GeoSELECT.ru



Технология / Реферат: Дифференциальный усилитель (Технология)

Космонавтика
Уфология
Авиация
Административное право
Арбитражный процесс
Архитектура
Астрология
Астрономия
Аудит
Банковское дело
Безопасность жизнедеятельности
Биология
Биржевое дело
Ботаника
Бухгалтерский учет
Валютные отношения
Ветеринария
Военная кафедра
География
Геодезия
Геология
Геополитика
Государство и право
Гражданское право и процесс
Делопроизводство
Деньги и кредит
Естествознание
Журналистика
Зоология
Инвестиции
Иностранные языки
Информатика
Искусство и культура
Исторические личности
История
Кибернетика
Коммуникации и связь
Компьютеры
Косметология
Криминалистика
Криминология
Криптология
Кулинария
Культурология
Литература
Литература : зарубежная
Литература : русская
Логика
Логистика
Маркетинг
Масс-медиа и реклама
Математика
Международное публичное право
Международное частное право
Международные отношения
Менеджмент
Металлургия
Мифология
Москвоведение
Музыка
Муниципальное право
Налоги
Начертательная геометрия
Оккультизм
Педагогика
Полиграфия
Политология
Право
Предпринимательство
Программирование
Психология
Радиоэлектроника
Религия
Риторика
Сельское хозяйство
Социология
Спорт
Статистика
Страхование
Строительство
Схемотехника
Таможенная система
Теория государства и права
Теория организации
Теплотехника
Технология
Товароведение
Транспорт
Трудовое право
Туризм
Уголовное право и процесс
Управление
Физика
Физкультура
Философия
Финансы
Фотография
Химия
Хозяйственное право
Цифровые устройства
Экологическое право
   

Реферат: Дифференциальный усилитель (Технология)



Московский Государственный Авиационный Институт

(Технический Университет)



Пояснительная записка
к курсовому проекту по курсу

"Технология аппаратуры САУ".

Дифференциальный усилитель.



Выполнил студент

группы

Консультант: /
/

Принял преподаватель: /
/



Москва, 1995 год.

Содержание:


1. Техническое задание...............................................3
2. Анализ технического задания................................6
3. Выбор материалов, расчет элементов..................6
4. Выбор подложки......................................................8
5. Технологический маршрут.....................................8
6. Выбор корпуса ГИС................................................8
7. Оценка надежности.................................................9
8. Список литературы.................................................11
Задание

на разработку гибридной интегральной микросхемы (ГИС) частного применения.
Дифференциальный усилитель.
Дифференциальный усилитель предназначен для усиления сигналов постоянного
тока или в качестве усилителя сигналов низкой частоты.


Схема электрическая принципиальная:

Смотрите на следующей странице (рисунок 1).

[pic]

Рисунок 1 : Схема электрическая принципиальная


Технические требования:

Микросхема должна соответствовать общим техническим требованиям и
удовлетворять следующим условиям:
- повышенная предельная температура +85(С;
- интервал рабочих температур -20(С...+80(С;
- время работы 8000 часов;
- вибрация с частотой до 100 Гц, минимальное ускорение 4G;
- линейное ускорение до 15G.

Исходные данные для проектирования:

1. Технологический процесс разработать для серийного производства с объёмом
выпуска – 18000 штук.
2. Конструкцию ГИС выполнить в соответствии с принципиальной электрической
схемой с применением тонкоплёночной технологии в одном корпусе.
3. Значения параметров:

|Позиционное |Наименование: |Количество: |Примечание: |
|обозначение: | | | |
|R1,R3,R5 |резистор 4КОм(10% |3 |Р=3,4мВт |
|R2 |резистор |1 |Р2=5,8мВт |
| |1,8КОм(10% | | |
|R4 |резистор |1 |Р4=2,2мВт |
| |1,7КОм(10% | | |
|R6 |резистор |1 |Р6=2,6мВт |
| |5,7ком(10% | | |
|VT1,VT4 |транзистор КТ318В |2 |Р=8мВт |
|VT2 |транзистор КТ369А |1 |Р=14мВт |
|VT3 |транзистор КТ354Б |1 |Р=7мВт |


Напряжение источника питания: 6,3 В(10%.
Сопротивление нагрузки не менее: 20 КОм.
1. Анализ технического задания.

Гибридные ИМС (ГИС) – это интегральные схемы, в которых применяются
плёночные пассивные элементы и навесные элементы (резисторы, конденсаторы,
диоды, оптроны, транзисторы), называемые компонентами ГИС. Электрические
связи между элементами и компонентами осуществляются с помощью плёночного
или проволочного монтажа. Реализация функциональных элементов в виде ГИС
экономически целесообразна при выпуске малыми сериями специализированных
вычислительных устройств и другой аппаратуры.
Высоких требований к точности элементов в ТЗ нет.
Условия эксплуатации изделия нормальные.

2. Выбор материалов, расчёт элементов, выбор навесных компонентов.

В качестве материала подложки выберем ситалл СТ50-1.
Транзисторы выберем как навесные компоненты.
VT1,VT4-КТ318В,
VT2-КТ369А,
VT3-КТ354Б.
По мощностным параметрам транзисторы удовлетворяют ТЗ. По габаритным
размерам они также подходят для использования в ГИС.
Рассчитаем плёночные резисторы.
Определим оптимальное сопротивлениеквадрата резистивной плёнки из
соотношения:
(опт=[((Ri)/((1/Ri)]^1/2.
(опт=3210(Ом/().
По полученному значению выбираем в качестве материала резистивной плёнки
кермет К-20С. Его параметры: (опт=3000 ОМ/(, Р0=2 Вт/см^2, (r=0.5*10^-4
1/(С.
В соответствии с соотношением
(0rt=(r(Тmax-20(C)
(0rt=0.00325, а допустимая погрешность коэффициента формы для наиболее
точного резистора из
(0кф= (0r- (0(- (0rt- (0rст- (0rк
равно (0кф=2.175. Значит материал кермет К-20С подходит.
Оценим форму резисторов по значению Кф из
Кфi=Ri/(опт(.
Кф1,3,5=1.333, Кф2=0.6, Кф6=1.9, Кф4=0.567.
Поскольку все резисторы имеют прямоугольную форму, нет ограничений по
площади подложки и точность не высока, выбираем метод свободной маски. По
таблице определяем технологические ограничения на масочный метод:
(b=(l=0.01мм, bтехн=0.1мм, lтехн=0.3мм, аmin=0.3мм, bmin=0.1мм.
Рассчитаем каждый из резисторов.
Расчётную ширину определяем из bрасч(max(bтехн, bточн,bр),
(b+(l/Кф Р
bточн(------------, bр=(--------)^2.
(0кф Р0*Кф

За ширину резистора-b принимают ближайшее значение к bрасч, округлённое до
целого числа, кратного шагу координатной сетки.
bр1,3,5=0.375мм, bтехн=0.1мм, bточн=0.8мм, значит b1,3,5=0.8мм.

Расчётная длина резистора lрасч=b*Кф. За длину резистора принимают
ближайшее к lрасч, кратное шагу координатной сетки значение.
Полная длина напыляемого слоя резистора lполн=l+2*lк. Таким образом
lрасч=1.066мм, а lполн=1.466, значит l1,3,5=1.5мм.
Рассчитаем площадь, занимаемую резистором S=lполн*b. S1,3,5=1.2мм^2.
Аналогичным образом рассчитываем размеры резистора R6.
b6=0.7мм, lполн=1.75мм, S=1.225мм^2.
Для резисторов, имеющих Кф(1, сначала определяют длину, а затем ширину.
Расчётное значение длины выбирают из условий

(l+(b*Кф Р*Кф
lрасч(max(lтехн,lточн,lр), lточн(------------, lр=(--------)^1/2.
(0кф
Р0

lточн2=0.736мм, lр2=0.417мм, значит l2=0.75мм.
bрасч=l/Кф, bрасч2=1.25мм, S=0.9375мм^2.
Аналогично рассчитываем R4/
lточн=0.72мм, lр=0.25мм, l4=0.75мм.
b4=1.35мм, S=1.0125мм^2.
Резисторы спроектированы удовлетворительно, т.к.:
1) удельная мощность рассеивания не превышает допустимую
Р01=Р/S(Р0;
2) погрешность коэффициента формы не превышает допустимую
(0кф1=(l/lполн+(b/b((0кф;
3) суммарная погрешность не превышает допуск
(0r1=(0((+(0кф+(0rt+(0rст+(0rк((0r.

3. Выбор подложки.

В качестве материала подложки мы уже выбрали ситалл.
Площадь подложки вычисляют из соотношения
Sr+Sc+Sk+Sн
Sподл=------------------, где
Кs

Кs-коэффициент использования платы (0.4....0.6);
Sr-суммарная площадь, занимаемая резисторами;
Sc-общая площадь, занимаемая конденсаторами;
Sk-общая площадь, занимаемая контактными площадками;
Sн-общая площадь, занимаемая навесными элементами.
Sподл=86.99мм^2.
Выбирем подложку 8(10мм. Толщина-0.5мм.

4. Последовательность технологических операций.

1. Напыление материала резистивной плёнки.
2. Напыление проводящей плёнки.
3. Фотолитография резистивного и проводящего слоёв.
4. Нанесение защитного слоя.
5. Крепление навесных компонентов.
6. Крепление подложки в корпусе.
7. Распайка выводов.
8. Герметизация корпуса.
Площадки и проводники формируются методом свободной маски.
Защитный слой наносится методом фотолитографии.

5. Выбор корпуса ГИС.

Для ГИС частного применения в основном используется корпусная защита,
предусматриваемая техническими условиями на разработку. Выберем корпус,
изготавливаемый из пластмассы. Его выводы закрепляются и герметизируются в
процессе литья и прессования.
Размеры корпуса (габаритные) 19.5мм(14.5мм, количество выводов–14, из них
нам потребуется 10.
6. Оценка надёжности ГИС.

Под надёжностью ИМС понимают свойство микросхем выполнять заданные функции,
сохраняя во времени значения установленных эксплуатационных показателей в
заданных пределах, соответствующим заданным режимам и условиям
использования, хранения и транспортирования.
Расчёт надёжности ГИС на этапе их разработки основан на определении
интенсивности отказов-((t) и вероятности безотказной работы-Р(t) за
требуемый промежуток времени.
1. Рассчитаем ( по формуле:
(i=(i*Ki*(0i,
где (0i-зависимость от электрического режима и внешних условий,

(i=f(T,Kн)-коэффициент, учитывающий влияние окружающей температуры и
электрической нагрузки,

Кi=K1-коэффициент, учитывающий воздействие механических нагрузок.
Воздействие влажности и атмосферного давления не учитываем, т.к. микросхема
герметично корпусирована.
Для расчётов рекомендуются следующие среднестатистические значения
интенсивностей отказов:
- навесные транзисторы (0т=10^-8 1/ч;
- тонкоплёночные резисторы (0R=10^-9 1/ч;
- керамические подложки (0п=5*10^-10 1/ч;
- плёночные проводники и контактные площадки (0пр=1.1*10^-91/ч;
- паяные соединения (0соед=3*10^-9 1/ч.
Коэффициенты (i берём из таблиц, приведённых в справочных материалах.
Коэффициенты нагрузки определяются из соотношений:
- транзисторов

КHI=II/IIдоп,
Кнт=max
Кнu=Ui/Uiдоп,
где I-ток коллектора соответствующего транзистора,

U-напряжение коллектор-эммитер соответствующего транзистора,

Iдоп, Uдоп-допустимые значения токов и напряжений;
- резисторов

КнR=Рi/Рiдоп,
где Рi-рассеиваемая на транзисторе мощность,
Рiдоп-допустимая мощность рассеивания.
Для различных условий экплуатации значения коэффициента в зависимости от
нагрузок разные, выберем самолётные-К1=1.65.
После расчётов имеем:
|Кнт1=0.0225 |
|(т1=0.4 |
|Кнт2=0.0018 |
|(т2=0.4 |
|Кнт3=0.045 |
|(т3=0.4 |
|Кнт4=0.11 |
|(т4=0.4 |
| |
|КнR1=0.23 |
|(R1=0.8 |
|КнR2=0.062 |
|(R2=0.7 |
|КнR3=0.56 |
|(R3=1.1 |
| КнR4=0.37 |
|(R4=0.95 |
|КнR5=0.95 |
|(R5=1.5 |
|КнR6=1 |
|(R6=1.6 |

|(т1234=6.6*10^-9 |
|(R1=1.32*10^-9 |
|(R2=1.55*10^-9 |
|(R3=1.815*10^-9 |
|(R4=1.57*10^-9 |
|(R5=2.48*10^-9 |
|(R6=2.64*10^-9 |
| |
|(0соед=1.09*10^-7 |
|(0пр=4.46*10^-7 |

Величина интенсивности отказов ГИС-(( определяется как сумма всех
рассчитанных интенсивностей. Расчётное значение вероятности безотказной
работы за время составляет

Р(t)=е^-((t
и равна 0.995 (за 8000 часов).
Список литературы.



1. Н. Н. Ушаков "Технология производства ЭВМ". 1991г. Высшая школа.



2. Б. П. Цицин "Учебное пособие для выполнения курсового проекта по курсу
"Технология производства ЭВМ". 1989г. МАИ.






Реферат на тему: Диффузионный CO2 лазер ВЧЕ-разрядом

Автор: Ilya Chindialov (2:5020/859.43)
Содержание

1. Введение ..…………………………..…………………......…………. 3
2. Квантовое описание лазера …………………………………..…….. 4
3. Получение инверсной заселённости, состав активной среды, температурный
режим, регенератор .....................................…..... 9
4. Резонатор ...................................………………..……..……............
13
5. Характеристика газового разряда, ВАХ, потенциальная диаграмма
……………………………………………………………. 17
6. Заключение ………………………………………………..………….. 25
7. Список используемой литературы
................................................ 26



1. Введение
Из всех существующих лазеров (“Light Amplification by Stimulated
Emission of Radiation”) длительного действия наиболее мощными, продвинутыми
в практическом отношении и приспособленными для резки материалов, сварки
металлов, термического упрочнения поверхностей деталей и ряда других
операций являются электроразрядные СО2-лазеры. Большой интерес к СО2-
лазерам объясняется также и тем, что у этого лазера эффективность
преобразования электрической энергии в энергию лазерного излучения в
сочетании с максимально достижимой мощностью или энергии импульса
значительно превосходит аналогичные параметры других типов лазеров. С
помощью их излучения производят необычные химические реакции, разделяют
изотопы. Имеются проекты передачи энергии с помощью СО2-лазеров с Земли в
космос или из космоса на Землю, обсуждаются вопросы создания реактивного
двигателя, использующего излучение лазера. За 33 года, прошедших со времени
создания первого образца (С. Пател, 1964г.) их мощность в непрерывном
режиме возросла от милливатта до многих киловатт. Сейчас выпускаются СО2-
лазеры с мощностью до 10 кВт, в том числе более 50 типов СО2-лазеров с ВЧ-
накачкой в диапазоне мощностей от 3 Вт до 5 кВт. При этом газовые лазеры с
ВЧ-возбуждением обладают целым рядом преимуществ по сравнению с лазерами, в
которых для накачки рабочей среды применяется самостоятельный тлеющий
разряд постоянного тока. В частности, их конструкция и технология
изготовления проще, а надёжность, ресурс работы, удельные характеристики
существенно выше чем у лазеров с накачкой постоянным током. Это позволяет
уменьшить габариты и массу технологических СО2-лазеров мощностью (1 кВт
настолько, что становится возможным размещение такого лазера на подвижном
манипуляторе промышленного робота.
Сегодня известно большое количество различных конструкций газовых
лазеров с ВЧ-возбуждением. Но в основе всего многообразия конструктивных
решений лежит специфика пространственной структуры ВЧЕР, которая в
большинстве случаев удачно совпадает с требованиями, предъявляемыми к
активной среде лазера.



2. Квантовое описание лазера
Возбуждённая частица может перейти в менее энергетическое состояние
самопроизвольно в результате спонтанного излучения, или, как его ещё
называют, радиационного распада (рис. 1). Спонтанное излучение имеет чисто
квантовую природу. Согласно квантовой механике атом или молекула не могут
находиться в возбуждённом состоянии бесконечно долго. Возбуждённое
состояние распадается с конечной скоростью, определяемой вероятностью этого
перехода в единицу времени [pic], испуская при этом квант света с энергией
h(0=(2-(1 А(2)(А(1)+ h(0 ([pic] - коэффициент Эйнштейна для
спонтанных переходов). Изменение концентрации частиц N2 на верхнем уровне в
результате спонтанных переходов описывается выражением [pic]. Кванты света,
родившиеся в результате спонтанных переходов обладают одинаковой энергией
но никоим образом не связаны между собой. Направления распространения этих
квантов в пространстве равновероятны. Так как рождение кванта может с
равной вероятностью произойти в любой момент времени, электромагнитные
волны, соответствующие этим квантам, не связаны между собой по фазе и имеют
произвольную поляризацию.
В отличие от спонтанных переходов, способных происходить в
изолированной частице, безизлучательные переходы возможны только при
наличии взаимодействия частицы А с другой частицей или системой частиц В. В
результате такого взаимодействия частица переходит из состояния 1 в
состояние 2 или наоборот без излучения кванта света и без его участия.
Процесс столкновительного возбуждения (рис.2) требует затраты кинетической
энергии [pic] и протекает по схеме А(1)+В(А(2)+В. Процесс столкновительной
релаксации на (рис.3) наоборот сопровождается переходом энергии [pic] в
поступательную энергию взаимодействующих частиц либо тратится на
возбуждение частицы В. Этот переход происходит по схеме
A(2)+B(A(1)+B+[pic]. Индуцированные, или, как их иногда называют,
вынужденные переходы в соответствии с гипотезой А. Эйнштейна могут
происходить только при взаимодействии частицы А с резонансными квантами,
удовлетворяющими условию h(0=(2-(1 т.е вероятность индуцированных переходов
отлична от нуля лишь во внешнем электромагнитном поле с резонансной
частотой (0. А. Эйнштейн предположил, что при наличии поля резонансной
частоты помимо переходов квантовой системы из состояния 1 в состояние 2,
что соответствует резонансному поглощению квантов, протекающему по схеме
А(1)+h(0(A(2) (рис.4) возможны переходы по схеме А(2)+h(0(А(1)+2h(0
(рис.5). Данный процесс индуцирования или вынужденного излучения и служит
основой квантовой электроники.
Однако энергия возбуждённых состояний не является фиксированной
величиной даже в случае изолированной частицы. Согласно принципу
неопределённости Гейзенберга неточность в определении энергии системы и
времени её существования должна удовлетворять соотношению: [pic]. Поскольку
[pic]((0 то неопределённость энергии возбуждённого состояния составляет
[pic]. Такое энергетическое размытие уровней приводит к неопределённости
частоты излучаемого кванта [pic]. Данное уширение частоты излучения
называется естественная ширина линии и является минимально возможной.
Естественная ширина линии резко растёт с ростом ( (((3) и становится
заметной в коротковолновой части спектра. Для основного перехода молекулы
СО2 лазера (0(5 сек и ширина [pic](0(3*10-2 Гц. Однако обычно ширина линии
излучения определяется не спонтанным излучением а релаксационными
безизлучательными переходами, происходящими при взаимодействии возбуждённой
частицы с другими частицами. Любой релаксационный процесс приводит к
сокращению времени жизни частицы в возбуждённом состоянии, а следовательно,
к уширению соответствующей этому состоянию линии излучения. Релаксационное
уширение происходит за счёт безизлучательных процессом при столкновении
частиц и этот процесс называют столкновительное уширение. По аналогии с
естественный шириной линии, принимая (cт - время жизни частицы в
возбуждённом состоянии столкновительное уширенение определяется как [pic].
Время жизни частицы определяется через сечение этих процессов (ст[pic] Как
правило возбуждённая частица взаимодействует с различными частицами и в
общем случае (ст[pic], где суммирование проводится по всем видам
взаимодействующих частиц. Столкновительное и естественное уширение вызвано
одной той же причиной – конечным временем жизни частицы в возбуждённом
состоянии. Форма линии уширения в обоих случаях определяется особенностью
вероятностных процессов и поэтому одинакова. Она имеет так называемый
лоренцев контур, описываемый форм-фактором [pic]. Выражение нормировано на
единицу: [pic]. Уширение линии, связанное с конечностью времени жизни
возбуждённого состояния, принято называть однородным. В случае однородного
уширения каждая возбуждённая частица при переходе излучает линию с полной
шириной [pic], спектральной формой [pic] и поглощает кванты с частотой,
лежащей в пределах контура [pic]. При однородном уширении форма линии
описывает спектральные характеристики каждой частицы и всех частиц в целом.
Но конечное время жизни частиц не является единственной причиной уширения
линий. Излучающие частицы находятся, как правило, в тепловом движении. В
соответствии с эффектом Доплера частота, испускаемая движущимся источником
колебаний, претерпевает смещение, пропорциональное скорости движения
излучателя V. Смещение частоты зависит также от угла ( между направлением
движения и линией, соединяющей излучатель с приёмником и составляет [pic].
Так как излучающие частицы движутся с различными скоростями и в различных
направлениях, то частотные сдвиги излучаемых ими линий различны. Поэтому
даже в случае отсутствия столкновений неподвижный спектральный прибор будет
регистрировать множество естественно уширенных линий, различно смещённых
относительно частоты (0. Суперпозиция этих смещённых линий и даёт
наблюдаемый профиль уширённой линии. Это так называемое доплеровское
уширение линии является неоднородным. Каждая частица в описанной ситуации
может излучать линию лишь в узком, определяемом естественным уширением,
спектральном диапазоне, сдвинутом относительно (0 на конкретную величину,
однозначно связанную со скоростью и направлением движения этой частицы.
Естественно, что и поглощать излучение с фиксированной частотой смогут
только те частицы, доплеровский сдвиг которых соответствует этой частоте.
При максвелловском распределении излучающих частиц по скоростям [pic] где
[pic] - средняя тепловая скорость; m - масса частицы. При этом линия
излучения имеет гауссов профиль, описываемый форм-фактором [pic].
Аналогично с [pic] выражение нормировано на единицу [pic].

В общем случае полная ширина линии излучения определяется всеми механизмами
уширения. Однако в реальной ситуации чаще всего преобладающим является
один. Это вызвано различным характером зависимости [pic] и [pic] от внешних
условий. Так, например, в случае газовой излучающей среды [pic] линейно
растёт с концентрацией частиц, а [pic] зависит только от температуры.
Поэтому при малых давлениях уширение будет определяться доплеровским
эффектом, а при больших - столкновениями. Спектральное распределение
излучаемой линии имеет вид симметричной резонансной кривой (рис.6) с
максимумом на частоте (=(0, спадающей до уровня половины максимальной
интенсивности при частотах [pic]. Наличие уширения энергетических уровней и
излучаемых линий, не влияя на интегральную частоту вынужденных переходов,
приводит к уменьшению вероятности переходов с конкретной длиной волны.
Т.к. линия излучения имеет спектральную форму q((), то вероятность
спонтанного излучения с заданной частотой будет определяться полной
вероятностью соответствующих переходов А12 и видом форм-фактора q(() т.е.
Wсп(()=А21*q(() где Wсп(()- вероятность спонтанного излучения. Вероятности
спонтанного и вынужденных переходов связаны между собой, поэтому
вероятность индуцированных излучения с заданной частотой W21(() также
зависит от (: W21(()=B21*q(()*(V, B21 – коэффициент Эйнштейна для
индуцированного излучения, [pic] – спектральная объёмная плотность
излучения. Интегральная вероятность индуцированного излучения W21 при этом
удовлетворяет условию [pic]. Для лоренцева вида линии форм-фактора такое
интегрирование даёт [pic], для гауссова [pic], [pic], [pic]- объёмная
плотность излучения, ( - дельта-функция. Сечение вынужденного фотоперехода
для столкновительного уширения имеет вид: [pic], для доплеровской формы
линии [pic], g1 – статистический вес уровня. Сечение вынужденного излучения
(21=(0*g1, вынужденного поглощения (12=(0*g2. Процессы индуцированного
излучения сопровождаются усилением электромагнитных волн. Пусть через
среду, в которой частицы могут находиться в состояниях 1 и 2 с энергиями
возбуждения (1 и (2 проходит поток монохроматического излучения
удовлетворяющего соотношению h(0=(2-(1. Пусть плотность частиц в этих
состояниях N1 и N2. Уравнение баланса плотности фотонов в пучке имеет вид:
[pic] где np – объёмная концентрация фотонов. [pic]. Величину [pic]
называют коэффициентом активной среды. Интенсивность света будет
усиливается по мере прохождения через среду с К>0. В противном случае при
К0. В среде с
термическим равновесием, где N1 и N2 подчиняются распределению Больцмана и
где N2 всегда меньше N1, усиление света невозможно. Таким образом,
усиление света может иметь место лишь при отсутствии термодинамического
равновесия между уровнями 2 и 2, т.е. в неравновесной среде. Среду с N2*g1-
N1*g2>0 называют средой с инверсной населённостью. Наилучшие условия
резонансного излучения получаются при больших скоростях заселения и
временах жизни верхнего уровня активных частиц и малых значениях этих
величин для нижнего уровня.

3. Получение инверсной заселённости, состав активной среды, температурный
режим, регенератор
В лазере на основе СО2 используется четырёхуровневая система получения
инверсной населённости между колебательными уровнями молекул. Молекула СО2
состоит из атома углерода и двух симметрично расположенных атомов
кислорода, т.е. имеет линейную структуру О-С-О. Как видно из схемы на рис.
7 атомы кислорода могут совершать симметричные (мода (1ОО) и несимметричные
(асимметричные) (мода (3ОО), а также поперечные этому направлению так
называемые деформационные колебания (мода (2LOO) - из-за наличия двух
взаимно перпендикулярных направлений этот тип колебаний является дважды
вырожденным. Употребляемые для описания состояния колебательно-возбуждённой
молекулы квантовые числа (1, (2L и (3 характеризуют число квантов,
соответствующих колебанию данного типа, L указывает поляризацию
деформированного колебания. Лазерный квант излучается при переходе из
состояния 001 в 100 (цифры обозначают колебательные квантовые числа в модах
(1, (2L и (3 соответственно). Возможен также переход 001(020 с длиной волны
(=9.4 мкм, но он обычно гораздо слабее. Для получения оптимальных условий
в рабочую смесь СО2-лазера помимо углекислого газа добавляют азот и гелий.
Время жизни верхнего лазерного уровня СО2 относительно спонтанных
переходов составляет (0.2 с (А21(5.1 с-1). Поэтому более интенсивно
верхние и нижние лазерные уровни расселяются (релаксируют) в результате
безизлучательных переходов при столкновениях возбуждённой молекулы с
невозбуждёнными компонентами лазерной среды по схеме на рис. 3. Однако
высокая эффективность получения инверсной заселённости в газоразрядных СО2-
лазерах обусловлена рядом причин. В электрическом разряде с высокой
эффективностью образуются колебательно-возбуждённые молекулы N2,
составляющие до 50% их общего числа. Поскольку молекула N2 состоит из двух
одинаковых ядер, её дипольное излучение запрещено и она может
дезактивироваться только при столкновении со стенкой или с другими
молекулами. При наличии СО2 колебательная энергия N2 может быть легко
передана молекулам СО2 поскольку существует близкий резонанс между
колебаниями N2 и модой (3 колебаний СО2. Уровень 001 только на 18 см-1
лежит выше первого колебательного уровня азота и необходимый недостаток
энергии молекулы СО2 могут получать от кинетической энергии азота. В
результате энергия, затрачиваемая на возбуждение верхнего лазерного уровня
и характеризуемая КПД разряда (к, для смесей СО2-N2-He может превышать 80%.
При наличии азота в смеси время релаксации, запасённой верхним уровнем
энергии (э увеличивается и становится равным [pic]. При средней плотности
выделяемой в положительном столбе разряда мощности заселённость
верхнего лазерного уровня в отсутствии генерации будет [pic]. Создание
инверсии требует малой населённости нижнего лазерного уровня. В условиях
отсутствия генерации нижние уровни СО2 находятся в тепловом равновесии с
основным, их относительная заселённость ([pic]. Для поддержания
стационарной генерации нижние уровни СО2 необходимо расселять. Этот процесс
обеспечивается добавлением в лазерную смесь расселяющих компонент, из
которых наиболее эффективен гелий. Также помимо эффективного расселения
уровня 100 гелий обеспечивает хороший теплоотвод от рабочей среды за счёт
теплопроводности и оказывает стабилизирующее действие на заряд, поэтому в
подавляющем большинстве существующих технологических лазеров предпочтение
отдаётся ему. Таким образом, эффективная работа СО2-ляазера требует
трёхкомпонентной лазерной смеси. Определение состава рабочей среды лазера
является сложной оптимизационной задачей, решение которой необходимо
проводить в каждом конкретном случае. Для диффузионного СО2-лазера часто
используется смесь СО2:N2:He в соотношении 1:1:3.
Частотный спектр генерации СО2-лазера имеет достаточно сложный вид.
Причиной этого является наличие тонкой структуры колебательных уровней,
обусловленной существованием ещё одной степени свободы молекулы СО2 –
вращения. Из-за вращения молекулы каждый изображённый на рис. 7
колебательный уровень распадается на большое количество вращательных
подуровней, характеризуемых квантовым числом j и отстоящих друг от друга на
величину энергии ((вр, (001, (100, kTr. В результате интенсивного обмена
энергий между вращательной и поступательной степенями свободы
устанавливается больцмановское распределение частиц по вращательным
состояниям, описываемое уравнением [pic], где N( , N(,j – концентрации
возбужденных частиц на колебательном уровне ( и на его вращательных
подуровнях j; [pic]= 0,38 см-1 – вращательная константа. Согласно правилам
отбора в молекуле СО2 переходы между двумя различными колебательными
уровнями возможны при изменении вращательного квантового числа на 1 т.е.
(j=(1. Таким образом, линия усиления рабочей среды состоит из большого
числа линий, каждая из которых уширена за счёт эффекта Доплера на величину
[pic] и за счёт столкновений на величину [pic] и для СО2-лазера вычисляются
: [pic]
[pic], где рi – парциальные давления компонент смеси.
Коэффициент усиления активной среды СО2-лазера существенно зависит от
температуры рабочей смеси Тг. Процессы накачки лазерной смеси и генерации
неизменно сопровождается нагревом газа. Температура лазерной смеси Тг в
установившемся состоянии пропорциональна мощности энерговыделения в
разряде, т.е. Тг(jE. В отсутствие генерации заселенность верхнего лазерного
уровня также пропорциональна jE. Поэтому если время столкновительной
релаксации [pic] не зависит от температуры газа и N001(Тг, учёт возрастания
[pic] с ростом Тг лишь ослабит зависимость N001(Тг) (пунктирная линия).
Заселённость нижнего лазерного уровня находится в равновесии с основным и
описывается законом Больцмана N100([pic]. В связи с этим при достижении
некоторой критической температуры Тmax инверсная заселённость лазерной
смеси исчезает. Максимальная инверсия достигается при оптимальных
температурах смеси Торt. Для смеси с (г(1,5*10-1 Вт/(м*К), Тстенки(300К
зависимость населённости лазерных уровней от температуры показана на рис.
8. Типичные значения Тopt(400...500К, Тмах(700...800К.
Под действием электронных ударов и в результате столкновений
возбуждённых молекул в тлеющем разряде в СО2-лазерах происходит частичная
диссоциация углекислого газа СО2 ( СО + О. Отношение концентраций СО к СО2
может достигать (12%, содержание О2 – 0,8%. Из-за этого при сохраняющемся
энерговкладе возрастают потери на диссоциацию, возбуждение электронных
состояний и возбуждение колебаний СО и О2. Поэтому населённость верхнего
рабочего уровня СО2 падает и коэффициент усиления уменьшается. Поскольку
ресурс работы СО2-лазера, определенный требованиями экономичности
установки, оценивается несколькими сотнями часов, а существенный рост доли
СО и О2 определяется минутами, необходимо включение в контур регенератора,
в котором частично восстанавливается рабочая смесь. В диффузионном СО2-
лазере целесообразно применение цеолита (SiO4+AlO4) в количестве 20мг,
насыщенного парами H2O.

4. Резонатор

Резонатор является оптической системой, позволяющей сформировать
стоячую электромагнитную волну и получить высокую интенсивность излучения,
необходимую для эффективного протекания процессов вынужденного излучения
возбуждённых частиц рабочего тела лазера, а следовательно, когерентного
усиления генерируемой волны. Оптические резонаторы в квантовой электронике
не только увеличивают время жизни кванта в системе и вероятность
вынужденных переходов, но и так же, как резонансные контуры и волноводы
определяют спектральные характеристики излучения.
В длинноволновом диапазоне классической электроники длина волны
излучения существенно больше размеров контура и его спектральные
характеристики определяются сосредоточенными параметрами электрической
цепи. Длинные радиоволны при этом излучаются в пространство практически
изотропно. При сокращении длины волны и переход в СВЧ-диапазону для
формирования электромагнитной волны используются пустотелые объёмные
резонаторы с размерами, сравнимыми с длиной волны. При этом появляется
возможность формирования направленных (анизотропных) распределений
излучения в пространстве с помощью внешних антенн. В ИК и видимом диапазоне
длина волны излучения много меньше размеров резонатора. В этом случае
оптический резонатор определяет не только частоту, но и пространственные
характеристики излучения.
Простейшим типом резонатора является резонатор Фабри-Перо, состоящий
из двух параллельных зеркал, расположенных друг от друга на расстоянии Lp.
В технологических лазерах резонатор Фабри-Перо используется крайне редко из-
за больших дифракционных потерь. Чаще используются резонаторы с одной или
двумя сферическими отражающими поверхностями. Свойства этих резонаторов
зависят от знака и величины радиуса их кривизны R, а также от Lp и
определяются стабильностью существования в нём электромагнитной волны.
В так называемом устойчивом (стабильном) резонаторе распределение
поля воспроизводится идентично при многократных проходах излучения между
зеркалами и имеет стационарный характер. В результате попеременного
отражения электромагнитных волн от зеркал волна формируется таким образом,
что в приближении геометрической оптики не выходит за пределы зеркал в
поперечном направлении и выводится из устойчивого резонатора только
благодаря частичному пропусканию самих отражающих элементов. В случае
отсутствия потерь, излучение могло бы существовать в устойчивом резонаторе
бесконечно долго. В неустойчивом (нестабильном) резонаторе световые пучки
(или описывающие их электромагнитные волны) в результате последовательных
отражений от зеркал перемещаются в поперечном оси резонатора направлении к
периферии и покидают его.
Свойства резонаторов и характеристики создаваемых ими пучков можно
описывать и в волновом, и в геометрическом приближении. В качестве критерия
применимости этих приближений удобно использовать так называемое число
Френеля [pic], где a, L – характерные размеры задачи поперёк пучка и вдоль
направления его распространения. Условие NF>>1 соответствует применимости
геометрического приближения. При NF(1 необходимо учитывать также волновые
свойства электромагнитного излучения.
В геометрическом приближении условие устойчивости резонатора имеет
вид:[pic]. Расстояние между зеркалами Lp в этом выражении всегда
положительно, а R1 и R2 положительны только для вогнутых т.е. фокусирующих
зеркал и отрицательны для зеркал с выпуклой поверхностью. Для устойчивых
резонаторов существует стационарное распределение интенсивности
электромагнитного поля. В общем случае интенсивность излучения в устойчивых
резонаторах распределена не равномерно по всему объёму резонатора, а
сосредоточена внутри области, называемой каустикой (рис.9). Радиусы (1, (2,
этой области на зеркалах а также её минимальный радиус (0 в месте перетяжки
определяются длиной волны и параметрами резонатора (R1, R2, Lp). Для
основного типа колебаний их можно рассчитать с помощью соотношений: [pic]
Расстояния L1 L2 от места положения перетяжки до зеркал составляют: [pic]
[pic].
Наибольшее распространение получил среди устойчивых резонаторов
полуконфокальный резонатор, у которого одно зеркало плоское (R2=() а второе
имеет радиус R1=2LP т.е. его фокус лежит на плоском зеркале. Основное
удобство полуконфокального резонатора, определяющее его широкую
распространённость, заключается в возможности использования для вывода
излучения плоских окон из частично прозрачных материалов а также в
параллельности выходящего пучка. В случае использования металлических
зеркал излучение можно выводить через одно из них или систему отверстий.
Устойчивый резонатор сравнительно прост в эксплуатации. Он легко
юстируется, достаточно устойчив по отношению в разъюстировке. Его
сферические зеркала сравнительно просто поддаются изготовлению и контролю
радиуса кривизны. Поэтому они находят широкое применение в лазерной
технике, особенно в технике маломощных (( 1 кВт) лазеров. К числу
недостатков устойчивых резонаторов следует отнести несовпадение объёма
каустики с объёмом активной среды, что приводит к уменьшению КПД и
увеличению размеров лазера, а также повышенные значения плотности мощности
при перетяжке, что в случае её малых размеров может привести к оптическому
пробою. Однако самым серьёзным недостатком устойчивых резонаторов является
невысокая лучевая стойкость используемых в качестве выходных окон
диэлектрических оптических материалов. Именно это обстоятельство
ограничивает использование устойчивых резонаторов при больших плотностях
излучения.
В лазерах повышенной мощности в последнее время широкое
распространение получили неустойчивые резонаторы со сферическими
металлическими зеркалами. Наиболее часто в лазерной технике используется
телескопический конфокальный неустойчивый резонатор, дающий на выходе
параллельный пучок. Одно из его зеркал выпуклое, а другое вогнутое.
Генерация возникает в приосевой зоне. Покидающее эту зону излучение
усиливается при многократных проходах между зеркалами, смещаясь к периферии
резонатора. Относительная величина смещения положения луча на выпуклом
зеркале за один проход называется коэффициентом увеличения резонатора
[pic]. В отличие от устойчивого резонатора прозрачность неустойчивого
резонатора определяется не пропусканием излучения выходным зеркалом, а
геометрическими размерами системы. Из-за геометрического расширения
излучения его интенсивность падает на одном проходе в М2 раз. Однако в
стационарных условиях при малых внутрирезонансных потерях усиление
излучения на одном проходе также составит М2. Таким образом, весь
неустойчивый резонатор заполнен излучением с практически равной
интенсивностью, что в отличие от устойчивых резонаторов обеспечивает полное
и равномерное использование всей активной среды. Если добавить к этому
высокую лучевую стойкость металлических зеркал, то преимущество
неустойчивых резонаторов для мощных лазерных систем становится очевидным.

5. Характеристика газового разряда, ВАХ, потенциальная диаграмма

В высокочастотных разрядах ёмкостного типа (ВЧЕР) высокочастотное
(ВЧ) напряжение подаётся на электроды, которые могут быть изолированы от
разряда твёрдым диэлектриком или соприкасаться с разрядом. В этом смысле
можно условно называть ВЧЕ-разряды электродными или безэлектродными. Для
диффузионного СО2-лазера ориентировочное давление рабочей среды (20-40
торр, частота возбуждения (10-120 МГц (основная промышленная частота f(13,6
МГц). Плазма таких разрядов, как правило, слабо ионизована, неравновесна и
подобна плазме тлеющего разряда. При давлении (20 торр частота столкновений
(м примерно в 103 раз превышает частоту колебаний (=2(f, поэтому в
осциллирующем поле типа Е=Еаsin(t электроны совершают дрейфовые колебания с
амплитудой и скоростью смещений [pic] [pic] где (м – частота электронных
столкновений. При ЕА/р(10 В/(см*торр), что характерно для неравновесной
слабоионизированной плазмы молекулярных газов и промышленной частоты,
амплитуда дрейфовых колебаний А(0,1 см. Она сравнительно мала по сравнению
с типичными для экспериментов длинами разрядных промежутков вдоль поля
L(0,5-10 см. Дрейфовые скорости и амплитуды колебаний ионов в (102 раз
меньше, так что колебательное движение ионов во многих случаях можно
вообще не принимать во внимание. Даже при весьма низкой плотности
электронов ne=108 см-3 и характерной для столкновительной плазмы
электронной температуры Те=1 эВ дебаевский радиус dD(0,05см >Еопт, не может
сформироваться т.к. по условию эксперимента х < lф (lф – длина
фарадеева пространства). Основной недостаток рассмотренной схемы
заключается в её очень малом КПД, поскольку практически всё приложенное к
электродам напряжение падает на катодном слое, в котором из-за малых ne и
больших величин Е накачка активной среды не происходит, за исключением
тонкого слоя вблизи тлеющего свечения со стороны катода. Аналогичная
ситуация имеется и в сильноточном ВЧЕР. Однако благодаря существованию в
определённых условиях слаботочного режима горения ВЧЕР, когда
приэлектродные слои не пробиты и потери в них невелики, появляется
возможность использовать для накачки рабочей среды лазера поперечный разряд
с малым межэлектродным зазором но высоким КПД. Именно в этом заключается
основное преимущество ВЧЕР по сравнению с поперечным разрядом постоянного
тока. Но эксперименты показывают, что слаботочный разряд может гореть
только при значениях pL, меньших некоторого критического (pL)кр. Это
зависит от электродов и свойства газа. При pL((pL)кр слаботочный разряд
становится неустойчивым и либо переходит в сильноточную форму либо гаснет.
При pL>(pL)кр зажечь его вообще не удаётся и реализуется только
сильноточный режим. При pL50 МГц.
. Толщина приэлектродных слоёв пространственного заряда dсл в диапазоне
частот f>50 МГц составляет доли мм, что позволяет заполнить плазмой малые
межэлектродные зазоры d(1,5(3 мм.



6. Заключение

Представленные в работе данные о диффузионном СО2-лазере с
высокочастотным возбуждением показывают многие преимущества такого типа
возбуждения активной среды по сравнению с возбуждением разрядами
постоянного и переменного тока. ВЧЕ-разряд устойчивее разряда постоянного
тока, в нём достижим существенно больший энерговклад. Балластным
сопротивлениям, которые всегда оказывают благотворное действие на
стабильность разряда, можно придать ёмкостный (реактивный) характер, что
избавляет от бесполезных потерь энергии, которые о обычных омических
балластниках составляют примерно 30% подводимой электрической мощности.
Существенное преимущество ВЧЕР - это возможность избавиться от катодных
слоёв, свойственных разрядам и постоянного и переменного тока. В катодных
слоях бесполезно теряется часть энергии, кроме того, в них обычно
рождаются возмущения, от которых развивается неустойчивости. Эти
преимущества обеспечивает только слаботочная форма ВЧЕ-разряда. Поэтому
для СО2-лазера необходим именно слаботочный режим, в котором получены
рекордные мощности излучения: (0,83 Вт/см. Недостаток этого режима –
ограничение на плотность тока, длину промежутка и давление. Над
улучшением данных характеристик ведётся работа. Также большим
преимуществом является удобство работы с длинными трубками, низкие
рабочие напряжения, высокая устойчивость и однородность. Дальнейший
прогресс в области диффузионных СО2-лазеров с ВЧ-накачкой связан с
исследованием условий протекания тока на границах плазмы ВЧ-разряда с
электродами, а также решением проблем, связанных с волноводным режимом
работы резонатора, увеличение скорости теплоотвода на стенки разрядной
трубки.



7. Список литературы


1) В.С. Голубев, Ф.В. Лебедев “Физические основы создания технологических
лазеров”

2) В.С. Голубев, Ф.В. Лебедев “Инженерные основы создания технологических
лазеров”

3) Ю.П. Райзер “Физика газового разряда”

4) А.А. Веденов “Физика электроразрядных СО2-лазеров”

5) Н.А. Яценко “Газовые лазеры с высокочастотным возбуждением”

6) Н.А. Яценко “Влияние частоты накачки на параметры газовых лазеров с
высокочастотным возбуждением”

7) Ю.С. Протасов, С.Н. Чувашев “Физическая электроника газоразрядных
устройств”

8) В. Виттеман “СО2-лазер”
-----------------------
[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]






Новинки рефератов ::

Реферат: Взаимодействия с ЭВМ на естественном языке (Компьютеры)


Реферат: Основы психологического консультирования (Психология)


Реферат: Украина (История)


Реферат: Битва за Днепр (История)


Реферат: Правовое государство и гражданское общество (Теория государства и права)


Реферат: Бизнес план социально инвестиционной программы Пуховый мир (Менеджмент)


Реферат: Экспериментальное исследование (Педагогика)


Реферат: Возможности использования детских фортепианных сочинений К. Дебюсси и М. Равеля на уроках музыки в общеобразовательной школе (Педагогика)


Реферат: Домашняя учебная работа учащегося (Педагогика)


Реферат: Жизнь и смерть Клеопатры (Исторические личности)


Реферат: Вайшнавийская философия (Философия)


Реферат: Правовое регулирование вексельного обращения (Гражданское право и процесс)


Реферат: Приемы и методы в аудите (Бухгалтерский учет)


Реферат: Причины применения выборочного наблюдения (Журналистика)


Реферат: Металлургические процессы при сварке (Технология)


Реферат: Виды формы и функции контроля в обучении (Педагогика)


Реферат: Богоматерь Донская (ГТГ) Интерпретация темы Богоматери Елеусы (Искусство и культура)


Реферат: Содержание экологического образования и его основные компоненты (Педагогика)


Реферат: Контрольная работа (Гражданское право и процесс)


Реферат: Пропилен (Химия)



Copyright © GeoRUS, Геологические сайты альтруист