Разработчик: доцент, к.ф.-м.н., Морозова Е.Ю. БАНК КОНТРОЛИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ПО ДИСЦИПЛИНЕ

Разработчик:
доцент, к.ф.-м.н., Морозова Е.Ю.
БАНК КОНТРОЛИРУЮЩИХ МАТЕРИАЛОВ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
ИМПУЛЬСНАЯ ЛАЗЕРНАЯ ТЕХНИКА
Содержание
1 Входной контроль
2
2 Список вопросов для самоконтроля
3
3 Варианты заданий для самостоятельной работы студентов
5
3.1 Темы для дискуссий
5
3.2 Творческая самостоятельная работа
5
4 Лабораторные работы
7
5 Примеры задач для самостоятельной работы
8
6 Итоговая аттестация
11
6.1 Примеры экзаменационных вопросов
11
6.2 Примеры экзаменационных билетов
13
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
14
7.1 Основная литература
14
7.2 Вспомогательная литература
14
7.3 Интернет-ресурсы
15
1
1 Входной контроль
Исходя из пререквизитов, в начале изучения дисциплины «Импульсная
лазерная техника», предусмотрен входной контроль, целью которого
является отслеживание остаточных знаний по лазерной технике, а также
анализ слабых и сильных сторон знаний и понимания студентами темы для
дальнейшей корректировки содержания дисциплины.
Вопросы для входного контроля
1. Перечислите условия, необходимые
излучения активной средой.
для
генерации
лазерного
2. Перечислите основные составляющие излучателя любого лазера.
3. Дайте определение понятию «инверсная населенность».
4. Перечислите виды генерации лазерного излучения.
5. Что включает в себя юстировка лазера?
6. Кем и когда был создан первый лазер?
7. Перечислите типы существующих резонаторов лазеров.
8. Дайте понятие квантого и полного КПД лазера.
9. Что такое «модовый состав» лазерного излучения?
10.Какой диапазон длин волн наиболее опасен для зрения человека? Как
защищать глаза от воздействия лазерного излучения?
2
2 Список вопросов для самоконтроля
В качестве текущего самоконтроля студент может воспользоваться
следующим списком вопросов, который поможет ему оценить свои знания по
изученному материалу.
Раздел 1. Лазерные активные среды
1. Объясните основные понятия лазерной техники — вынужденное
излучение, инверсия населенности, многоуровневые системы.
2. Оцените преимущества и недостатки различных активных сред.
3. Какие разновидности твердотельных, газовых и жидкостных активных
сред вы знаете?
4. Что включает в себя понятие «экзотические» активные среды?
5. Какие бывают энергетические схемы работы лазеров и в чем их
отличия?
Раздел 2. Получение мощных лазерных импульсов путем увеличения
энергии излучения
1. Перечислите одно- и многокаскадные лазерные установки.
2. Что такое оптическая развязка многокаскадных установок?
3. Какие характерные коэффициенты усиления активных сред вам
известны?
4. Какие требования предъявляются к активным средам и лазерным
резонаторам для увеличения энергии?
5. Как производится транспортировка мощных лазерных пучков в
воздухе, через линзовые и оптоволоконные системы?
6. Что включает в себя обслуживание многокаскадных лазерных
установок?
Раздел 3. Получение
длительности излучения
мощных
импульсов
путем
уменьшения
1. Что означает понятие «режим свободной генерации лазерного
излучения»?
2. Дайте определение понятию «модулирование добротности».
3. Расскажите о преимуществах и недостатках пассивных (фототропных)
и активных (акусто- и электрооптических) затворах.
4. Что означает понятие «режим синхронизации мод»?
5. Каков спектральный состав коротких лазерных импульсов?
6. Каков спектр излучения субпикосекундных лазерных импульсов?
3
7. Дайте определение понятию когерентности и монохроматичности для
субпикосекундных лазерных импульсов.
Раздел 4. Управление модовым составом лазерных пучков
1. Дайте определение понятию моды излучения.
2. Как выглядят продольные и поперечные моды в резонаторе?
3. Как производить фильтрацию поперечных
внутрирезонаторной диафрагмой.
мод
телескопом
и
4. Как производить
резонаторе?
фильтрацию
поперечных
мод
в
кольцевом
5. Как производить
резонаторе?
фильтрацию
продольных
мод
в
связанном
6. Как производится управление поляризацией лазерного излучения?
Раздел 5. Перспективы использования мощных лазерных импульсов
1. Расскажите о применении мощных лазерных импульсов в медицине —
лазерная хирургия глаза, лазерная резка биотканей.
2. Расскажите о применении мощных лазерных импульсов — сверление
отверстий, лазерная гравировка, резка, закалка.
3. Каковы перспективы лазерного термоядерного синтеза?
4. Назовите научно-исследовательские задачи, решаемые с помощью
мощных лазерных импульсов.
4
3 Варианты заданий для самостоятельной работы студентов
3.1 Темы для дискуссий
Для занятий в форме дискуссий студентам необходимо выбрать одну из
предлагаемых преподавателем тем и сделать доклад с использованием
презентационного оборудования. После доклада в группе ведется дискуссия
по теме доклада и задача докладчика максимально хорошо разобраться в
выбранной тематике и ответить на возникающие вопросы коллег.
Студентам предлагается ряд следующих тем по применению лазерных
технологий:
1. Лазеры в геодезии (дальномер).
2. Лазерная гироскопия.
3. Обработка материалов и сварка.
4. Лазерная хирургия.
5. Лазерная связь.
6. Лазеры в телевидении.
7. Лазерные локаторы для стыковки.
8. Лазерная система посадки самолета.
9. Голография.
10.Лазерная локация.
11.Лазерная гравировка.
12.Лазерные системы разведки.
13.Голографический индикатор.
14.Лазерное оружие
3.2 Творческая самостоятельная работа
В качестве тем для рефератов и свободного самостоятельного изучения
вопросов лазерной техники предлагаются следующие:
1. Лазерные установки для гравировки алмазов.
2. Лазерные установки для резки диэлектриков.
3. Лазерные установки для закалки металлов и сплавов.
4. Лазерные установки для сварки металлов и сплавов.
5. Лазерные установки для фотодинамической терапии.
6. Лазерные установки для офтальмологии.
5
7. Лазерные установки для бескровной раскройки биотканей.
8. Электрические схемы мощных импульсных лазеров.
9. Разрушение оптических элементов при транспортировке мощного
лазерного излучения.
10.Передача излучения по оптическому волокну.
11.Безволоконные оптические схемы передачи мощного лазерного
излучения.
12.Зависимость качества реза от характеристик лазерного излучения.
6
4 Лабораторные работы
В курсе дисциплины планируется выполнение 4-х лабораторных работ
малыми группами (по 3-4 человека) на импульсных лазерных установках.
Темы лабораторных работ:
 Лабораторная работа № 1: «Изучение конструкции многокаскадного
лазера на основе ГОС-1000»
 Лабораторная работа № 2: «Изучение конструкции лазера на основе
LQ-929 с наносекундным импульсом генерации и четырьмя высшими
гармониками излучения»
 Лабораторная работа № 3: «Изучение конструкции
удлиненным импульсом генерации на основе ГОС-300»
лазера
с
 Лабораторная работа № 4. «Управление лазерными пучками на
примере лазеров ИЛГН-704 и ЛТН-103»
По каждой лабораторной работе студент выполняет отчет, который
включает в себя: ответы на контрольные вопросы, вычисления необходимые
по работе, выводы. Защита работы выполняется индивидуально каждым
студентом.
7
5. Примеры задач для самостоятельной работы
1. Привести соотношения между импульсной и средней мощностью
излучения, плотностью энергии и плотность. Мощности. Привести
характерную зависимость порогов разрушения (плотности мощности) от
длительности воздействия.
2. Определить
плотность
мощности
лазерного
излучения
на
обрабатываемой поверхности в центре облученной области, если
известна мощность излучения Р и распределение плотности мощности
излучения:
а) гауссово q  q0e( r r0 )
2
 q0 при r  r0 ,
б) постоянное, в пределах облученной области q  
0 при r  r0 .
3. Определить, какая доля лазерного излучения находится внутри круговой
области r  r0 , где r0 - характерный размер гауссова распределения
плотности мощности излучения в пучке q  q0e( r r0 ) .
2
4. Определить радиус области, в которой сосредоточено 50 % и 90 % всей
энергии гауссова пучка, если задан характерный размер гауссова
распределения r0 .
5. Рассчитать параметры механического прерывателя, представляющего
собой вращающийся диск с прорезью (размеры прорези и угловую
скорость вращения диска), если из импульсов длительностью 100 мкс
необходимо получить импульсы излучения длительностью 40 мкс при
частоте следования импульсов 250 Гц.
6. Определить распределение интенсивностей в многолучевой лазерной
системе для случайного и постоянного сдвига фаз φ излучения
отдельных лазеров, если излучение каждого из них поляризовано в
одной и той же плоскости и колебания их электрического поля
описываются формулой
Ei  E0 cos  t  i 
При решении задачи нужно принять во внимание, что амплитуда суммы
двух колебаний с амплитудами Е01 и Е02, фазами φ1 и φ2 и одинаковой
частотой равна
E0  E012  E022  2E01E02 cos  1  2  .
8
7. Определить полную мощность гауссова пучка, поперечное
распределение интенсивности в котором определяется зависимостью от
радиуса w:
 w2 
I ( w)  I 0 exp   2  .
 w G
8. Определить расходимость гауссова пучка, если зависимость радиуса его
поперечного сечения от расстояния определяется выражением
12
  x 2 
wG ( x)  w0 1   2   .
  w0  
9. Определить теоретическую дифракционную расходимость излучения
различных лазеров, считая распределение интенсивности равномерным
в пределах заданного диаметра пучка для Cu, YAG:Nd, N2и CO2лазеров
и гауссовым для He-Neлазера, по следующим данным:
а) YAG:Nd
λ = 1,06 мкм
D = 5 мм;
б) He-Ne
λ = 0,63 мкм
D = 0,3 мм;
в) Cu
λ = 0,5 мкм
D = 3 мм;
г) N2
λ = 0,34 мкм
D = 0,3 мм;
д) CO2
λ = 10,6 мкм
D = 5 мм;
где λ – длина волны излучения, D – диаметр лазерного пучка на выходе
лазера. Решение лучше оформить в виде таблицы.
10.Определить расходимость излучения многомодового
зависимости от числа генерируемых поперечных мод.
лазера
в
11.Вывести формулу для определения разности частот между ближайшими
продольными модами резонатора.
12.Показать, какой режим, импульсный
эффективен для лазерной обработки.
или
непрерывный,
более
13.Доказать, что при угле падения, равном углу Брюстера, угол между
отраженным и преломленным лучами равен π/2.
14.Рассмотреть различные методы обеспечения импульсного режима
воздействия (режимы свободной генерации, модуляции добротности и
синхронизации мод) и сравнить их по следующим параметрам: КПД,
9
энергия импульса, длительность импульса, средняя и импульсная
мощность, частота следования импульсов.
15.Рассчитать длину и диаметр световой трубки, образующейся при
фокусировке пучка лазерного излучения диаметром D0и расходимостью
θ линзой с фокусным расстоянием f.
16.Показать графически, зависит ли размер фокального пятна от расстояния
между лазером и фокусирующей оптической системой и от угла
расходимости лазерного излучения.
10
6 Итоговая аттестация
Оценка успеваемости магистрантов осуществляется по результатам:
 самостоятельного
(под контролем учебного мастера) выполнения
лабораторной работы;
 защите отчетов по лабораторным работам;
 опроса при сдаче выполненных самостоятельных заданий;
 во время экзамена.
Экзаменационные вопросы распределены по билетам (по три в
каждом).Первый вопрос связан с фундаментальными понятиями квантовой
электроники и лазерной техники.При ответе на второй вопрос экзаменуемый
должен объяснить суть предлагаемого явления или конструкционного
решения, его необходимость и последствия игнорирования. Третий вопрос
требует описания применения мощных лазерных импульсов в действующих
или перспективных отраслях науки или промышленности.
6.1 Примеры экзаменационных вопросов
1. Основные определения (лазер, активная среда, резонатор, инверсная
населенность, накачка).
2. Энергетические схемы работы лазера (двухуровневая, трехуровневая,
четырехуровневая).
3. Ширина спектральной линии, механизмы уширения.
4. Усиление в активной среде – экспоненциальный, линейный участки,
участок насыщения.
5. Обеспечение положительной обратной связи.
6. Устойчивые и неустойчивее резонаторы, резонаторы на грани
устойчивости.
7. Продольные и угловые моды резонатора.
8. Совместная работа активной среды и резонатора.
9. Классификация лазеров.
10.Активные среды твердотельных лазеров (элементы из рубина,
алюмоиттриевый гранат, стекло активированное неодимом).
11.Оптическая накачка лазеров, конфигурация осветителей.
12.Устройство квантрона.
13.Жидкостные лазеры.
14.Газоразрядные отпаянные лазеры.
15.Быстропроточные газовые лазеры.
11
16.Зеркала и отражающие элементы.
17.Оптико-механические затворы.
18.Фототропные затворы.
19.Электрооптический затвор с ячейкой Керра.
20.Электрооптический затвор с ячейкой Поккельса.
21.Оптические схемы твердотельных технологических лазеров.
22.Оптические схемы одномодовых и многомодовых лазеров.
23.Схема и принцип работы установки «задающий лазер – усилители».
24.Блоки питания лазеров – назначение и классификация.
25.Разрядный контур питания лампы накачки.
26.Накладной поджиг и принцип работы.
27.Встроенный и параллельный поджиги.
28.Поджиг «дежурной дугой».
29.Зарядные блоки накопителей.
30.Индуктивно-емкостной преобразователь.
31.Схема прямой фокусировки лазерного излучения.
32.Проекционный способ фокусировки.
33.Применение телескопических систем для фокусировки лазерного
излучения.
34.Измерение энергии лазерного пучка.
35.Измерение временных параметров лазерного пучка.
36.Опасные факторы при работе лазерной установки.
12
6.2 Примеры экзаменационных билетов
Институт физики высоких технологий. Кафедра лазерной и световой техники
Импульсная лазерная техника — Экзаменационный билет № 1 (пример)
1. Индуцированное излучение. Свойства и как их обнаружить
2. Оптическая развязка квантронов в многокаскадных лазерных установках.
3. Лазерное испарение тонких пленок.
Экзаменатор
Утверждаю
Институт физики высоких технологий. Кафедра лазерной и световой техники
Импульсная лазерная техника — Экзаменационный билет № 2 (пример)
1. Насыщение поглощения излучения
2. Принцип работы электро-оптического затвора.
3. Лазерное испарение тонких пленок.
Экзаменатор
Утверждаю
13
7. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины
7.1 Основная литература
1. А. Г. Григорьянц. Основы лазерной обработки материалов. — М.:
Машиностроение, 1989. — 300 с.
2. Технологические лазеры. Справочник // подред. Г. А. Абильсиитова. —
Т. 1–2. — М.: Машиностроение, 1991.
3. Справочник по лазерной технике // под ред. А. П. Напортовича. — М.:
Энергоатомиздат, 1991. — 543 с.
4. Лазерная и электронно-лучевая обработка материалов. Справочник //
под ред. Н. Н. Рыкалина. — М.: Машиностроение, 1985. — 496 с.
5. Б.Р. Белостоцкий и др. Основы лазерной техники, М, «Советское
радио», 1972г.,408 с.
6. Справочник по лазерной технике,
«Энергоатомиздат», 1991 г. 544с.
Пер.
с
немецкого,
М.
7. И.И. Пахомов, А.Б. Цибуля Расчет оптических систем лазерных
приборов. М, «Радио и связь»1986 г.,150 с.
8. К.И. Крылов Основы лазерной техники: Учебное пособие для вузов /
К.И. Крылов, В.Т. Прокопенко, В.А. Тарлыков. - Л.: Машиностроение,
1990.—316 с.: ил. (Для вузов). - Библиогр.: с. 314.
9. Б.Н. Рахманов Безопасность при эксплуатации лазерных установок /
Б.Н. Рахманов, Е.Д. Чистов. - М.: Машиностроение, 1981. - 113 с.
10.Справочник по лазерам: В 2-х томах: Пер. с англ. / Под ред. А. М.
Прохорова..—1978.—503 с.
11.В.А. Прянишников Теоретические основы электротехники: Курс
лекций / В.А. Прянишников. - 3-е изд., перераб. и доп. - СПб.: Корона
принт, 2000. - 368 с.: ил. - (Учебник для высших и средних учебных
заведений).
7.2 Вспомогательная литература
1. Г. С. Евтушенко, А. А. Аристов. Лазерные системы
Учебное пособие. — Томск: Изд-во ТПУ, 1998.
в медицине.
2. «LaserMarket» // журнал. — 1992-1993
3. А. В. Лыков. Теория теплопроводности. — М.: Высшая школа, 1967. —
599 с.
4. Б. Ф. Федоров. Лазеры: основы устройства и применения. — М.: Изд-во
ДОСААФ, 1988. — 189 с.
14
5. Прикладная лазерная медицина. Учебное пособие // под ред.
Х. П. Берлиена, Г. Й. Мюллера: пер. с нем. — М.: АО «Интерэксперт»,
1997. — 356 с.
6. А.Н. Пихтин Оптическая и квантовая электроника:
А.Н. Пихтин. - М.: Высшая школа, 2001. - 573 с.
Учебник
/
7. В.И. Дудкин Основы квантовой электроники: Учебное пособие /
СПбГТУ. - СПб.: Изд-во СПбГТУ, 1999. - 307 с.
8. И.Г. Иванов Ионные лазеры на парах металлов / И.Г. Иванов,
Е.Л. Латуш, М.Ф. Сэм. - М.: Энергоатомиздат, 1990. - 256 с.
9. Основы теории цепей: Учебное пособие / Г.В. Зевеке, П.А. Ионкин,
А.В. Нетушил, С.В. Страхов. - 5-е изд., перераб. - М.: Энергоатомиздат,
1989. - 528 с.
7.3 Интернет-ресурсы
1. ООО ОКБ «Булат»
http://laser-bulat.ru/
Лазерное
оборудование
и
технологии
2. Лазерные технологии «Лазертех» http://www.laserteh.spb.ru/
3. Научно-практический
журнал
«Лазерная
http://www.mustangmed.ru/zhurnal-lazernaya-meditsina
медицина»
4. Журнал
«Лазерная
и
опто-электронная
http://elibrary.ru/title_about.asp?id=29027
техника»
Банк контролирующих материалов составлен на основе Стандарта ООП ВПО
ТПУ в соответствии с требованиями ФГОС-3 по направлению 200400
«Оптотехника» по профилю подготовки «Оптические технологии».
Разработчик:
Морозова Е.Ю.
Программа одобрена на заседании кафедры ЛИСТ ИФВТ
(протокол № ____ от «___» _______ 2012 г.)
15