УП ФОИЭС (841336), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Полихроматический свет при прохождении через линзу фокусируется в виде пятна довольно значительных размеров, так как волны разной длины поразному преломляются при прохождении через стекло. Это явление носит название105хроматической аберрации и значительно ограничивает возможности обычных полихроматических источников.По законам дифракции наименьший размер сфокусированного пятна равендлине волны λ и для оптического диапазона составляет размер порядка 1 мкм.
Полихроматичность увеличивает размер до сотен и тысяч микрометров, в результатечего максимальная концентрация энергии в пятне нагрева в данном случае не превышает 3000 Вт/см2, что соизмеримо с нагревом пламенем горелки и на 4…6 порядков меньше, чем для монохроматического луча лазера.
Кроме того, фокусировкаухудшается в связи с тем, что применяющиеся фокусирующие линзы и зеркала сосферическими поверхностями имеют отклонения геометрических параметров от значений, требуемых для точной фокусировки. Ухудшает фокусировку и то, что светящееся тело обычно имеет конечные размеры и проецируется в виде определеннойгеометрической фигуры.Вместе с тем простота использования света для нагрева определяет некоторыерациональные области его применения. Это, прежде всего различные «солнечные»печи и нагреватели, где при помощи специальных рефлекторов возможны нагрев иплавление различных материалов. Однако промышленного распространения эти установки не получили.
Более целесообразным в промышленности считается использование не солнечной энергии, а специальных высокоинтенсивных источников полихроматического света типа ламп накаливания или дуговых (газоразрядных) ламп. Этилампы выполняют в корпусах из плавленого термостойкого кварца – поэтому иногдаих называют кварцевыми. Они предназначены для технологических целей, имеютмощность до нескольких десятков кВт. Кварцевые лампы без всяких дополнительныхсистем фокусировки позволяют нагревать обрабатываемые детали до температур600…1200 К, а с системами фокусировки — до 1800…2000 К, что вполне достаточнодля плавления ряда материалов.На практике в качестве источника энергии для сварки и пайки используют сфокусированный полихроматический свет дуговых ксеноновых ламп. В качестве источника излучения используют дуговые ксеноновые лампы сверхвысокого давления (рл =3,5…9,5 МПа) мощностью 3,0…10 кВт.
Такого типа лампы имеют компактную светящуюся дугу с высокой яркостью (600…1000 Мкд/м2) и дают непрерывный спектр излучения, близкий к солнечному, с длиной волны λ = 0,2…2,4 мкм, занимающий в оптическом диапазоне ультрафиолетовую, видимую и инфракрасную области в следующем процентном соотношении 9: 35: 56 %. Модуль лучистого нагрева (рис. 3.3).представляет собой эллипсоидный отражатель 2, в одном из фокусов которого располагается источник излучения 1. Отражатели, выполненные, как правило, из алюминиевых сплавов, и позволяют получать на обрабатываемой поверхности плотностьмощности до 3 кВт/см2 при площади пятна нагрева в фокусе 5…10 мм2 с мощностьюлучистого потока до 2 кВт.106Таким оптическим источником теплоты вполне можно сваривать деталитолщины до 2,0 мм для большинства металлических материалов.Если процесс идет в вакууме или другойгазовой защитной среде, световое излучение вводят в камеру через специальный (обычно кварцевый) иллюминатор.Основными достоинствами такого виданагрева считаются отсутствие силовогоконтакта с изделием и возможностьплавного регулирования температуры.Рис.
3.3.сваркиСхемамодулясветолучевой3.2.2. Когерентное излучение и его основные свойстваОбычный полихроматический свет, излучаемый нагретыми телами, можнопредставить в виде набора большого числа гармонических электромагнитных волн сразличными частотами и хаотично изменяющимися во времени фазами.При распространении гармонической электромагнитной волны в пространствесоздаются чередующиеся электрическое поле напряженностью Е и магнитное поленапряженностью H, изменяющиеся в пространстве и во времени по закону:E = E 0 sin[2π (νt − x / λ ) + ϕ ]H = H 0 cos[2π (νt − x / λ ) + ϕ ] .(3.11)Здесь E 0 и H 0 - амплитуды колебаний напряженностей E и H ; v — частота колебаний; λ = c \ ν — длина волны; с — скорость света в вакууме.
Если частота колебанийv (и длина волны λ ) не зависят от времени t, то волна называется монохроматической. Реальные электромагнитные волны не являются монохроматическими.Немонохроматическую волну можно представить в виде суммы конечного (илибесконечного) числа монохроматических волн, и чем уже диапазон, в котором группируются частоты монохроматических составляющих .немонохроматической волны,тем ближе она к монохроматической волне.Аргумент синуса (косинуса) в выражениях (3.11), называемый фазой колебанийгармонической волны, определяет состояние колебательного процесса при распространении электромагнитной волны в момент времени t в точке пространства x с начальной фазой φ. Согласованное протекание во времени нескольких колебательныхили волновых процессов называется когерентностью.
Если разность фаз колебанийдвух электромагнитных волн постоянна или изменяется не хаотически, а упорядоченно, по определенному закону, то такие волны когерентны. Монохроматическиеволны всегда когерентны, а взаимная когерентность двух немонохроматических волнозначает, что они обладают одинаковым набором частот и разность их начальныхфаз ϕ постоянна во времени.107Генерация когерентных радиоволн была осуществлена еще до появления лазеров, но генерировать когерентный свет стало возможным только после создания лазерных источников оптического излучения.
Получение когерентных электромагнитныхволн оптического диапазона благодаря их высокой частоте позволяет передавать пооптическому каналу связи гораздо больше информации, чем по радиоканалу. Чемкороче длина волны, тем меньшую расходимость можно получить при формированиииз этих волн параллельных пучков энергии, а это обстоятельство весьма важно прилокации и определении расстоянии до предметов.Получить при помощи обычных источников монохроматический свет достаточной интенсивности не представляется возможным. С целью создания мощных источников когерентного света физики исследовали различные способы его генерации ианалогично генерации радиоволн пытались применить для этой цели электронныепотоки и объемные резонаторы. Однако размеры резонатора должны быть соизмеримы с длиной волны, что в данном случае трудно осуществимо.
Традиционное длярадиотехники генерирование колебаний при помощи электронных потоков в данномслучае оказалось не осуществимым и получение когерентных электромагнитных волнв оптическом диапазоне было реализовано средствами квантовой электроники (ееприкладного раздела – лазерной техники).Квантовая электроника оперирует отдельными молекулами и атомами, используя для генерации колебаний их резонансные свойства. Атомы, молекулы и кристаллы представляют собой сложные микросистемы, состоящие из ядер и электронов.Энергия относительного движения частиц, составляющих атом или молекулу, в соответствии с современными физическими воззрениями может принимать только строгоопределенные значения энергии ε 0 , ε1 , ε 2 ,...ε m , ε n , которые называют уровнями энергии (рис. 3.4).
Система энергетических уровней составляет энергетический спектратома; нижний уровень с минимальнойэнергией ε 0 называется основным, а остальные — возбужденными. Энергетический спектр атома зависит от его структуры, а число электронов, обладающихданной энергией, называется заселенностью (населенностью) соответствующегоэнергетического уровня.Если атому, находящемуся на основном уровне ε 0 , сообщить энергию, онможет перейти на один из возбужденныхуровней.
Наоборот, возбужденный атомможет самопроизвольно (спонтанно)перейти на один из нижерасположенных уровней, испустив при этом определеннуюпорцию энергии в виде кванта света (фотона). Если излучение происходит при переходе атома с уровня энергии ε n на уровень ε m , то частота испускаемого (или поглощаемого) кванта светаРис. 3.4. Энергетические уровни атомаν nm = (1 / h)(ε n − ε m )(3.12)Именно такие спонтанные процессы излучения и происходят в нагретых телах.Нагрев переводит часть атомов в возбужденное состояние и при переходе в нижние108состояния они излучают кванты света. Излучение разных атомов происходит независимо друг от друга и носит статистический характер. Фотоны света хаотически испускаются атомами в виде так называемых волновых цугов, которые не согласованыдруг с другом во времени, имеют различную фазу и случайный характер направленияраспространения. Поэтому спонтанное излучение некогерентно и ненаправленно.Кроме спонтанного излучения возбужденного атома существует индуцированное (вынужденное) излучение, когда атомы начинают излучать энергию под действием внешнего электромагнитного поля.
Явление вынужденного излучения дает возможность управлять излучением атомов с помощью электромагнитного поля и такимпутем усиливать или генерировать когерентное световое излучение. Чтобы это осуществить практически, необходимо выполнить следующие условия:1.
Необходимо обеспечить резонанс — совпадение частоты падающего света содной из частот ν mn энергетического спектра атома. При этом переход атома с уровня ε n на уровень ε m будет соответствовать переходу между аналогичными уровнямидругих таких же атомов, в результате чего будет осуществлена генерация когерентного излучения.2. Наряду с вынужденным излучением света атомами, находящимися на верхнем уровне ε n , происходит резонансное поглощение энергии атомами, находящимися на нижнем уровне εm. При этом атом поглощает световой квант и переходит науровень ε т , что препятствует генерации света. Для генерации когерентного светанеобходимо, чтобы число атомов на верхнем уровне ε n было больше числа атомовна нижнем уровне ε m , между которыми происходит переход.
В естественных условиях на более высоком уровне при любой температуре всегда меньше частиц, чем наболее низком. Для возбуждения когерентного излучения надо принять специальныемеры, чтобы из двух выбранных уровней верхний был «заселен» больше, чем нижний. Такое состояние вещества в физике называется активным или состоянием синверсной (обращенной) заселенностью. Н. Г. Басов и А. М.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
