Компьютерное моделирование технологического СО2 лазеров для дальнейшего улучшения его основных параметров и характеристик - Дипломная работа

С самых первых дней своего появления лазерные приборы вызвали живейший и широкий интерес со стороны науки, техники и промышленности. Это обработка материалов, связь, хранение информации, мониторинг окружающей среды, системы слежения, измерения расстояний, контроль химического состава веществ, всевозможные селективные технологии, фотохимия, медицина, косметология. Так как большинство технологических применений лазеров основано на тепловом действии света, тогда к технологическим лазерам относится те лазеры, которые способны нагреть объект воздействия до температуры, при которой в обрабатываемом материале происходят те или иные физические процессы, такие как: изменение фазового состояния и структуры, химические реакции, физические переходы - плавление, испарение и так далее. Для обеспечения необходимых требований при разработке лазерных систем, прибегают к компьютерному моделированию на основе математических моделей и расчетов.Лазеры, используемые в технологических комплексах, должны удовлетворять целому ряду требований, таких как управляемость, надежность, высокий кэфициент полезного действия, стабильность параметров излучения, ремонтопригодность, небольшие габариты, малые эксплуатационные расходы, экологическая безопасность, соответствие санитарно-гигиеническим нормам. Длина волны излучения, лежащая в дальней инфракрасной области, позволяет обрабатывать прозрачные материалы, плохо поддающиеся воздействию излучения лазеров, работающих в видимом и ближнем инфракрасном диапазонах. Самые лучшие показатели по мощности и качеству лазерного излучения удается достичь в лазерах с конвективным охлаждением с быстрым протоком газа через разрядную камеру. Прежде всего, это сравнительно низкие давления рабочей смеси в лазере, ограниченные областью устойчивого горения разряда, обязательное применение балластных резисторов, снижающих коэфициент полезного действия, либо специальных дорогостоящих источников питания, оптические неоднородности вблизи электродов, ограниченная возможность изменения мощности, вкладываемой в разряд, а значит, и мощности выходного излучения. Лазер на углекислом газе (или CO2 лазер) представляет семейство так называемых молекулярных лазеров, для которых рабочими являются переходы между колебательными состояниями в молекуле.При конструировании излучателя СО2-лазера в первую очередь прорабатываются общая компоновка его элементов, форма и материал оболочки разрядного капилляра и балластного объема, а также конструкция юстировочных узлов и элементов системы охлаждения. Этот материал обладает высокими электроизоляционными свойствами, высокой вакуумной плотностью, прозрачен в широком диапазоне видимого спектра, имеет высокую коррозионную устойчивость. К тому же при нагреве до температур свыше 500 0С стекло приобретает пластичность и хорошо сваривается в системах стекло-стекло и стекло-металл, сохраняя при этом высокую вакуумную плотность. Рубашка охлаждения такого лазера располагается в промежутке между разрядным каналом и балластным объемом. Балластный объем сообщается с разрядным каналом через отверстие в одном из изоляторов электрического вывода.Вектор скорости потока в газоразрядной полости направлен поперечно направлению распространения луча оптической оси лазера и направлению тока разряда, что уменьшает число Маха, необходимое для смены газа в полости. Скорость потока на переднем фронте газоразрядного канала, как правило, не превышает 60-70 м/с. Газоразрядный канал и теплообменник, по которым последовательно протекает поток газа, являются нагрузкой для вентилятора. Режимы течения газа в каналах обычно соответствуют числам Рейнольдса, определяемым по гидравлическому диаметру, порядок величины которого равен Re ~ (4 ^ 20) • 103. Процессы в газоразрядном канале в отсутствие сил трения можно описать с помощью системы уравнений для плоского канала с подводом тепла: , (2.1)В области давлений газовой смеси более 10 мм рт.ст. полоса линии излучения в CO2 лазере определяется преимущественно столкновительными процессами (однородное уширение): , (2.13) где p - давление газовой смеси в мм рт.ст.; В квазистационарном режиме скорость возбуждения верхнего лазерного уровня совпадает со скоростью возбуждения молекул азота, поскольку, как говорилось выше, единственным каналом отвода колебательной энергии от молекул азота являются столкновения с молекулами С02. Вообще говоря, заметный вклад в скорость возбуждения верхнего лазерного уровня вносит прямое возбуждение молекул С02 электронным ударом, однако учет этого вклада не приведет к изменению качественной зависимости мощности излучения от давления. На рисунке 2.1 показана расчетная зависимость мощности излучения 1 см3 активной среды С02 лазера от давления. На рисунке 2.2 и рисунке 2.3 показана зависимость порога генерации по параметру Е/Р от давления: на рисунке 2.2 - для лазера с объемом активной области 1 см3, на рисунке 2.3 - для лазера с объемом активной области 15 см3.Возьмем теплообменник с плоским каналом постоянного сечения, использованный в экспериментах. Вли

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

1. ОСНОВЫ МОДЕЛИРОВАНИЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ЛАЗЕРОВ

1.1 Технологический лазер

1.2 Феноменологический (теплофизический) подход к лазерному воздействию

1.3 Мощный технологический лазер «Лантан-5»

1.4 Элементы конструкции излучателя лазера

2. МОДЕЛИРОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЧЕСКОГО ЛАЗЕРА

2.1 Термогидродинамика лазера с замкнутым циклом потока

2.2 Расчет параметров и геометрии излучателя

2.3 Расчет теплообменника

2.4 Газодинамический контур

2.5 Тепловой расчет лазера

3. ОХРАНА ТРУДА

3.1 Анализ условий труда

3.2 Промышленная безопасность

3.3 Производственная санитария и гигиена труда в помещении

3.4 Пожарная безопасность

ВЫВОДЫ