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
|
Утверждаю
|
Руководитель направления 150100, декан МФ проф.
______________Е.И. Пряхин
«___» ___________ 2012 г.
|
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
-
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.
-
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.
-
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 приборов (в соответствии с целями ООП магистратуры) и формулированию новых исследовательских задач на основе возникающих проблем (ОК-7);
-
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:
- 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.
-
Объём дисциплины и виды учебной работы
Общая трудоемкость учебной дисциплины составляет 4 зачетные единицы.
Вид учебной работы
|
Всего
часов
|
Семестр
|
3
|
Аудиторные занятия (всего), сего
|
14
|
14
|
в том числе:
|
|
|
Лекции
|
4
|
33
|
Практические занятия (ПЗ)
|
4
|
11
|
Лабораторные работы (ЛР)
|
6
|
11
|
Самостоятельная работа, (всего)
|
90
|
90
|
Виды самостоятельной работы
|
|
|
Изучение литературы, подготовка к лекциям и практическим занятиям.
|
35
|
35
|
Подготовка отчетов по практическим занятиям
|
28
|
28
|
Подготовка отчетов по лабораторному практикуму
|
|
|
Подготовка к промежуточной аттестации, к зачету
|
27
|
27
|
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен)
|
4
|
зачет
|
Общая трудоемкость час
|
108
|
108
|
зач. ед.
|
3
|
3
|
5. Содержание дисциплины
№ п/п
|
Наименование раздела дисциплины
|
Содержание раздела
|
1. |
Лазерный нагрев материалов
|
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.
|
2. |
Лазерное разрушение поглощающих материалов
|
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.
|
3. |
Современные представления об оптическом пробое прозрачных сред
|
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 концепция оптического пробоя. Размерная зависимость порога пробоя.
|
4. |
Воздействие сверхкоротких лазерных импульсов на материалы
|
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
|
№ № разделов данной дисциплины, необходимых для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин
|
1
|
2
|
3
|
4
|
1
|
Подготовка выпускной квалификационной работы
|
+
|
+
|
+
|
+
|
5.3. Разделы дисциплины и виды занятий
№
п/п
|
Наименование раздела дисциплины
|
Лекции
|
Практ.
занятия
|
Лабор. практ.
|
СРС
|
Всего
час
|
1.
|
Лазерный нагрев материалов
|
1
|
3
|
|
20
|
24
|
2.
|
Лазерное разрушение поглощающих материалов
|
1
|
3
|
|
20
|
24
|
3.
|
Современные представления об оптическом пробое прозрачных сред
|
1
|
|
|
20
|
21
|
4.
|
Воздействие сверхкоротких лазерных импульсов на материалы
|
1
|
4
|
|
20
|
25
|
6. Лабораторный практикум: программой не предусмотрено.
7. Практические занятия.
№
п/п
|
№ раздела дисциплины
|
Тематика практических занятий
|
Трудо-
емкость, час
|
1
|
1.
|
Принцип действия твердотельного технологического лазера. Лазерная маркировка металлических материалов.
|
3
|
2
|
2.
|
Лазерная маркировка, лазерная резка полимерного материала
|
3
|
3.
|
4.
|
Определение скорости сканирования лазерного луча при обработке металлической пленки из заданного материала
|
4
|
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
ЛИТЕРАТУРА
Основная:
-
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
-
Анисимов С. И., Имас Я. А., Романов Г. С., Ходы Ю. В. Действие излучения большой мощности на металлы, «Наука», 1970, 272 с.
-
Либенсон М.Н. Лазерно-индуцированные оптические и термические процессы в конденсированных средах и их взаимное влияние.СПб.: Наука, 2007. 423 с.
-
Делоне Н.Б. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. М.: Наука, 1989.
-
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.
-
Алешин И.В., Имас Я.А., Комолов В.Л. Оптическая прочность слабопоглощающих материалов. Л.: изд. ЛДНТП, 1974, 34 с.
-
Лыков А.В. Теория теплопроводности. М. Высшая школа. 1967
-
Карслоу Г., Егер Д. Теплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964, 487 с.
-
Яковлев Е.Б. Особенности поведения стекол и стеклообразных материалов при быстром нагревании. С.–Петербург: СПбГУ ИТМО, 2004, 83 с.
-
Рыкалин Н.Н., Углов А.А., Зуев И.В., Кокора А.Н. Лазерная и электронно-лучевая обработка металлов. М., Машиностроение. 1985.
Дополнительная:
-
Вейко, В.П. Лазерная обработка / В.П. Вейко, М.Н. Либенсон - Л.: Лениздат, 1973.
-
Лазеры в технологии / Под ред. М.Ф.Стельмаха. - М.: Энергия, 1975.
-
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.
-
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.