IR Laser Problem 81223 1AZ

Решение задачи «ИК-лазер» с помощью USESoft1
Описание ситуации авторами
... рассмотрим задачу из статьи "Функциональный анализ промышленного лазера для
прецизионной резки деталей", С.В. Егоров, Л. Ю. Пустов, А.Б. Рожнов,
http://www.metodolog.ru/00831/00831.html
Для резки различных металлических деталей используются твердотельные и газовые
лазеры, которые работают в непрерывном и импульсном режимах. Основным
компонентом лазера является резонатор,
состоящий из двух совмещенных по оптической оси зеркал (вогнутого 1 и выпуклого 2)
расположенных друг напротив друга. Между зеркал подается активная среда 3, которая
является источником возникающего в лазере инфракрасного (ИК) излучения 4.
Выдаваемый лазерами инфракрасный (ИК) луч невидим для человеческого глаза. Длина
волны инфракрасного излучения λИК=5÷10 мкм, тогда как длина волны видимого света
λВС=0,4÷0,75 мкм. В условиях прецизионной резки металла требуется точное попадание
ИК-луча в определенное место детали, что требует его визуализации.
Для подсвечивания ИК-излучения были предложены различные технические решения, в
которых предлагалось дополнительно устанавливать маломощные лазеры видимого
спектра излучения.
Описание задачи «ИК-лазер» для её решения с помощью USESoft
Для точного нацеливания луча ИК-лазера в определенное место невидимый ИК-луч
необходимо подсветить. Для подсвечивания ИК-луча предложены различные технические
решения (дополнительный лазер видимого света, зеркало с диффракционной решеткой).
Эти решения имеют свои проблемы, например, делают ИК-лазер сложнее. Что делать?
To precise targeting of invisible IR-beam it ought to be enlightened. There are some technical
solutions – additional laser with radiation in visible part of spectrum, mirror with diffraction grid,
etc. These solutions have its own problems; for example, they make IR laser more complex.
What has to be done?
1
USESoft – компьютерный вариант Универсальной Схемы Эволюции (УСЭ)
1
Описание ситуации2
Выбор элементов системы для анализа
Система – ИК-лазер
2
Для удобства просмотра экранов USESoft установить масштаб страницы 150%.
2
Продукт системы – ИК-луч
Описание элементов главной функции (ГПФ) системы:
Проверка правильности формулирования функции
3
Результаты:
Наличие проблем означает снижение притягательности ИК-лазера для Пользователя.
Другими словами, в глазах Пользователя ИК-лазер теряет свою жизнеспособность.
Снижение жизнеспособности можно оценить снижением идеальности ИК-лазера.
Идеальность ИК-лазера – величина отношения полезных функций ИК-лазера к вредным.
Главные направления и этапы возможных изменений ИК-лазера представлены на
Универсальной Схеме Эволюции.
4
Универсальная Схема Эволюции (общий вид)
Рассмотрение с помощью УСЭ конкретной системы – ИК-лазера
5
1
6
2
3
4
8
5
7
8
Пояснения к блокам этапов эволюции ИК-лазера:
1. Выявление проблем, снижающих жизнеспособность ИК-лазера.
2. Выявление пониженной идеальности ИК-лазера – низкого отношения полезных
функций ИК-лазера к вредным.
3. ИК-лазера с нужными функциями нет или у существующего ИК-лазера нет ресурсов
для улучшения.
4. У ИК-лазера есть ресурсы для улучшения.
5. Один или оба объединяемых ИК-лазера не имеют ресурсов для улучшения.
Объединяемые ИК-лазеры могут быть – одинаковыми; со сдвинутыми характеристиками;
разными; ИК-лазер и анти-ИК-лазер (?)
6 и 7. Выявление у ИК-лазера внешних и внутренних недостатков (НЭ) с помощью
различных видов анализа – компонентного, структурного, функционального и т.д.
8. Изменение компонентов ИК-лазера
 Закономерное использование эффектов
 Изменение свойств ИК-лазера
 Изменение ИК-лазера правилу «вещество  поле», во времени, в пространстве
Определение положения ИК-лазера на S-образной кривой
6
Считаю, что ИК-лазеры находятся на 2-м этапе развития – их применение быстро растет
Задачи 2-го этапа развития:
 Устранить (снизить) НЭ
 Выявить пределы развития
Цель в перспективе – создать новый ИК-лазер
Функциональный анализ ИК-лазера
Основным компонентом лазера является резонатор,
состоящий из двух совмещенных по оптической оси зеркал (вогнутого 1 и выпуклого 2)
расположенных друг напротив друга. Между зеркал подается активная среда 3, которая
является источником возникающего в лазере инфракрасного (ИК) излучения 4.
7
НЭ ИК-лазера: ИК-луч «не воздействует» на Пользователя = не виден Пользователю
Построение и анализ причинно-следственных цепочек
Длина волны инфракрасного излучения λИК=5÷10 мкм, тогда как длина волны видимого
света λВС=0,4÷0,75 мкм.
ПСЦ очевидна: ИК-луч по своей природе невидим, поэтому он и не виден Пользователю.
Элемент, который в ИК-лазере надо преобразовывать (изменять) – ИК-луч.
8
Виды изменений ИК-луча
1. Устранение ИК-луча из ИК-лазера
Предложение не подходит – нужно оставить принцип действия ИК-лазера
2. Объединение ИК-луч + Видимый луч – предложение дополнить ИК-лазер лазером,
излучающим видимый свет есть, но оно связано с усложнением устройства.
3. Использование эффектов
Идея решения - найти вещество, преобразующее ИК-луч (λИК=5÷10 мкм) в луч видимого
света (λВС=0,4÷0,75 мкм) и поместить его в сквозной канал, проходящий вдоль оптической
оси выпуклого зеркала 2.
видимый свет
вещество-преобразователь
видимый свет
Поиск информации о преобразовании ИК-излучения в видимый свет
9
http://www.ioffe.ru/journals/ftp/2008/03/p365-369.pdf
... возможность использовать антистоксовы люминофоры для создания мощных,
эффективных и недорогих источников видимого света на базе инфракрасных (ИК)
светодиодов.
http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/NATURE/10_04/CRYSTAL.HTM
... интересный экспериментальный факт, обнаруженный исследователями из “Сандиа”:
фотонный кристалл преобразует падающее ИК-излучение в видимый свет...
http://www.pereplet.ru/nauka/en/two/0393.html
КООПЕРАТИВНАЯ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ - люминисценция, возникающая при передаче
энергии от двух или более центров, поглотивших кванты возбуждающего оптического
излучения, одному центру люминесценции. К.л. является одним из видов антистоксовой
люминесценции и позволяет преобразовывать более длинноволновое, обычно ИКизлучение, в более коротковолновое, например, в видимый свет.
10
http://rus.625-net.ru/625/2007/07/tehno.htm
Калифорнийская компания Novalux разработала недорогие источники света для
проекционных дисплеев по технологии NECSEL (Novalux Extended Cavity Surface Emitting
Laser — лазер Novalux повышенной мощности с поверхностной эмиссией). В нее заложен
принцип получения мощного инфракрасного излучения на полупроводниках типа InGaAs
(многослойные структуры из арсенида галлия с напряженными квантовыми ямами) и
удвоения его частоты на нелинейных кристаллах из ниобата лития с периодической
структурой PPLN (Periodically Poled Lithium Niobate — периодический ниобат лития).
Базовый кристалл GaAs, на котором сформирована структура ИК-лазера, является
одновременно тепловой линзой, фокусирующей ИК-излучение в область нелинейного
кристалла и повышающей эффективность преобразования ИК-излучения в видимый свет.
Информация из картотеки – эрбиевое стекло = умножитель частоты света. Т.е. с его
помощью можно ИК излучение перевести в видимый свет. Именно это найдено в
публикации
0693
США и Япония, 1996 год, прокладка оптического кабеля, оптические
промежуточные усилители: это оптические волокна, в материал которых
введен эрбий.
000.23402.322320
ЗРТС, идеальность - переход от ТС (электронный усилитель) к идеальному
веществу.
см. 1133, 2113
1133
Добавив эрбий в материал световода, можно добиться того, что этот участок
сам начнет усиливать сигнал. Таким способом, вообще говоря, сам световод
можно превратить в лазер.
000.23402.322320
ЗРТС, идеальность - переход от ТС (электронный усилитель) к идеальному
веществу.
см. 693, 2113
2113
1994 г., первый эрбиевый оптический кабель между Флоридой и островом
Сент-Томас. Пара волокон, пропускная способность в 5 раз больше, чем у
электрического
000.23430.322320
Переход к «умному» веществу: самоусиление
см. 693, 1133
11