НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ
«УТВЕРЖДАЮ»
Декан РЭФ ___________ В.А.Гридчин
«____» _____________2001г.
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА
по дисциплине “Лазерные системы и технологии ”
для студентов, обучающихся по специальности (направлению)
551900 “Оптотехника”
Факультет радиотехники, электроники и физики
Кафедра ОИТ
Курс 4 Семестр 7
Лекции 34 час. Экзамен 7 сем.
Практические занятия 17 час.
Лабораторные занятия 17 час. Зачет __ сем.
Контр. работы 1
Курсовые работы ___ час.
Курсовые проекты 1
РГР ___ час.
Самостоятельная работа 36 час.
Индивид. занятия ___ час.
Всего 104 час.
2001г.
Рабочая программа составлена на основании государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования подготовки бакалавров по направлению «Оптотехника», утвержденной 10 марта 2000г.
Индекс 551900
Рабочая программа обсуждена на заседании кафедры «Оптические информационные технологии», протокол № …..
«__» _____ 2001г.
Программу составил : Шишаев А.В., д.ф.-м.н., проф.
Заведующий кафедрой Дубнищев Ю.Н., д.т.н., проф.
Отв. за ОПП
Эксперт по качеству
Особенности курса
Курс входит в число специальных дисциплин и дисциплин специализаций.
Основная цель курса для студента: уметь использовать специфику физики взаимодействия высокоинтенсивного когерентного электромагнитного излучения с веществом для аналитических и технологических целей.
Ядро курса составляют задачи количественного и качественного анализа атомных и молекулярных систем, направленного воздействия лазерного излучения на вещество с целью решения конкретных аналитических и технологических проблем.
Для успешного изучения курса студенту необходимо знать основы лазерной физики, оптику и физику взаимодействия лазерного излучения с веществом в конденсированном, жидком и газообразном состояниях.
В курсе закрепляются такие общепредметные умения как знание аналитических и технологических возможностей применения лазерной техники, способность оценить и проанализировать проведение лазерных аналитических и технологических операций сообразно поставленным задачам, методы диагностики и устранения неисправностей лазерных систем и установок.
Курс имеет практическую часть (практические занятия – 17час. лабораторные занятия – 17час.). Студенты применяют теоретические положения для решения конкретных задач аналитических и технологических применений лазеров. Часть заданий меняется, имея нестандартный проблемный характер.
Для проведения практических занятий используется учебная и специальная литература.
Оценка знаний и умений студентов проводится по результатам выполнения практических и лабораторных работ и экзамена, включающего один теоретический вопрос и один практический вопрос по основным проблемам курса (см. приложение).
Требования государственного образовательного стандарта (ГОС) по направлению 551900 «Оптотехника» (для бакалавра техники и технологии, утвержденный 10 марта 2000г.)
Квалификационные требования
Для решения профессиональных задач бакалавр:
осуществляет сбор, обработку, анализ и систематизацию научно-технической информации по теме исследований и разработок;
изучает специальную литературу и другую научно-техническую информацию, достижения отечественной и зарубежной науки и техники в области лазерной аналитики и лазерных технологий, принимает участие в проведении лазерных аналитических исследований и постановке лазерных технологий, осуществляет контроль над соблюдением технологической дисциплины на своем участке, правильной эксплуатацией лабораторного и производственного оборудования.
Бакалавр должен знать:
постановления, распоряжения, приказы, методические и нормативные материалы, касающиеся области своей профессиональной деятельности;
действующие стандарты и технические условия, положения и инструкции по эксплуатации оборудования, программы испытаний, оформление технической документации;
технические характеристики и экономические показатели лучших отечественных и зарубежных образцов лазерной аналитической аппаратуры и лазерных технологий.
Требования к профессиональной подготовленности бакалавра
Бакалавр по лазерным системам и технологиям
Должен знать
методические и нормативные материалы по аналитическим и технологическим применениям лазерных систем;
технические характеристики и экономические показатели отечественных и зарубежных аналитических и технологических лазерных систем;
современные аналитические и технологические процессы с использованием лазерных систем.
Должен уметь применять
методы проектирования и постановки лазерных аналитических и технологических процессов;
типовые технологические процессы ;
средства измерений.
Цели курса
Но-мер
цели
|
Содержание цели
|
Студент будет иметь представление
|
1
|
о системном подходе к постановке лазерных аналитических исследований и лазерных технологий на этапах от их проектирования до эксплуатации
|
2
|
о методах анализа данных о лазерных технологических процессах и изделиях, являющихся объектами этих процессов
|
3
|
о методах управления качеством по моделям стандартов ИСО 9001-9004
|
4
|
о системах контроля, применяемых для получения информации о технологических системах и производимых изделиях
|
5
|
о лазерных методах и средствах испытаний продукции, проводимых с целью оценки ее качественных и количественных характеристик.
|
Студент будет знать
|
6
|
Объект (технологический процесс и изделия, производимые в ходе выполнения технологического процесса) и предмет курса (лазерные системы и технологии), задачи курса (уметь использовать специфику физики взаимодействия высокоинтенсивного лазерного излучения с веществом).
|
7
|
Особенности использования лазеров для решения конкретных аналитических и технологических задач.
|
8
|
Основные параметры лазерных технологических систем и лазерных аналитических методов и аппаратуры.
|
9
|
Методы расчета характеристик лазерных технологических систем и аналитической аппаратуры.
|
10
|
Методы управления качеством лазерных аналитических исследований и технологий.
|
11
|
Методы проектирования оптимальной структуры лазерных технологических систем.
|
Студент будет уметь
|
12
|
Использовать основы лазерной физики, оптики и физики взаимодействия излучения с веществом для постановки и решения аналитических и технологических задач.
|
13
|
Определять характеристики лазерных систем в зависимости от конкретной ситуации.
|
14
|
Выдвигать и проверять гипотезы о характере анализируемых физико-химических процессов и достижении конкретной технологической задачи.
|
15
|
Интерпретировать результаты лазерно-спектроскопического анализа данных о технологической системе и продукции.
|
16
|
Проводить лазерные аналитические исследования и лазерные технологические процессы.
|
17
|
Определять влияние разброса параметров комплектующих и материалов на выходные характеристики аналитических исследований и лазерно-технологического процесса.
|
18
|
Проектировать оптимальную структуру постановки лазерных аналитических и технологических процессов.
|
19
|
Проектировать планы выборочного контроля продукции при составлении контрактов на ее поставку.
|
20
|
Применять методы диагностики неисправностей лазерной аналитической и технологической аппаратуры.
|
21
|
Проектировать постановку лазерных технологий и аналитических исследований.
|
22
|
Применять автоматизированное программное обеспечение в производственных задачах.
|
Структура курса
Содержание курса
Ссылки
на цели курса
|
Часы
|
Темы лекционных занятий
|
1, 11,13,14,18
|
4
|
Общие сведения о лазерных системах применительно к планированию лазерных экспериментов и разработке технологических методик и устройств.
- Свойства лазерного излучения. Пространственная и временная когерентность. Спектральная плотность излучения. Спектр излучения. Непрерывный и импульсный режимы работы.
- Типы лазеров. Импульсные и непрерывные лазерные установки высокой мощности. Газодинамические и химические лазеры. Лазеры на красителях. Полупроводниковые лазеры. Примеры отечественных и зарубежных лазерных систем.
- Оптические системы лазерных технологических установок. Виды систем транспортировки лазерного излучения. Некоторые примеры расчёта оптических элементов лазерной установки (согласующей оптики, фокусировки лазерных пучков и др.).
- Основы техники безопасности при работе с лазерными установками.
|
6,7, 8, 9,13,21
|
6
|
Измерение важнейших характеристик излучения оптических квантовых генераторов (ОКГ).
- Измерения энергетических характеристик лазерного излучения. Измерения с тепловыми, пироэлектрическими и фотоэлектрическими приёмниками. Пондемоторные измерители и измерения фотографическими методами. Измерения в различных спектральных областях.
- Измерения спектральных характеристик излучения ОКГ. Стандарты длин волн. Съёмка и измерение спектров. Призменные, дифракционные и интерференционные приборы. Контуры и ширины спектральных линий.
- Измерения временных характеристик излучения ОКГ. Временное разрешение оптической системы. Измерение длительности световых импульсов на основе диссектора. Разрешение систем с механической схемой развёртки, с фотокатодом или фотоэлектронным умножителем и осциллографом,с электронно-оптическим преобразователем. Использование нелинейных оптических эффектов.
- Измерения поляризации излучения лазеров. Состояние поляризации излучения. Анализ поляризации света для непрерывных лазеров и лазеров, работающих в режиме однократных или повторяющихся импульсов.
- Измерения когерентности излучения лазеров. Исследование временной и пространственной когерентности излученияе.
|
2,3,4,10,17,
19,22
|
8
|
Аналитические применения ОКГ.
- Критерии оценки качества анализа. Предел обнаружения. Воспроизводимость. Правильность. Количественный анализ.
- Аналитические применения. Локальный анализ. Анализ поверхностей. Микроанализ. Специальные методы. Лазерная искра.
- Атомно-абсорбционная спектроскопия с лазерными источниками низкой и высокой интенсивности. Минимизация влияния допплеровского уширения спектральных линий поглощения. Внутрирезонаторная спектроскопия. Аппаратура.
- Атомно-флуоресцентная спектроскопия с лазерным возбуждением. Типы флуоресцентных переходов. Основные выражения для сигнала флуоресценции. Экспериментальная методика и аппаратура. Аналитические приложения метода. Лазерный флуоресцентный анализ органических молекул в твёрдых растворах.
-Фотоионизационная лазерная спектроскопия и масс-спектрометрия молекул. Метод лазерной многоступенчатой фотоионизаци атомов. Техника фотоионизационной аналитической спектроскопии. Лазерная фотоионизационная масс-спектрометрия. Детектирование молекул в буферном газе.
- Оптико-акустическая спектроскопия в хроматографии. Аналитические возможности оптико-акустической (ОА) спектроскопии в исследованиях простейших смесей. Лазерная ОА-спектроскопия в газовой и жидкостной хроматографии.
- Применение лазеров для дистанционного зондирования в аналитических целях. Лазерные системы как дистанционные датчики.Процессы взаимодействия и соответствующие им сечения. Уравнение лидара и рассмотрение отношения сигнал/шум. Применение лидаров для исследования атмосферы и в гидрографии.
- Диагностика газовых сред с помощью когерентной спектроскопии рассеянного света (КАРС). Особенности использования метода КАРС для диагностики газовых сред. Измерение количественного и качественного состава стационарных газовых смесей с применением метода КАРС. Зондирование возбуждённых газовых систем, газовых потоков, аэродинамических струй и плазмы.
|
4,5,6,7,8,9,
13,20,21
|
10
|
Физические принципы технологических применений лазеров.
- Лазерный нагрев неоднородной плазмы. Основные понятия физики управляемого термоядерного синтеза с лазерным нагревом мишени и инерциальным удержанием плазмы.
- Механическое (пондемоторное) действие света. Световое давление и импульс электромагнитного поля. Градиентные силы, действующие на заряд в стоячей электромагнитной волне. Радиационое охлаждение атомных систем в ловушках. Оптическая левитация прозрачных частиц. Светоиндуцированный дрейф частиц в газе.
- Поглощение и отражение лазерного излучения при взаимодействии с конденсированными средами. Оптические характеристики реальных металлов, полупроводников и диэлектриков и их изменение под действием мощного лазерного облучения.
- Резонансное взаимодействие импульсного лазерного излучения с полупроводниками и металлами – объёмные и поверхностные эффекты. Импульсный лазерный отжиг полупроводников. Лазерно-индуцированная аморфизация поверхности. Лазерно-индуцированные неустойчивости поверхности конденсированных сред и образование упорядоченных поверхностных структур.
- Тепловые эффекты при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом. Лазерно-индуцированное плавление и движение фронта расплава. Лазерно-индуцированное испарение и абляция вещества. Вещество в сверхсильных оптических полях.
- Фотохимия. Одно- и многофотонное возбуждение атомов и молекул. Возможности селективного разрыва химических связей. Изменение функций распределения реагентов под действием излучения. Уравнение химической кинетики. Инфракрасное лазерное воздействие. Лазерная термохимия. Термохимия на поверхности раздела фаз, окисление и горение металлов в поле лазерного излучения.
|
12,13,14,15,
16,20
|
6
|
Основные направления применения лазеров в науке и технике.
- Технологические процессы. Резка и сварка (пайка) тугоплавких материалов. Лазеры в электровакуумной и полупроводниковой промышленности. Лазерная обработка материалов. Восстановление и упрочнение деталей. Примеры лазерных технологических установок.
- Атомно-молекулярные лазерные технологии. Лазерное разделение изотопов. Мощная лазерная фотохимия. Примеры.
- Лазеры в медицине (хирургия, офтальмология и др.) и биологии. Примеры лазерных установок.
- Лазерные локационные системы. Лазерная дальнометрия. Лазерные системы дистанционного зондирования атмосферы (лидары). Лазеры в геодезии и строительстве. Примеры устройств и установок.
- Лазеры в оптических системах связи и вычислительной технике. Волоконно-оптические линии связи (ВОЛС). Устройства лазерных систем связи. Примеры.
-Лазерные системы на основе оптической голографии. Системы распознавания образов и знаков, обработки изображений и др. Аналитические применения голографии. Примеры.
- Лазерная метрология. Измерения фундаментальных констант. Лазерные стандарты частоты и длины. Прецизионные интерферометрические измерения.
- Другие применения лазеров.
|
Темы практических и лабораторных занятий
(17 час. практических и 17 час. лабораторных занятий)
Ссылки на цели курса
|
Часы
|
Темы
|
Решая задачи студент:
|
6,7,8,9,13,20
|
6
|
Измерения характеристик излучения оптических квантовых генераторов.
|
- Знакомится с методами и аппаратурой для измерения временных, энергетических, спектральных и поляризационных характеристик излучения лазеров. Знакомится с основными типами аналитических и технологических лазеров и их характеристиками.
- Получает начальный опыт эксплуатации лазерных установок и измерительной аппаратуры. Проводит измерения характеристик лазерного излучения.
- Оформляет результаты измерений в виде отчёта.
|
2,3,4,10,17,18
|
6
|
Атомно-абсорбционная и атомно-флуоресцентная спектроскопии с лазерными источниками.
|
- Знакомится с методами и аппаратурой для проведения количественных и качественных атомно-абсорбционных и атомно-флуоресцентных исследований. Знакомится с методами устранения допплеровского уширения спектральной линии в газе методами атомного пучка, насыщенного поглощения и двухфотонного поглощения в поле стоячей волны.
- Получает практические навыки записи спектров поглощения и флуоресценции с использованием перестраиваемых лазеров разной интенсивности. Проводит записи спектров.
- Проводит анализ полученных результатов. Определяет качественный и количественный состав исследуемой газовой системы. Оформляет результаты в виде отчёта.
|
2,3,4,10,17,22
|
6
|
Спектроскопии спонтанного комбинационного рассеяния и когерентного антистоксова рассеяния света (КАРС).
|
- Знакомится с методами комбинационного рассеяния и КАРС и аппаратурой и оптическими схемами для количественного и качественного анализа молекулярных соединений.
- Получает практические навыки работы с рамановским спектрометром и лазерными схемами КАРС. Проводит записи спектров комбинационного рассеяния и КАРС.
- Получает практические навыки количественного и качественного анализа молекулярной смеси.
- Определяет количественный и качественный состав газовой и конденсированной сред. Оформляет результаты в виде отчёта.
|
7,8,9,12,13,20,21
|
6
|
Тепловые и нелинейные эффекты при взаимодействии мощного лазерного излучения с веществом..
|
- Знакомится с тепловыми и нелинейными эффектами, возникающими при взаимодействии непрерывного и импульсного мощного лазерного излучения с прозрачными и поглощающими средами.
- Получает практические навыки по лазерной резке металлов и других веществ, лазерно-индуцированном испарении и абляции вещества. Проводит испытания по проверке радиационной стойкости про-зрачных сред и наблюдению оптического пробоя в газе.
- Оформляет результаты работы в виде отчёта.
|
8,9,10,11,18,
19,20,21,22
|
4
|
Оптические системы лазерных технологических установок.
|
- Знакомится с принципами транспортировки, модуляции и пространственного управления лучом интенсивного лазерного излучения.
- Получает практический навык работы с модуляторами, дефлекторами и оптическими системами и приспособлениями для лазерных технологических установок
|
1,2,3,4,5,6,20
|
6
|
Лазерная ионизация, диссоциация и фотохимия.
|
- Знакомится с принципами одно- и многофотонного возбуждения атомов и молекул. Получает знания по селективному разрыву химических связей в молекулах и селективной фотоионизации. Знакомится с характерными фотохимическими реакциями.
-Получает практические навыки по селективному лазерному многоступенчатому возбуждению атомов вещества с природным содержанием изотопов.
- Оформляет результаты работы в виде отчёта.
|
Ниже в таблице приведена рейтинговая система оценки работы студента по отдельным видам деятельности.
Вид деятельности
|
Максимальный рейтинг
|
Достаточный рейтинг для зачета
|
Промежуточный тест
|
25
|
16
|
Реферат
|
10
|
5
|
Итоговый тест
|
25
|
18
|
Итого:
|
60
|
39
|
Для получения зачета необходимо набрать не менее 52 баллов.
6 Список литературы
6.1. Учебная литература
1. Н.И.Коротеев, И.Л.Шумай. “Физика мощного лазерного излучения”
М., Наука, 1991.
2. В.М.Акулин, Н.В.Карлов. “Интенсивные резонансные взаимодействия в квантовой электронике”, М., Наука, 1987.
3 В.А.Зубов. “Методы измерения характеристик лазерного излучения”,
М., Наука, 1973.
4. “Аналитическая лазерная спектроскопия”, под ред. Н.Оменетто, М.,
Мир, 1982.
5. В.С.Антонов, Г.И.Беков, М.А.Большов и др. “Лазерная аналитическая
спектроскопия”, М., Наука, 1986.
6. В.В.Протопопов, Н.Д.Устинов. “Инфракрасные лазерные локационные системы”, М., Воениздат, 1987.
Примерные темы проектов
1. Аналитические применения атомно-абсорбционной спектроскопии с лазер- ными источниками низкой и высокой интенсивности.
2. Аналитические применения атомно-флуоресцентной спектроскопии с лазер- ным возбуждением.
3. Фотоионизационная лазерная спектроскопия и масс-спектрометрия моле-кул.
4. Оптико-акустическая спектроскопия в хроматографии.
5. Применение лазеров для дистанционного зондирования в аналитических целях.
6. Диагностика газовых сред с помощью когерентной спектроскопии рассеян-ного света (КАРС).
Управляемый термоядерный синтез с лазерным нагревом мишени и инер-циальным удержанием плазмы.
Лазерно-индуцированное плавление и движение фронта расплава.
Лазеры в электровакуумной и полупроводниковой промышленности.
Лазерное разделение изотопов.
Лазеры в медицине (хирургия, офтальмология и др.) и биологии.
Лазеры в оптических системах связи и вычислительной технике.
Измерения фундаментальных констант. Лазерные стандарты частоты и длины.
Лазеры в шоу-бизнесе.
Итоговые вопросы по курсу «Лазерные системы и технологии»
1. Оцените предельную чувствительность атомно-абсорбционного метода реги-страции частиц. Насколько может быть более эффективным метод внутри-резонаторного поглощения?
2. Оцените предельную чувствительность флуоресцентного метода регистрации поглощения. Возможна ли регистрация одиночного атома?
3. Проанализируйте и сравните селективность возбуждения атомов и молекул для случаев одно- и многоступенчатого возбуждения и ионизации. Возможна ли регистрация атомов или молекул при перекрытии их линий поглощения с линиями других атомов?
4. Проанализируйте процессы стационарного и импульсного резонансного воз-действий лазерного излучения на вещество.
5. Проанализируйте стационарный и импульсный режимы генерации лазера. Какой режим генерации Вы примените при резке листа металла и при сверлении отверстия малого диаметра? Объясните.
6. Объясните режим генерации сверхкоротких импульсов. Приведите несколько примеров использования режима СКИ в аналитической практике и техноло-гиях.
7. Сравните световое давление солнечного света и излучения лазера на малую частицу и атом. Оцените силу светового давления и сообщаемое светом ускорение.
8. Оцените параметры лазерного пучка, при которых в центре пучка может быть достигнута температура плавления материала. Теплофизические параметры вещества известны..
9. Сравните мощности спонтанного и когерентного комбинационного рассе-яния. В чём достоинства когерентного антистоксова рассеяния света в ана-литических применениях?
10. Объясните методику расчёта фокусировки луча лазера в заданный диаметр пятна при начальном радиусе и расходимости луча.
11. Рассчитайте характеристики интерферометра Фабри-Перо с плоскими зер-калами и требования на качество изготовления зеркал для разрешения спе-ктральных линий с известной разницей длин волн. Как измерить разность длин волн двух лазеров, если разрешение интерферометра недостаточно?
12. Рассчитайте длину самофокусировки излучения с дифракционной расхо-димостью для вещества с известными параметрами.
13. Сравните сечения рассеяния для одно-, двух- и трёхфотонных процессов поглощения для трёхуровневой системы.
14. Проанализируйте брэгговский дефлектор лазерного пучка для материала с известными оптическими характеристиками.
|
