. Первый газовый лазер на смеси гелия и неона был создан вскоре после лазера рубинового в 1960 А.Джаваном, В.Беннетом и Д.Эрриотом (США). Накачкой газовых лазеров служит электрический разряд, питаемый высокочастотным генератором. Генерация излучения ими происходит так же, как и в твердотельных лазерах, но газовые лазеры дают, как правило, непрерывное излучение. Поскольку плотность газов очень мала, длина трубки с активной средой должна быть достаточно велика, чтобы массы активного вещества хватило для получения высокой интенсивности излучения.

         К газовым лазерам можно отнести также лазеры газодинамические, химические и эксимерные (лазеры, работающие на электронных переходах молекул, существующих только в возбужденном состоянии).

         Газодинамический лазер похож на реактивный двигатель, в котором сгорает топливо с добавкой молекул газов активной среды. В камере сгорания молекулы газов возбуждаются, и, охлаждаясь при сверхзвуковом течении, отдают энергию в виде когерентного излучения большой мощности в инфракрасной области, которое выходит поперек газового потока.

         В химических лазерах (вариант газодинамического лазера) инверсия заселенности образуется за счет химических реакций. Наиболее высокую мощность развивают лазеры на реакции атомарного фтора с водородом.

         Жидкостные лазеры

         Активной средой этих лазеров (их называют также лазерами на красителях) служат различные органические соединения в виде растворов. Плотность их рабочего вещества занимает промежуточное место между твердым телом и газом, поэтому они генерируют довольно мощное излучение (до 20 Вт) при небольших размерах кюветы с активным веществом. Работают они как в импульсном, так и в непрерывном режиме, их накачку осуществляют импульсными лампами и лазерами. Возбужденные уровни молекул красителей имеют большую ширину, поэтому жидкостные лазеры излучают сразу несколько частот. А меняя кюветы с растворами красителей, излучение лазера можно перестраивать в очень широком диапазоне. Плавную подстройку частоты излучения осуществляют настройкой резонатора.

         Полупроводниковые лазеры

         Полупроводниковый лазер- лазер, в котором в качестве рабочего вещества используется полупроводник. В таком лазере, в отличие от лазеров других типов, используются излучательные переходы не между изолированными уровнями энергии атомов, молекул и ионов, а между разрешенными энергетическими зонами или подзонами кристалла. В полупроводниковом лазере накачка осуществляетсянепосредственно электрическим током-прямая накачка;электронным пучком; электромагнитным излучением.

         Под именем полупроводниковых часто встречается гибридный лазер из мощного светодиода накачки и наклеенного на него твердотельного активного элемента. Плюс таких лазеров в том, что светодиодную структуру накачки можно сделать довольно протяженной и, соответственно мощной. Механические деформации от нагрева меньше сказываются на активном элементе. «Полупроводниковые» лазеры с мощностями единицы-десятки ватт делают в основном именно по такой технологии. Визуально отличить гибридный лазер от полупроводникового довольно сложно [6].

1.4 Применение квантовых генераторовв строительстве

Лазер стал одним из самых значимых изобретений XX века. С самого момента разработки лазер называли устройством, которое само ищет решаемые задачи. Лазеры нашли применение в самых различных областях — от коррекции зрения до управления транспортными средствами, от космических полётов до термоядерного синтеза. Мы рассмотрим применение квантовых генераторов в строительстве.

Лазерные измерительные приборы

От эффективности инструментов во многом зависит производительность строительных работ и их качество. Среди инструментов, которые используются для разбивки земельных участков, установки размеров и плоскостей при строительстве зданий и их отделки, лучшую эффективность демонстрируют лазерные измерительные приборы. К ним относятся лазерные рулетки, лазерные уровни, дальномеры, нивелиры и ротационные лазеры. Эти приборы позволяют построить горизонтальные, вертикальные и наклонные плоскости и легко контролировать их соблюдение.

Лазерный луч, который является идеально ровным, может эффективно заменить обычный отвес, водяной или спиртовой уровень, строительную струну и даже рулетку.

Луч позволяет четко контролировать отклонение от плоскости или вертикали при монтаже любых конструкций или прокладке коммуникаций. Красная линия лазерного луча, привязанная к горизонтали или вертикали, позволяет наглядно следить за соблюдением плоскостей. Также лазерный прибор может эффективно использоваться при замере расстояний до труднодоступных точек.

В лазерном приборе устанавливается светодиод, мощность которого составляет около одного мВт, а длинна его волны – 633 - 670 нм. Именно этот светодиод, при помощи оптических элементов, проецирует лазерный луч. В строительных приборах используются светодиоды, относящиеся ко второму классу лазеров, использование которых не требует применение специальных средств защиты для глаз.

Лазерный излучатель либо жестко фиксируется внутри прибора, либо подвешивается по принципу маятника, что позволяет при установке прибора излучателю самовыравниваться относительно земли. Во втором типе приборов часто устанавливаются магнитные подушки, которые позволяют быстро выравнивать излучатель.

Сложные лазерные приборы оснащены системой, подобной гироскопу, в которой при помощи электроники и приводов излучатель выравнивается на нужном уровне, что позволяет задавать ему нужную плоскость или уклон.

Управление лазерными приборами осуществляется при помощи электронной схемы и панели управления, которые различаются в зависимости от типа прибора.

При работе достаточно просто установить прибор на более-менее ровную поверхность и включить – излучатель практически сразу спроецирует относительно горизонта ровный луч.

Наиболее популярными лазерными приборами являются:

Рисунок 2-  Лазерный уровень	Рисунок 3- Лазерный нивелир

Лазерный уровень.Здесь светодиодный излучатель позволяет спроектировать точку в одной плоскости на том же уровне. Излучатель зафиксирован относительно спиртового пузырька. Луч может использоваться как уровень и как натянутая струна (См. Рисунок 2).

Лазерный построитель плоскостей. Прибор позволяет построить разные варианты пересекающихся вертикальных и горизонтальных лучей под углом 90°. Лазерный построитель плоскости используется для проекции плоскости на нескольких стенах комнаты, для проекции линии горизонта с разверткой в 360°, для установки лазерного отвеса на пол или потолок. К этому типу приборов также относят лазерные угольники и многолучевой лазерный построитель.

Лазерный нивелир. Прибор позволяет построить полную горизонтальную или вертикальную плоскость с радиусом проекции в 360°.

На отечественном рынке лазерные строительные уровни и другие приборы представлены продукцией немецких компаний Geo-Fennel, Stabila, французской AGATEC, а также китайского Пекинского Оптико-Механического Завода (см. Рисунок 3).

Лазерные дальномеры позволяют выполнять измерения с высочайшей точностью, уровень погрешности не превышает двух миллиметров при дальности измерения до 25 метров. Использовать лазерный измерительный прибор очень просто, достаточно навести включенный прибор на цель, и нажать кнопку.

Возможности применения лазерных измерительных приборов очень широки. Каждый, кому приходилось вешать картины или другие украшения на стене, примыкающей к лестнице, знает, насколько сложна эта работа. Лазерный дальномер позволит сделать это в одиночку и очень быстро. Совмещение функций уровня и рулетки в одном устройстве обеспечивает абсолютную точность всех необходимых измерений.

Большинство лазерных измерительных приборов способны работать в непрерывном режиме. Кроме непосредственного измерения расстояний лазерный дальномер позволяет вычислять углы, площади и объемы. Все результаты незамедлительно выводятся на дисплей устройства.

В профессиональном строительстве используются более сложные приборы, дальность измерений которых превышает 150 метров, а набор функций значительно расширен. Лазерный луч практически не рассеивается, поэтому точность измерений при любой погоде и в любое время суток остается одинаково высокой. Немаловажно то, что посторонние объекты не оказывают влияния на результаты замеров. Главное, чтобы точка измерения находилась в прямой видимости. Профессиональные дальномеры обычно устанавливаются на штативы, повышающие точность[5].

Лазерная закалка

http://www.laser-portal.ru/zoom_ref.php?id=415&imgfile=contentimages/415.jpg&calt=Лазерная закалка (термическое упрочнение лазерным излучением) металлов и сплавов лазерным излучением основано на локальном нагреве участка поверхности под воздействием излучения и последующем охлаждении этого поверхностного участка со сверхкритической скоростью в результате теплоотвода теплоты во внутренние слои металла.

В отличие от известных процессов термоупрочнения закалкой токами высокой частоты, электронагревом, закалкой из расплава и другими способами нагрев при лазерной закалке является не объемным, а поверхностным процессом. При этом время нагрева и время охлаждения незначительны, практически отсутствует выдержка при температуре нагрева. Эти условия обеспечивают высокие скорости нагрева и охлаждения обрабатываемых поверхностных участков. Вследствие указанных особенностей формирование структуры, при лазерной термообработке имеет свои специфические особенности.

Основной целью лазерного термоупрочнения сталей, чугунов и цветных сплавов является повышение износостойкости деталей, работающих в условиях трения. В результате лазерной закалки достигаются высокая твердость поверхности, высокая дисперсность структуры, уменьшение коэффициента трения, увеличение несущей способности поверхностных слоев и другие параметры.
         Лазерная закалка обеспечивает наименьшие износ и коэффициент трения, а закалка в печи – наибольшие. Наряду с этим лазерная закалка характеризуется очень малой приработкой (всего два-три цикла), уменьшением верхних значений числа импульсов акустического излучения и малым интервалом изменения числа импульсов. Это происходит вследствие увеличения однородности микроструктуры поверхностного участка после лазерной закалки (см. Рисунок 4).

Заметно увеличивается износостойкость чугунов и алюминиевых сплавов в условиях трения скольжения после обработки непрерывным лазером. Повышение износостойкости чугунов после лазерной обработки обусловлено не только соответствующим структурным и фазовым составом, но и улучшением условий трения благодаря сохранившемуся в зоне лазерного воздействия графиту. Также повышается износостойкость сталей и некоторых других сплавов при трении в щелочной и кислой средах[5].

Рисунок 4- Лазерная закалка	Рисунок 5- Лазерная резка

         Лазерная резка

http://www.laser-portal.ru/zoom_ref.php?id=272&imgfile=contentimages/272.jpg&calt=Лазерная резка – это технология, использующая энергию лазерного пучка для раскройки различных материалов. Обычнолазерную резку применяют на промышленных производственных линиях. Технологически данный процесс сводится к фокусировке высокоэнергетичного лазерного потока на разрезаемом материале. Материал, в свою очередь начинает плавиться, сгорать, испаряться или удаляться потоком вспомогательного газа. При этом разрез характеризуется высоким качеством кромки и точностью позиционирования. Мощные промышленные лазеры могут с одинаковой лёгкостью кроить как листы металла, так и другие материалы различных форм.

Лазерная резка имеет целый ряд преимуществ по сравнению с другими методами резки металлов. Современное оборудование лазерной резки способно обрабатывать практически любые металлы и их сплавы. Становится возможным добиться минимальной площади разреза, при этом практически полностью отсутствует деформация краев.

Приобретение оборудования лазерной резки целесообразно в тех случаях, когда необходимо выполнить следующие виды работ:

-    Машинная обработка металла без высоких начальных затрат и физического контакта с металлом

-    Обработка металла без применения большого количества ручного труда

-    Резка металла, которая не предполагает последующей обработки детали

-    Высокоскоростную резку металла, которая сопровождается незначительным термическим воздействием на поверхность металла

-    Резка готовых изделий (прошедших процессы покраски, и т.п.) без потери внешних качеств детали.

Станок способен функционировать в импульсно-периодическом и непрерывном режимах. Технологические возможности оборудования позволяют выполнять работы по резке металла, которые сопровождаются небольшим количеством отходов. Так как станок лазерной резки отличается повышенной точностью позиционирования, появляется возможность значительного уменьшения допуска реза, что обусловливает высокую экономическую эффективность резки. Станок дает возможность не только резать металл с высокой точностью, но и создавать в нем отверстия диаметром 0,2 мм и более. Лазерная резка отличается высокой скоростью работы, которая зависит от мощности лазерного луча (см. Рисунок 5).

С помощью оборудования лазерной резки можно производить также обработку нежестких деталей и деталей, которые легко подвержены деформации. Применение оборудования лазерной резки дает возможность выкраивать детали любого, даже самого сложного контура[5].

         Лазерная гравировка

Лазерная гравировка - удаление поверхностного слоя материала (металл, пластик, кожа) или покрытия (краска, гальваника, напыления) под воздействием лазерного излучения.

Лазерная гравировка не сотрется и не потускнеет. Она по праву может называться вечной.

Процесс управляется с помощью компьютера, что позволяет производить гравировку изображений из любых цифровых форматов (после необходимой обработки).

Лазерный маркер позволяет наносить изображения высокого разрешения (20 линий на миллиметр). Благодаря этому, возможна гравировка микроизображений и микротекста высокого качества.

Режимы излучения встроенного в маркер лазера могут варьироваться в очень широких пределах. Это позволяет регулировать глубину прожига материала. Например, глубокая гравировка в металле для максимальной четкости и долговечности, или испарение верхнего слоя краски для метки изделия без воздействия на сам материал.

 http://www.laser-portal.ru/zoom_ref.php?id=497&imgfile=contentimages/497.jpg&calt=%D6%E2%E5%F2%ED%E0%FF%20%EB%E0%E7%E5%F0%ED%E0%FF%20%E3%F0%E0%E2%E8%F0%EE%E2%EA%E0Помимо обычной, объемной гравировки, существует технология получения цветной гравировки. Цвета при лазерной гравировке металла достигаются за счет возникновения окисных пленок в области воздействия лазерного излучения. Технология их получения инновационна и уникальна. На каждом новом материале цвета подбираются отдельно[7].

         Лазерная сварка

В настоящее время лазерную сварку, применяемую в приборо- и машиностроении, можно условно разделить на три вида: микросварка (соединение элементов с толщиной или глубиной проплавления менее 100 мкм), мини-сварка (глубина проплавления 0,1 —1 мм) и макросварка (глубина проплавления более 1 мм). Для первых двух видов сварки, получивших наибольшее распространение в промышленности, используют преимущественно импульсные лазеры с чрезвычайно удачным сочетанием свойств излучения, небходимых для осуществления локальной сварки.

Лазерная сварка (LBW)- сварочная технология, используемая для присоединения различных частей металла с помощью лазера. Благодаря высокой концентрации энергии лазерного излучения в процессе сварки обеспечивается малый объем расплавленного металла, незначительные размеры пятна нагрева, высокие скорости нагрева и охлаждения металла шва и околошовной зоны. Процесс часто используется для выполнения больших объемов производства, например в автомобильной промышленности.

При сварке лазерным лучом реализуется высокая плотность мощности (около 1 МВт/см²), что обеспечивает малые зоны термического влияния и высокую скорость нагрева и охлаждения. Размер пятна лазера может измениться между 0.2 мм и 13 мм. Глубина проплавления пропорциональна мощности, а также зависит от местоположения фокуса: воздействие максимально, когда фокус немного находится за заготовкой.

В зависимости от назначения может использоваться непрерывный или импульсный режим работы лазера. Для сварки очень тонких заготовок используется лазерное излучение с временем импульса порядка миллисекунд. Для глубокой сварки используется непрерывный лазер.

LBW - универсальный метод сварки, который может использоваться для сварки углеродистой стали, стали HSLA, нержавеющей стали, алюминия, и титана. Высокая скорость охлаждения, может привести к термическим разрушениям при сварке углеродистых сталей. Качество сварки высокое, аналогично электронно-лучевой сварке. Скорость сварки пропорционально приложенной мощности, а также зависит от типа и толщины заготовок. Высокий потенциал мощности газовых лазеров делает их особенно подходящими для больших объемов производства. Данный вид сварки особенно доминирует в автоматизированной промышленности.

Некоторые из преимуществ LBW: для передачи луча может использоваться воздушная трасса, то есть отсутствует необходимость в вакууме, легко синхронизировать роботами-манипуляторами, отсутствует рентгеновское излучение, обеспечивается лучшее качество сварных швов.

Один из методов лазерной сварки - гибридная лазерная сварка. Это комбинация лазерной и дуговой сварки (газовая металлическая дуговая сварка). Сварка плавящимся электродом (GMAW). Разделяют сварку в атмосфере инертного газа (metalinertgas, MIG) и в атмосфере активного газа (metalactivegas, MAG). В качестве электрода используется металлическая проволока, к которой через специальное приспособление (токопроводящий наконечник) подводится ток. Электрическая дуга расплавляет проволоку, и для обеспечения постоянной длины дуги проволока подаётся автоматически механизмом подачи проволоки. Для защиты от атмосферы применяются защитные газы (аргон, гелий, углекислый газ и их смеси), подающиеся из сварочной головки вместе с электродной проволокой.К недостаткам технологии можно отнести очень высокие цены на оборудование для проведения работ, высокая себестоимость самого процесса сварки[6].

1.5 Техника безопасности при эксплуатации квантовых генераторов

         Классы безопасности лазеров

Даже маломощные лазеры могут быть опасны для зрения. Для видимых длин волн (400 -700 нм), которые хорошо пропускаются и фокусируются хрусталиком, попадание лазерного луча в глаз, даже на несколько секунд, может привести к частичной или даже полной потере зрения. А лазеры большей мощности могут приводить даже к повреждению кожных покровов.

      Лазеры делятся на 4 класса безопасности, от 1   практически безопасный, до 4, у которого даже рассеянный луч может стать причиной ожога глаза или кожи.

      Класс 1. Лазеры и лазерные системы малой мощности, которые не могут излучать уровень мощности, превышающий максимально разрешённое облучение. Лазеры и лазерные системы Класса 1 не способны причинить повреждение человеческому глазу.

      Класс 2. Маломощные лазеры, способные причинить повреждение человеческому глазу в том случае, если смотреть непосредственно на лазер на протяжении длительного периода времени. Такие лазеры не следует использовать на уровне головы.

      Класс 3a. Лазеры и лазерные системы, которые обычно не представляют опасность, если смотреть на лазер невооружённым взглядом только на протяжении кратковременного периода. Лазеры могут представлять опасность, если смотреть на них через оптические инструменты (бинокль, телескоп).

      Класс 3b. Лазеры и лазерные системы, которые представляют опасность, если смотреть непосредственно на лазер. Это же относится и к зеркальному отражению лазерного луча.

      Класс 4. Лазеры и лазерные системы большой мощности, которые способны причинить сильное повреждение человеческому глазу короткими импульсами (<0,25 с) прямого лазерного луча, а также зеркально или диффузно отражённого. Лазеры и лазерные системы данного класса способны причинить значительное повреждение коже человека, а также оказать опасное воздействие на легко воспламеняющие и горючие материалы[3].

         Мероприятия по технике безопасности

         Можно выделить следующие основные рекомендации по технике безопасности при работах на лазерных установках.

         1. Производственное помещение:

а) Помещения, где осуществляется лазерная резка, наплавка, термообработка, следует отмечать знаком лазерной опасности «ЛАЗЕР».

б) Вход в помещения разрешается персоналу, имеющему допуск на работу на оборудовании, в противном случае – по вызову или при случае по указанию.

в) Рабочее помещение должно быть ярко освещено, чтобы препятствовать темновой адаптации глаз.

         2. Рабочее место:

а) Установки для лазерной резки должны быть так экранированы, чтобы исключить появление направленного первичного вторичного излучения.

б) На каждой установке для лазерной резки должно быть указание о применении защитных фильтров для защиты глаз.

в) При оптической юстировке импульсных лазеров для лазерной резки приборы накачки должны быть выключены. Конденсаторы должны быть разряжены и закорочены.

         Лазерные установки или лазерные приборы в зависимости от степени опасности и цели применения всегда должны иметь максимально возможную техническую безопасность при их эксплуатации.   Средства индивидуальной защиты следует применять только в том случае, когда коллективные средства защиты не позволяют обеспечить выполнение требований по безопасности труда. Сигнальная установка при закрытых помещениях должна показывать вне помещения режим работы лазерной установки.

         Вне помещения должен находиться основной выключатель, который позволяет выключить все приборы в помещении, находящиеся на лазерной установке. Помещении для конденсаторной батареи должны быть оборудованы блокирующими устройствами.

         Лазерноопасная зона должна быть точно ограничена и промаркирована. По данным лазерноопасная зона определяется по своей длине с помощью минимального безопасного расстояния и по ширине расстоянием поперек направления распространения излучения по меньшей мере 1,5 м от лазерного пучка.

         Если используются охлаждающие вещества, то должна быть предусмотрена достаточная приточно-вытяжная вентиляция.

         При использовании прокачных СО2-лазеров, входящих в технологическое оборудование на котором осуществляется резка металла, подача рабочих газов осуществляется от газобаллонной рампы со сжатыми газами через газовые редуктора. Редуктора должны соответствовать по техническим характеристикам применяемым газам.

         В рабочем помещении не должны храниться воспламеняющиеся или взрывчатые вещества.Если лазер работает с высокими напряжениями, то должны быть предусмотрены соответствующие меры для защиты от возможного рентгеновского излучения.

         При свободном распространении лазерного пучка, особенно у импульсных лазеров, при включении необходимо закрывать глаза.

         Таким образом, определена большая совокупность различных профилактических мероприятий, применение которых в отдельности зависит от соответствующих условий применения[3].

2  ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ ЧАСТЬ

         В экспериментальной части мы опишем наши наблюдения некоторых свойств квантовых генераторов, в нашем случае с лазерной указки. Техника безопасности при работе с лазерной указкой была соблюдена в полной мере.

         Цель первого эксперимента: наблюдение дифракции. Мы затемнили кабинет. Направили лазер на дифракционную решетку, период которой d = 0,02 и d = 0,0067. Увиденное изображено на рисунках 6 и 7.

Рисунок 6 -Дифракционная картина (d=0,02) лазерной указки

Рисунок 7- Дифракционная картина (d=0,0067) лазерной указки

            В результате наблюдений мы пришли к выводу, что полученные дифракционные картины не имеют заметных различий в когерентности излучений.

         Цель следующего эксперимента- доказать, что компакт-диск можно использовать в качестве дифракционной решетки. Для проведения эксперимента мы взяли DVD диск. При попадании лазерного луча на диск он отражался и дифрагировал.

Рисунок 8- Луч лазерной указки

            Сравнивая дифракционные  картины первого и второго эксперимента, мы пришли к выводу, что компакт-диск – это дифракционная решетка, при падении на которую лазерный луч отражается и дифрагирует. Нам удалось доказать, что диск можно использовать вместо дифракционной решетки.

         Вовремя проведения следующего эксперимента на пути луча установили поляроид, вращая который меняли направление поляризации пропускаемого излучения. За нуль угла поворота поляроида приняли угол, при котором интенсивность излучения минимальна.

Рисунок 9-  Интенсивность излучения минимальна

         Луч лазерной указки при установке поляроида на 0 градусов не гаснет полностью. С увеличением угла поворота поляроида структура луча остается прежней. Следовательно, лучи лазерной указки поляризованы.

Рисунок 10-Луч лазерной указки при изменении угла поворота поляроида

         Цель следующего эксперимента:наблюдение явления полного внутреннего отражения. Втонкостенный стакан налили 7-8 см воды. Луч лазера направили на боковую стенку стакана под некоторым углом вверх. В воде луч преломляется, а затем полностью отражается от поверхности воды и выходит, преломляясь с противоположной стороны стакана. Для улучшения видимости луча в стакан с водой добавляли немного мела.

Рисунок 11- Полное отражение луча лазерной указки

         Направляя луч света из оптически более плотной среды в оптически менее плотную среду, то по мере увеличения угла падения  преломленный луч приближался к границе раздела двух сред затем  проходил  по границе раздела, а при дальнейшем увеличении угла падения преломленный луч исчезал, т.е. падающий луч полностью отражался границей раздела двух сред.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Создание квантовых генераторов – пример того, как развитие фундаментальной науки приводит к гигантскому прогрессу в самых различных областях техники и технологии.

    Квантовые генераторы– одно из самых удивительных устройств нашего времени. Созданный в 1960 году, он завоевал огромную популярность, этому способствовали уникальные свойства лазеров – монохроматичность (строгая одноцветность), высокая когерентность(согласованность колебаний), острая направленность светового излучения.

    Лазеры нашли свое применение в различных сферах человеческой деятельности. Только в строительстве мы можем их использовать в качестве измерительных приборов, для резки, закалки, гравировки металла, а также проведения сварочных работ.

         Мы определили, что лазерная сварка обладает рядом преимуществ, не присущих другим способам сварки: широкий спектр обрабатываемых материалов,отсутствие механического воздействия на изделия при минимальном термическом, прецизионность и гарантируемая повторяемость, высокая контрастность и стойкость наносимых изображений,высокая скорость и производительность, экономия на расходных материалах и низкое энергопотребление,возможность лазерной обработки в труднодоступных местах, на плоских и криволинейных поверхностях,возможность интегрирования лазера в различные технологические процессы, в том числе поточные линии и роботизированные комплексы.К недостаткам  отнесли очень высокие цены на оборудование для проведения работ, высокая себестоимость самого процесса сварки

Мощность данного прибора можно использовать не только в мирных целях, поэтому при работе с таким оборудованием необходимо тщательно соблюдать инструкции по технике безопасности.

Мы считаем, что изобретение квантовых генераторов стоит в одном ряду с наиболее выдающимися достижениями науки и техники ХХ века. В короткое время были созданы разнообразные типы лазеров и лазерных устройств, предназначенных для решения конкретных научных и технических задач.

Однако есть одно «но»: мы уже начали привыкать, что «лазер все может». Подчас это мешает трезво оценить реальные возможности лазерной техники на современном этапе ее развития.

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1. Матвеев А. Н. Типы и характеристики лазеров // «Оптика» Москва, «Высшая школа», 1985 г., с 325

2.Физика лазеров: учебное пособие / В.С. Айрапетян, О.К. Ушаков. – Новосибирск: СГГА, 2012., с 53

3. ГОСТ 28915-91. Сварка лазерная импульсная. Соединения сварные точечные. Основные типы, конструктивные элементы и размеры

4. СанПиН 5804-91 Санитарные нормы и правила устройства и эксплуатации лазеров

Интернет ресурсы

5.Универсальная научно-популярная онлайн- энциклопедия http://www.krugosvet.ru/

6. Борейшо А.С. Лазерный Портал http://www.laser-portal.ru

7. Информационный проект WWW. osvarke.com

ПРИЛОЖЕНИЯ

Приложение А

Краткое описание документа:

В наше время известно много разных источников света – от уже ушедших в прошлое свечей и керосиновых ламп до современных ламп накаливания и ламп дневного света. В начале 60-х годов двадцатого столетия появились новые источники оптического излучения – Квантовые генераторы (лазеры).

Слово «лазер» составлено из начальных букв в английском словосочетании Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation, что в переводе на русский язык означает: усиление света посредством вынужденного испускания.

Первые предложения о практическом использовании эффекта индуцированного излучения были сделаны советскими учеными Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым и, независимо, американскими исследователями Ч.Таунсом.