Практические занятия и курсовое проектирование по дисциплине "Квантовые и оптоэлектронные приборы и устройства", страница 11

Pсигн= 100Pшум = kчувPmin; Pmin = 100Pшум/kчув.                (2.3)

Значения kчув, Pшум имеются в литературе, для нескольких приемников они приведены в приложении. При расчетах следует обратить внимание на размерность kчув и Pшум.

          Сложнее обстоит дело при технологическом применении лазеров. В [1] показано, как по параметрам технологического процесса (скорость обработки, толщина и род обрабатываемой детали) найти Pmin или Wmin, используя уравнение баланса энергии для усредненных значений в условиях пренебрежения теплоотводом. Там же приведены теплофизические константы для ряда материалов; данные о ρ, его зависимости от температуры и других факторов; рассмотрены полуэмпирические методы расчета Pmin.

          В некоторых случаях (так, например, при обработке металлов) нельзя пренебрегать  теплоотводом. При этом зона обработки (ширина сварного шва, ширина разреза) неоднозначно связана с радиусом лазерного пучка, она определяется видом изотерм, характерных для того или иного фазового перехода. Картины температурного поля позволяют также найти натяжения в диэлектриках, при которых возможно их терморастрескивание и т.д.

Рис.2.3. Нагрев вещества

излучением лазера

          Для нахождения картины температурного поля учтем, что в электронном приборостроении используются умеренные значения

Is < 108 Вт·см-2. При этом можно считать, что газо- и гидродинамические и плазменные явления в обрабатываемой зоне не играют решающей роли. Тогда температурное поле T(x, y, z, t) (см. рис.2.3) может быть получено из дифференциального уравнения:

                (2.4)

где s2 и s - операторы Лапласа; v - скорость перемещения материала относительно вещества; λт и а - коэффициенты тепло- и температуропроводности; суд, ρуд - удельная теплоемкость, удельная масса. Объемная плотность выделяющейся когерентной мощности q(x, y, z, t) может быть найдена с учетом закона Бугера:

где kпог - показатель поглощения среды.

          Уравнение (2.4), по сути дела, свидетельствует о законе сохранения энергии. Левая часть его дает мощность, выделяющуюся в образце, правая - тепло, накопленное в теле, за вычетом мощности, ушедшей из данной точки за счет теплоотвода и не "вошедшей" в тело из-за перемещения лазерного пучка. При v = 0 это уравнение описывает процесс в неподвижном образце (например, случай вскрытия отверстия). В зависимости от вида q(x, y, z, t) существует множество решений (2.4). При этих решениях возникает ряд проблем.

          Первая из них связана с определением q. Так как в (2.4) учитывается только поглощенная мощность, то это значит, что в Is входит коэффициент поглощения вещества, который сильно зависит от многих факторов (вид поверхности, ее температура, поляризация излучения и т.д.). Кроме того, необходимо учитывать затраты мощности на фазовые переходы (если они возникают), которые сильно уменьшают Is. При этом действующая мощность лазера как бы уменьшается и может быть представлена в виде

Pд= Pmin - hdvρуд Li,

обозначения из [1]. Особо значительным становится данный вид отвода энергии при разрушении материала; наступает момент, когда рост Т замедляется и почти вся мощность расходуется на испарение. Такой режим называется квазистационарным испарением. Критическая Is, при которой наступает данный переход, будет