Взаимодействие лазерного излучения с веществом

ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ 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
«Взаимодействие лазерного излучения с веществом»
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
Цель курса — формирование у магистров уровня знаний в области современных
методов и средств лазерной технологии, умения проводить инженерные оценки и расчеты
лазерных технологических процессов и систем, поставить экспериментальный технологический процесс и грамотно эксплуатировать лазерные технологические установки.
Задачи курса — изучение процессов технологии лазерной обработки различных
материалов, математическое моделирование процессов и объектов на базе современных
стандартных пакетов автоматизированного проектирования и исследований, приобретение
навыков разработки технологических режимов обработки различных материалов, проведение экспериментальных исследований взаимодействия лазерного излучения с веществом; проведение измерений по заданным методикам с выбором технических средств и
обработкой результатов.
2.
Место дисциплины в структуре ООП
Дисциплина «Взаимодействие лазерного излучения с веществом» входит в специальную подготовку магистра по данной специальности. 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 деятельности (ОК-6);
-
способен к профессиональной эксплуатации современного оборудования и прибо-
ров (в соответствии с целями ООП магистратуры) и формулированию новых исследовательских задач на основе возникающих проблем (ОК-7);
-
способен самостоятельно использовать современные представления наук о матери-
алах 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 прибо-
ров в соответствии с целями ООП магистратуры (ПК-14);
3
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать:
- процессы взаимодействия лазерного излучения с веществом, включая биологические объекты;
- принципы разработки, создания и использования лазерных приборов, систем и
технологических комплексов различного назначения;
Уметь:
- выполнять практические работы с лазерами и исследовать их характеристики, измерять параметры лазерного излучения;
Владеть:
- навыками лазерных технологий, использующих взаимодействие электромагнитного излучения с веществом, в том числе медицинские, космические, микро- и нанотехнологии;
- навыками управления элементной базы лазерной техники, технологии и систем
управления и транспорта лазерного излучения;
- навыками работы с программным обеспечением и компьютерным моделированием в лазерной технике и лазерных технологиях.
4. Объём дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость учебной дисциплины составляет 4 зачетные единицы.
Вид учебной работы
Аудиторные занятия (всего), сего
в том числе:
Лекции
Практические занятия (ПЗ)
Лабораторные работы (ЛР)
Самостоятельная работа, (всего)
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, к зачету
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен)
Общая трудоемкость
час
зач. ед.
Всего
часов
14
Семестр
3
14
4
4
6
90
33
11
11
90
35
28
35
28
27
4
108
3
27
зачет
108
3
4
5. Содержание дисциплины
№
п/п
1.
Наименование раздела
дисциплины
Лазерный нагрев материалов
2.
Лазерное разрушение
поглощающих материалов
3.
Современные представления об оптическом пробое прозрачных сред
Содержание раздела
Общая характеристика нагревания лазерным излучением. Тепловые эффекты в конденсированных средах. Основные особенности
температурной кинетики при лазерном воздействии на металлы.
Теплопроводностные механизмы отвода тепла. Уравнение теплопроводности, начальное и граничные условия. Термические эффекты, сопровождающие лазерный нагрев. Термомеханические
эффекты. Фазовые переходы в твердом состоянии (лазерное
упрочнение). Эмиссионные процессы. Основные особенности лазерной активации процессов аррениусовского типа. Лазерное
окисление. Диффузионно-химические явления. Экзотермические
эффекты при импульсном лазерном воздействии на металлы. Линейные режимы лазерного нагрева. Понятие температуры электронной и решеточной подсистем. Нагрев полупространства экспоненциально спадающим с глубиной тепловым источником.
Нагрев металла импульсным излучением постоянной мощности.
Нагрев материала лазерным пучком с гауссовым профилем. Нагрев
материала постоянным лазерным излучением, луч сфокусирован в
пятно круглого сечения. Влияние временной зависимости интенсивности лазерного излучения. Лазерный нагрев тонких слоев и
пленок. Нагрев материалов в интерференционном лазерном поле.
Особенности нагрева материала движущимся световым пятном.
Нелинейные режимы лазерного нагрева. Нагрев с учетом температурной зависимости поглощательной способности. Изменение поглощательной способности окисляющихся материалов при лазерном нагревании. Тепловая неустойчивость. Интерференционные
явления в окисном слое. Лазерное плавление поверхности. Вакансионная модель плавления.
Общая характеристика механизмов лазерного разрушения. Механическое низкотемпературное разрушение хрупких материалов.
Разрушение упругими напряжениями . Разрушение остаточными
напряжениями . Химические механизмы разрушения. Высокотемпературные механизмы с участием испарения. Поляритонный механизм формирования лазерно-индуцированного поверхностного
рельефа. Лазерное испарение . Кинетика испарения плоской поверхности. Испарение в вакуум и среду с противодавлением. Температурная граница перехода от нагрева к испарению. Теплофизика перехода от нагрева к испарению. Одномерная задача о лазерном нагреве с испарением
. Установление стационарного режима. Определение квазистационарных параметров. Зависимость
температуры и скорости лазерного разрушения от плотности светового потока.. Вытеснение расплава избыточным давлением паров. Свойства лазерного пара и плазмы, их влияние на процесс
разрушения.
Физические представления об оптическом пробое идеальных диэлектриков. Оптический пробой газов. Оптический пробой идеально чистых твердых тел. Тепловой механизм оптического пробоя реальных сред. Основные экспериментальные закономерности
и особенности оптического пробоя и разрушения оптически неоднородных сред. Тепловая неустойчивость. Статистическая концеп-
5
Воздействие сверхкоротких лазерных импульсов на материалы
4.
ция оптического пробоя. Размерная зависимость порога пробоя.
Двухтемпературная модель при сверхкоротком воздействии . Особенности экспериментального изучения воздействия фемтосекундных лазерных импульсов на материалы. Особенности разлета вещества при фемтосекундном лазерном воздействии. Плавление
при воздействии сверхкоротких лазерных импульсов. Термическое
плавление с высокими скоростями. Нетермическое плавление. Фотофизическая абляция. Уплотнение электронного газа и кулоновский взрыв в поверхностном слое проводника
. Формирование лазерно-индуцированного поверхностного рельефа при воздействии сверхкоротких лазерных импульсов . Механизм образования поверхностных периодических структур при воздействии
сверхкоротких импульсов. Резонансная дифракция на плоской поверхности с периодической модуляцией оптических свойств. Формирование периодического профиля поля температур. Эволюция
периодических поверхностных структур в расплавленном поверхностном слое. Силовое действие сверхкоротких импульсов на прозрачные диэлектрики
5.2. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№
п/п
Наименование обеспечиваемых
(последующих) дисциплин
1
Подготовка выпускной квалификационной работы
№ № разделов данной дисциплины, необходимых для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
1
2
3
4
+
+
+
+
3
3
1
1
6. Лабораторный практикум: программой не предусмотрено.
4
Лабор.
практ.
1
1
Всего
час
4.
Лазерный нагрев материалов
Лазерное разрушение поглощающих материалов
Современные представления об оптическом пробое
прозрачных сред
Воздействие сверхкоротких лазерных импульсов
на материалы
СРС
1.
2.
3.
Наименование раздела дисциплины
Практ.
занятия
№
п/п
Лекции
5.3. Разделы дисциплины и виды занятий
20
20
24
24
20
21
20
25
6
7. Практические занятия.
№
п/п
№ раздела
дисциплины
1
1.
2
2.
3.
4.
Тематика практических занятий
Трудоемкость,
час
Принцип действия твердотельного технологического
лазера. Лазерная маркировка металлических материалов.
Лазерная маркировка, лазерная резка полимерного материала
Определение скорости сканирования лазерного луча
при обработке металлической пленки из заданного
материала
3
3
4
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
ЛИТЕРАТУРА
Основная:
1. Вейко В.П., Либенсон М.Н., Червяков Г.Г., Яковлев Е.Б. Взаимодействие лазерного
излучения с веществом. Силовая оптика. Под ред. В.И. Конова. М.: ФИЗМАТЛИТ,
2008, 312
2. Анисимов С. И., Имас Я. А., Романов Г. С., Ходы Ю. В. Действие излучения большой мощности на металлы, «Наука», 1970, 272 с.
3. Либенсон М.Н. Лазерно-индуцированные оптические и термические процессы в
конденсированных средах и их взаимное влияние.СПб.: Наука, 2007. 423 с.
4. Делоне Н.Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. М.: Наука, 1989.
5. Виноградов Б.А., Гавриленко В.Н., Либенсон М.Н. Теоретические основы воздействия лазерного излучения на материалы: Учебное пособие для вузов. Благовещенск: изд-во БПИ, 1993, с. 344.
6. Алешин И.В., Имас Я.А., Комолов В.Л. Оптическая прочность слабопоглощающих
материалов. Л.: изд. ЛДНТП, 1974, 34 с.
7. Лыков А.В. Теория теплопроводности. М. Высшая школа. 1967
8. Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964, 487 с.
9. Яковлев Е.Б. Особенности поведения стекол и стеклообразных материалов при
быстром нагревании. С.–Петербург: СПбГУ ИТМО, 2004, 83 с.
10. Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электронно-лучевая
обработка металлов. М., Машиностроение. 1985.
Дополнительная:
11. Вейко, В.П. Лазерная обработка / В.П. Вейко, М.Н. Либенсон - Л.: Лениздат, 1973.
12. Лазеры в технологии / Под ред. М.Ф.Стельмаха. - М.: Энергия, 1975.
13. 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.
7
14. 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.