Физические основы лазерного излучения

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
Согласовано
Руководитель направления
150100, декан МФ проф.
______________Е.И. Пряхин
«___» ___________ 2012 г.
Утверждаю
Зав. кафедрой МиТХИ, проф.
__________ Е.И. Пряхин
«___» ___________ 2012 г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«Физические основы лазерного излучения»
Направление: 150100.68 Материаловедение и технологии материалов
Профиль: магистерская программа
Квалификация (степень) выпускника: магистр
Форма обучения: заочная
Составитель:
доцент
Е.В. Ларионова
Программа является приложением
к учебному плану в соответствии с ФГОС-2010
САНКТ-ПЕТЕРБУРГ
2012
2
1. Цель и задачи дисциплины
Целью преподавания дисциплины является формирование у студентов высокого
уровня знаний в области современных высокоинформационных лазерных технологий.
В результате изучения дисциплины студенты должны:

получить основополагающие знания в области высокоинформационных лазерных технологий;

получить практические навыки в проведении проектных работ по созданию
лазерного технологического оборудования и технологических процессов лазерной обработки для области прецизионного приборостроения;

уметь проводить инженерные оценки и расчеты лазерных технологических
процессов и лазерного технологического оборудования;

уметь проводить разработку макетных образцов лазерного технологического оборудования и проводить их исследования с целью получения заданных параметров и
характеристик самого оборудования и отработки технологического процесса лазерной обработки.
2. Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина формирует у студентов объем знаний в области современных методов
и средств лазерных технологий, широко применяемых в различных отраслях науки и техники, особенно в прецизионных областях приборостроения, микроэлектроники и медицины.
Дисциплина закладывает фундаментальные знания в области широко используемых лазерных технологий, относящихся к современным высокоинформационным технологиям создания новейших сверхпрецизионных приборов в различных отраслях науки и
техники.
Изучение дисциплины использует материалы дисциплин «Физика», «Специальные разделы физики», «Информатика», «Инженерная графика».
Дисциплина «Физические основы применения лазеров» является одной из основных дисциплин направления, которые все вместе формируют профессиональные качества студента как высококвалифицированного специалиста. Материал дисциплины
используется при выполнении курсовых и выпускных квалификационных работ.
3.
Требования результатам освоения дисциплины
Процесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
-
способен самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том
числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой дея-
3
тельности (ОК-6);
-
способен к профессиональной эксплуатации современного оборудования и
приборов (в соответствии с целями ООП магистратуры) и формулированию новых исследовательских задач на основе возникающих проблем (ОК-7);
-
владеет базовыми знаниями теоретических и прикладных наук и развивает их
самостоятельно с использованием в профессиональной деятельности при анализе и моделировании, теоретическом и экспериментальном исследовании материалов и процессов (ПК-1);
-
способен самостоятельно использовать современные представления наук о материалах при анализе влияния микро- и нано- масштаба на механические, физические, поверхностные и другие материалов, взаимодействия материалов с
окружающей средой, электромагнитным излучением и потоками (ПК-8);
-
способен к профессиональной эксплуатации современного оборудования и
приборов в соответствии с целями ООП магистратуры (ПК-14);
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать:
- преимущества и недостатки лазера как источника излучения,
- современное состояние и перспективы развития лазерной физики и техники,
- особенности применения лазера в приборах и системах,
- основные направления практического использования лазерного излучения и технологических возможностях лазерных приборов.
Владеть
- основами лазерной физики и техники,
- принципамиуправления лазеров различных типов в зависимости от их технических характеристик,
- особенностями конструктивных элементов лазеров,
- терминологией, используемой в лазерной физике и технике;
Обладать навыками практической работы с лазерами и исследования их характеристик,
измерения параметров лазерного излучения;
Уметь формировать управляющие скрипты.
4
4. Объём дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость учебной дисциплины составляет 4 зачетные единицы.
Вид учебной работы
Всего
Аудиторные занятия, в том числе
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа, в том числе
Другие виды самостоятельной работы
Изучение литературы, подготовка к лекциям и практическим занятиям.
Подготовка отчетов по практическим занятиям
Подготовка отчетов по лабораторному практикуму
Подготовка к промежуточной аттестации
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен)
Общая трудоемкость
час
зач. ед.
Всего
часов
144
Семестр
2
144
4
8
8
4
8
8
115
115
80
10
10
15
80
10
10
15
экзамен
144
4
104
4
5. Содержание дисциплины
№
п/п
1.
2.
3.
4.
5.
6.
7
Наименование
раздела Содержание раздела
дисциплины
Основные понятия и за- Законы классической теории излучения. Квантовые процессы
коны излучения
излучения и поглощения электромагнитных волн. Форма и ширина спектральной линии
Постулаты и принципы Математические методы описания квантовых систем. Принциквантовой теории
пы неопределенности, соответствия, суперпозиции. Простейшие случаи решения уравнения Шредингера.
Кинетические уравнения квантовой.
Смешанные состояния. Матрица плотности.
Когерентность, интерфе- Математическая запись квазимонохроматического излучения.
ренция и поляризация ла- Матрица когерентности. Интерференция и когерентность. Позерного излучения
ляризация излучения.
Лазерные вещества и ме- Активные лазерные среды. Кристалл рубина — активная среда
тоды инверсии населен- лазера. Методы инверсии населенностей активных лазерных
ностей
сред. Система оптической накачки
Оптические резонаторы
Открытые оптические резонаторы. Кольцевые резонаторы. Оптические элементы резонаторов. Матричный метод расчета резонатора
Оптические
квантовые Классификация, принцип действия и основные характеристики.
усилители
Схемы оптических квантовых усилителей. Оптические квантовые усилители бегущей волны. Шумы в оптических квантовых
усилителях
Твердотельные
лазеры Трехуровневый лазер. Анализ импульсного режима генерироимпульсного действия
вания лазерного излучения. Четырехуровневый лазер. Нестаци-
5
8
Газовые лазеры
9
Полупроводниковые
зеры
10
Модуляция лазерного излучения
11
Устройства
управления
лазерным излучением
12
Применение
устройств
лазерной техники
ла-
онарное тепловое поле и теплопроводность активной среды.
Частота генерации твердотельного лазера импульсного действия. Конструкции системы охлаждения и термостабилизации
лазерных излучателей. Графоаналитический метод расчета конструктивных, параметров твердотельного лазера импульсного
действия. Расчет энергетических характеристик.
Номограмма для расчета спектральных характеристик
Принцип действия лазера на нейтральных атомах гелийнеоновой смеси.
Принцип действия ионного лазера.
Принцип действия молекулярного лазера. Коэффициент усиления активной среды и стабилизация частоты излучения. Расчет
газового лазера. Газодинамические лазеры. Химические лазеры
Основные физические процессы в полупроводниковой активной
среде. Принцип действия и конструкция инжекционных лазеров.
Гетероструктуры,
гетеропереходы
и
гетеролазеры.Методика расчета основных параметров и характеристик
инжекционного полупроводникового лазера.
Физические принципы, классификация и основные характеристики модуляторов лазерного излучения. Электрооптический
эффект в кристаллах. Внерезонаторная электрооптическая модуляция непрерывного излучения. Магнитооптический эффект
и модуляция лазерного излучения. Фотоупругость и акустооптические модуляторы излучения. Внутрирезонаторная модуляция. Метод модуляции добротности резонатора. Лазер с призменным или пассивным затвором. Электрооптические затворы
Непрерывный оптический дефлектор. Дискретный оптический
дефлектор. Характеристика временного и пространственного
распределения излучения.Перестройка частоты лазерного излучения. Методы и схемы селекции мод. Пространственное формирование лазерного излучения.
Нелинейные оптические
эффекты в формировании и преобразовании лазерного излучения
Лазерные дальномеры. Лазерные гироскопы. Лазерные доплеровские измерители скорости. Оптическая голография
5.2. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№
п/п
1
Наименование обеспечиваемых (последующих)
дисциплин
Выпускная квалификационная работа
№ № разделов данной дисциплины, необходимых для
изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
+
6
5.
6.
7.
8.
9.
10.
11.
12.
1
1
10
10
11
11
10
15
2
8
11
2
8
8
8
8
8
10
10
17
11
9
11
11
11
11
13
18
2
2
2
2
2
1
1
Лабор.
практ.
Всего
час
4.
Основные понятия и законы излучения
Постулаты и принципы квантовой теории
Когерентность, интерференция и поляризация лазерного излучения
Лазерные вещества и методы инверсии населенностей
Оптические резонаторы
Оптические квантовые усилители
Твердотельные лазеры импульсного действия
Газовые лазеры
Полупроводниковые лазеры
Модуляция лазерного излучения
Устройства управления лазерным излучением
Применение устройств лазерной техники
СРС
1.
2.
3.
Наименование раздела дисциплины
Практ.
занятия
№
п/п
Лекции
5.3. Разделы дисциплины и виды занятий
2
6.Лабораторный практикум.
№
п/п
1
2
3
3
№ раздела
Темы лабораторных работ
дисциплины
3.
Юстировка оптического резонатора
Исследование работы лазера в различных режи7.
мах
Изучениеcистемы измерения и контроля пара7.
метров технологического YAG:Nd - лазера
Изучение устройства управления излучением
11.
технологическим
Трудоемкость,
ч
2
2
2
2
7. Практические занятия
№
п/п
1.
№ раздела
дисциплины
3.
3.
4.
2.
3.
5
11.
Тематика практических занятий
Оценочный инженерный расчет параметров технологического лазера с заданными характеристиками
Определение плотности мощности лазерного излучения с различным рабочим телом
Инженерный расчет оптического резонатора
Формирование программы управления лазерной установкой
Трудоемкость,
час
2
2
2
2
7
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
ЛИТЕРАТУРА
Основная:
1.
Веденов, А. А. Физические процессы при лазерной обработке материалов / А. А.
Веденов, Г. Г. Гладуш. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 205, [2] с.: граф., ил., табл.
2.
Григорьянц, А. Г. Лазерная обработка неметаллических материалов: учеб.пособие
для вузов / А. Г. Григорьянц, А. А. Соколов. - М.: Высш. шк., 2010. - 187, [2] с.: ил.
3.
Григорьянц, А. Г. Основы лазерной обработки материалов/ А. Г. Григорьянц. - М.:
Машиностроение, 1989. - 301 с.
4.
Справочник по лазерной технике: Пер. с нем. - М.; Энергоатомиздат, 1991.
Дополнительная:
5.
Григорьянц, А.Г. Технологические процессы лазерной обработки [Текст] / А.Г.
Григорьянц, И.Н. Шиганов, А.И. Мисюров; под ред. А.Г. Григорьянца – М.: Изд-во МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 2008. – 664 с.
6.
Афонькин, М.Г. Формирование цветных структур на поверхности металла лазерным излучением: монография / М.Г, Афонькин, Е.В. Ларионова. – Спб.: изд. СЗТУ, 2010.
– 205с.: ил.
Дополнительные средства обеспечения освоения дисциплины (ресурсы Internet)
http://www.toroid.ru/laser.html
http://mt12navsegda.narod.ru/lastech.html
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Специализированная аудитория, оснащённая средствами мультимедиа, компьютерный класс. Интерактивные материалы, презентация дисциплины, справочный материал
по практическим занятиям, лабораторному практикуму и самостоятельной работе студентов.
11. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины
Чтение лекций сопровождается демонстрацией с помощью мультимедийных
средств рисунков, фотографий, чертежей, образцов, часть из которых выполнена в динамической постановке.
Для повышения уровня усвоения лекционного материала и приобретения практических навыков проектирования предусматривается активная форма проведения практических занятий в виде решения задач и выполнение лабораторных работ.
В часы самостоятельной работы студенты имеют возможность работать с конспектом лекций и учебными пособиями, выполнять индивидуальное расчетно-графическое задание в компьютерном классе.
Разработал:
кафедра МиТХИ
доцент
Ларионова Е.В.
Эксперты:
кафедра МиТХИ
профессор
Пряхин Е.И.