Ефекти на лазерното лъчение върху материали. Взаимодействие на лазерното лъчение с материя Приближения на термичния модел на лазерното излъчване

Лазер (от английски „усилване на светлината чрез стимулирано излъчване на радиация "-" усилване на светлината чрез стимулиращо излъчване ") или оптичен квантов генератор е специален вид източник на излъчване с обратна връзка, излъчващо тялов която е обратно населената среда. Принципите на работа на лазера се основават на свойстваталазерно излъчване: монохроматичен и силно кохерентен (пространствен и времеви). TСъщо така сред характеристиките на радиацията често се споменава малка ъглова дивергенция (понякога може да се намери терминът "висока насоченост на радиацията"), което от своя страна ни позволява да говорим за висока интензивност на лазерното излъчване. По този начин, за да се разбере как работи лазерът, е необходимо да се говори за характерните свойства на лазерното излъчване и обратно заселена среда, един от трите основни компонента на лазера.

Спектърът на лазерното лъчение. Едноцветност.

Една от характеристиките на излъчването на всеки източник е неговият спектър. Слънцето, домакинските осветителни устройства имат широк спектър на излъчване, в който присъстват компоненти с различни дължини на вълните. Нашето око възприема такова излъчване като бяла светлина, ако интензитетът на различните компоненти в него е приблизително еднакъв или като светлина с някакъв оттенък (например зелените и жълтите компоненти доминират в светлината на нашето Слънце).

Обратно, източниците на лазерно излъчване имат много тесен спектър. В някакво приближение можем да кажем, че всички фотони на лазерното излъчване имат еднакви (или близки) дължини на вълните. Така че излъчването на рубинен лазер например има дължина на вълната 694,3 nm, което съответства на светлина с червен оттенък. Първият газов лазер, хелий-неонов лазер, също има относително близка дължина на вълната (632,8 nm). Аргон-йонният газов лазер, напротив, има дължина на вълната 488,0 nm, която се възприема от очите ни като тюркоазен цвят (междинен между зелено и синьо). Допираните с титан сапфирени лазери имат дължина на вълната, лежаща в инфрачервената област (обикновено близо 800 nm), така че излъчването му е невидимо за хората. Някои лазери (например полупроводникови лазери с въртяща се дифракционна решетка като изходно огледало) могат да настроят дължината на вълната на тяхното излъчване. Общото между всички лазери обаче е, че по -голямата част от тяхната радиационна енергия е концентрирана в тясна спектрална област. Това свойство на лазерното лъчение се нарича монохроматичност (от гръцки „един цвят“). На фиг. 1, за да илюстрира това свойство, са показани спектрите на излъчване от Слънцето (на нивото на външните слоеве на атмосферата и на морското равнище) и полупроводников лазер, произведен от компанията Thorlabs.

Ориз. 1. Спектри на слънчева радиация и полупроводников лазер.

Степента на монохроматичност на лазерното лъчение може да се характеризира със спектралната ширина на лазерната линия (ширината може да бъде определена като дължина на вълната или честота, детуниране от максималния интензитет). Обикновено спектралната ширина е зададена на 1/2 ( FWHM), 1 / д или 1/10 от максималния интензитет. В някои съвременни лазери е постигната пикова ширина от няколко kHz, което съответства на ширина на лазерната линия по -малка от една милиардна част от нанометър. За специалистите отбелязваме, че ширината на лазерната линия може да бъде с порядъци по -тясна от ширината на спонтанната емисионна линия, което също е една от отличителните характеристики на лазера (в сравнение например с луминесцентни и свръхлуминесцентни източници).

Лазерна кохерентност

Монохроматичността е важно, но не и единственото свойство на лазерното лъчение. Друго определящо свойство на лазерното лъчение е неговата кохерентност. Обикновено те говорят за пространствена и времева съгласуваност.

Нека си представим, че лазерният лъч се разделя наполовина от полупрозрачно огледало: половината от енергията на лъча премина през огледалото, другата половина се отразява и отива в системата от водещи огледала (фиг. 2). След това вторият лъч отново се сближава с първия, но с известно време закъснение. Максималното време на забавяне, при което лъчите могат да се намесват (т.е. взаимодействат, като се вземе предвид фазата на излъчването, а не само интензитетът му), се нарича времето на кохерентност на лазерното излъчване и дължината на допълнителния път, който измина вторият лъч поради своето отклонение се нарича надлъжна кохерентност. Дължината на надлъжната кохерентност на съвременните лазери може да надвишава километър, въпреки че за повечето приложения (например за лазери за промишлена обработка) не се изисква такава висока пространствена кохерентност на лазерния лъч.

Можете да отделите лазерния лъч по друг начин: вместо полупрозрачно огледало, поставете напълно отразяваща повърхност, но тя не покрива целия лъч, а само част от него (фиг. 2). Тогава ще се наблюдава взаимодействието на радиацията, която се разпространява в различни частилъч. Максималното разстояние между точките на лъча, чието излъчване ще се намесва, се нарича дължината на напречната кохерентност на лазерния лъч. Разбира се, за много лазери дължината на напречната кохерентност е просто равна на диаметъра на лазерния лъч.

Ориз. 2. Към обяснение на понятията за времева и пространствена съгласуваност

Ъглова дивергенция на лазерното лъчение. Параметър М 2 .

Без значение как се стремим да направим лазерния лъч успореден, той винаги ще има ненулева ъглова дивергенция. Най -малкият възможен ъгъл на разминаване на лазерното лъчениеα д ("Граница на дифракция") по ред на величината се определя от израза:

α d ~ λ / D, (1)

където λ е дължината на вълната на лазерното лъчение ид Ширината на лъча, излизащ от лазера. Лесно е да се изчисли, че при дължина на вълната от 0,5 µm (зелено излъчване) и ширина на лазерен лъч от 5 mm, ъгълът на разминаване ще бъде ~ 10 -4 rad, или 1/200 градуса. Въпреки толкова малка стойност, ъгловата дивергенция може да се окаже критична за някои приложения (например за използването на лазери в битка) сателитни системи), тъй като задава горната граница на постижимата плътност на мощността на лазерното излъчване.

Като цяло качеството на лазерния лъч може да бъде зададено от параметъраМ 2 ... Нека минималната постижима площ на точката, създадена от идеален обектив при фокусиране на гаусов лъч, да бъдеС ... След това, ако същата леща фокусира лъча от даден лазер в точка с площ S 1> S, параметър M 2 лазерното излъчване е равно на:

M 2 = S 1 / S (2)

За най -качествените лазерни системи параметърътМ 2 е близо до единица (по -специално лазери с параметърМ 2 равно на 1,05). Трябва обаче да се има предвид, че далеч не всички класове лазери в момента могат да постигнат ниска стойност на този параметър, което трябва да се вземе предвид при избора на клас лазер за конкретна задача.

Накратко обобщихме основните свойства на лазерното лъчение. Нека сега опишем основните компоненти на лазера: среда с обърната популация, лазерна кухина, лазерна помпа и схема на лазерно ниво.

Обратно населена среда. Диаграма на лазерните нива. Квантов изход.

Основният елемент, който преобразува енергията на външен източник (електрически, енергия на нелазерно излъчване, енергия на допълнителен помпа лазер) в светлина е среда, в която се създава обърната популация от двойка нива. Терминът "обратна популация" означава, че определена част от структурните частици на средата (молекули, атоми или йони) се прехвърля в възбудено състояние и за определена двойка енергийни нива на тези частици (горни и долни лазерни нива) , на горното енергийно ниво има повече частици, отколкото на дъното.

При преминаване през среда с обърната популация радиацията, чиито квантове имат енергия, равна на енергийната разлика между двете лазерни нива, може да се усили, като същевременно се премахне възбуждането на някои от активните центрове (атоми / молекули / йони) ). Усилването възниква поради образуването на нови кванти на електромагнитно излъчване със същата дължина на вълната, посока на разпространение, фаза и състояние на поляризация като оригиналния квант. По този начин лазерът генерира пакети от еднакви (равни по енергия, кохерентни и движещи се в една и съща посока) фотони (фиг. 3), което определя основните свойства на лазерното излъчване.

Ориз. 3. Генериране на кохерентни фотони при стимулирана емисия.

Въпреки това, в класическото приближение е невъзможно да се създаде обратно населена среда в система, състояща се само от две нива. Съвременните лазери обикновено имат тристепенна или четиристепенна система от нива, участващи в генерацията. В този случай възбуждането пренася структурната единица на средата на най -горното ниво, от което частиците се отпускат за кратко време до по -ниска енергийна стойност - горното лазерно ниво. Едно от по-ниските нива също участва в генерацията-основното състояние на атом в тристепенна схема или междинно състояние в четиристепенна (фиг. 4). Четиристепенната схема се оказва по-предпочитана поради факта, че междинното ниво обикновено е населено с много по-малък брой частици от основното състояние; съответно е много по-лесно да се създаде обърната популация (излишъкът от брой възбудени частици над броя на атомите на по -ниското ниво на лазера) (за да започне лазер, трябва да се информира по -малко енергия).

Ориз. 4. Тристепенни и четиристепенни системи от нива.

По този начин, по време на генериране на лазер, минималната стойност на енергията, предадена на работната среда, е равна на енергията на възбуждане на най -горното ниво на системата и генерирането се осъществява между двете долни нива. Това обяснява факта, че ефективността на лазера първоначално е ограничена от съотношението на енергията на възбуждане към енергията на лазерния преход. Това съотношение се нарича квантов добив на лазера. Трябва да се отбележи, че обикновено ефективността на лазер от мрежата е няколко пъти (а в някои случаи дори няколко десетки пъти) по -ниска от неговата квантова ефективност.

Полупроводниковите лазери имат специална структура от енергийни нива. В процеса на генериране на радиация в полупроводникови лазери обаче участват електрони от две полупроводникови ленти поради примеси, които образуват излъчващата светлина p - n преход, границите на тези зони в различни части на диода се изместват един спрямо друг. Обратно население в района p - n преходът в такива лазери се създава поради потока на електрони в преходната област от зоната на проводимостн -Част и дупки от валентната лентастр -Парцел. Можете да прочетете повече за полупроводниковите лазери в специализираната литература.

В съвременните лазери се използват различни методи за създаване на инверсия на населението или за изпомпване на лазер.

Лазерно изпомпване. Методи на изпомпване.

За да започне лазерът да генерира радиация, е необходимо да се подава енергия към активната му среда, за да се създаде обърната популация в нея. Този процес се нарича лазерно изпомпване. Има няколко основни метода на изпомпване, чиято приложимост в конкретен лазер зависи от вида на активната среда. Така че, за ексимерни и някои газови лазери, работещи в импулсен режим (например, CO 2 - лазер), възможно е да се възбудят молекулите на лазерната среда чрез електрически разряд. В непрекъснатите газови лазери за изпомпване може да се използва светещ разряд. Полупроводниковите лазери се изпомпват чрез прилагане на напрежение p - n преход на лазера. За твърдотелни лазери можете да използвате източник на некохерентна радиация (светкавична лампа, линийка или набор от светодиоди) или друг лазер, чиято дължина на вълната съответства на енергийната разлика между основното и възбуденото състояние на примесния атом (в твърдо държавните лазери, като правило, лазерно протичане върху атоми или йонни примеси, разтворени в матричната решетка - например за рубинен лазер, хромовите йони са активен примес).

Обобщавайки, можем да кажем, че методът на изпомпване на лазер се определя от неговия тип и характеристиките на активния център на генериращата среда. Като правило за всеки конкретен тип лазери има най -много ефективен методизпомпване, което определя вида и дизайна на системата за подаване на енергия към активната среда.

Лазерен резонатор. Състояние на лизинг. Стабилни и нестабилни резонатори.

Активната среда и системата за подаване на енергия към нея все още са недостатъчни за появата на лазер, въпреки че вече е възможно да се изграждат някои устройства на тяхна основа (например усилвател или свръхлуминесцентен източник на излъчване). Лазерно поколение, т.е. излъчването на монохроматична кохерентна светлина се случва само в присъствието на обратна връзка или лазерен резонатор.

В най -простия случай кухината е двойка огледала, едното от които (изходното огледало на лазера) е полупрозрачно. Като друго огледало, като правило, се използва рефлектор с коефициент на отражение при дължината на вълната на генерацията близо до 100% („тъпо огледало“), за да се избегне генерирането на лазер „в две посоки“ и ненужни загуби на енергия.

Лазерният резонатор осигурява връщане на част от радиацията обратно в активната среда. Това условие е важно за появата на кохерентно и монохроматично излъчване, тъй като фотоните, върнати в средата, ще излъчват същите фотони по честота и фаза. Съответно квантите на радиация, които възникват отново в активната среда, ще бъдат кохерентни с тези, които вече са напуснали кухината. По този начин характерните свойства на лазерното лъчение до голяма степен се дължат на дизайна и качеството на лазерния резонатор.

Отражението на изходното полупрозрачно огледало на лазерния резонатор е избрано по такъв начин, че да гарантира максималната изходна мощност на лазера, или въз основа на технологичната простота на производство. Например, в някои оптични лазери, равномерно разцепената крайна повърхност на влакното може да се използва като изходно огледало.

Очевидно условие за стабилна генерация е условието за равенство на оптичните загуби в лазерната кухина (включително загуби, дължащи се на излъчването на излъчване през огледалата на кухината) и усилването на радиацията в активната среда:

опит ( а× 2L) = R1 × R 2 × опит ( g× 2L) × X, (3)

където L = активна средна дължина,ае печалбата в активната среда, R1 и R2 са коефициентите на отражение на резонаторните огледала иg- „сиви“ загуби в активната среда (т.е. загуби на радиация, свързани с флуктуации на плътността, дефекти в лазерната среда, разсейване на радиация и други видове оптични загуби, които причиняват затихване на радиацията при преминаване през средата, с изключение на директните поглъщане на квантите на радиация от атомите на средата). Последният фактор "х »Обозначава всички останали загуби, присъстващи в лазера (например в лазера може да бъде въведен специален абсорбиращ елемент, така че лазерът да генерира краткотрайни импулси), при тяхно отсъствие е равно на 1. За да се получи условието за развитие на излъчването от спонтанно излъчени фотони, очевидно равенството трябва да бъде заменено с ">".

Равенство (3) предполага следното правило за избор на изходно лазерно огледало: ако усилването на радиацията от активната среда, като се вземат предвид сивите загуби (а- g) × L малък, отражението на изходното огледало R 1 трябва да бъдат избрани големи, така че лазерът да не се влага поради излъчването на радиация от кухината. Ако печалбата е достатъчно голяма, обикновено има смисъл да изберете по -ниска стойност. R 1 , тъй като високият коефициент на отражение ще доведе до увеличаване на интензивността на излъчване вътре в кухината, което може да повлияе на живота на лазера.

Лазерната кухина обаче се нуждае от подравняване. Да приемем, че кухината се състои от две успоредни, но не подравнени огледала (например, разположени под ъгъл едно към друго). В такава кухина радиацията, преминавайки през активната среда няколко пъти, напуска лазера (фиг. 5). Резонаторите, при които радиацията напуска границите си за определено време, се наричат ​​нестабилни. Такива резонатори се използват в някои системи (например в импулсни лазери с висока мощност със специална конструкция); като правило обаче те се опитват да избегнат нестабилността на резонатора в практическите приложения.

Ориз. 5. Нестабилен резонатор с неправилно разположени огледала; стабилен резонатор и

стационарен лъч радиация в него.

За да се увеличи стабилността на резонатора, извитите отразяващи повърхности се използват като огледала. При определени стойности на радиусите на отразяващите повърхности този резонатор се оказва нечувствителен към малки разминавания, което прави възможно значително опростяване на работата с лазера.

Накратко описахме минимално необходимия набор от елементи за създаване на лазер и основните характеристики на лазерното излъчване.

Препис

1 Министерство на образованието и науката Руска федерацияМосковски държавен университет по геодезия и картография ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НА ЛАЗЕРНОТО ИЗЛЪЧЕНИЕ С ВЕЩЕСТВО Москва 2014

2 Министерство на образованието и науката на Руската федерация Московски държавен университет по геодезия и картография Ю.М. Климков, В.С. Майоров, М.В. Хорошев Взаимодействие на лазерното лъчение с материя Москва 2014

3 рецензенти на УДК: доктор по физико-математически науки. Наук, професор по ИПЛИТ РАН Ф.В. Лебедев; Професор от катедрата по физика, MPEI E.F. Ищенко Съставител: Ю.М. Климков, В.С. Майоров, М.В. Хорошев Взаимодействие на лазерното лъчение с материя: урок. М.: MIIGAiK, стр. Този курс е подготвен в съответствие с примерната програма за дисциплина, одобрена от Министерството на образованието и науката на Руската федерация за направление „Лазерно инженерство и лазерни технологии“. Препоръчан от катедрата по проектиране и технологии на оптичните прибори и одобрен за публикуване от Редакционно -издателската комисия на Факултета по оптични информационни системи и технологии. Наръчникът има за цел да помогне на студентите от 5 -та година на FOIST при усвояването на теоретичен материал по дисциплината „Взаимодействие на лазерното лъчение с материя“, както и при изпълнението на практическа и лабораторна работа по този курс. Електронна версия учебно ръководствопубликувани на уебсайта на библиотеката на MIIGAiK

4 Въведение Взаимодействието на лазерното лъчение с материята е едно от най -важните научни направления на съвременната оптика и лазерната физика. Тази посока направи възможно необходимото и съществено допълване на концепцията за фундаментални фотофизични процеси, протичащи в материята (предимно в кондензирани среди), когато са изложени на интензивни светлинни потоци с различна продължителност и дължина на вълната. Той също така позволи развитието на физическите основи на множество приложения, свързани с лазерите и техните приложения в технологиите. Следователно познаването на основните механизми и закони на лазерното действие върху материята е необходимо за пълноправен университет и инженерно образованиеза лазерни технологии и технологии. Целта на дисциплината е да формира представите на студентите за взаимодействието на интензивното излъчване с материята в най -важния научен раздел на оптичната физика. Задачата на дисциплината е да даде на студентите съвременни специални знания, като се вземат предвид най -новите научни постижения в областта на лазерните ефекти върху материята и да се свържат тези знания с други дисциплини от специалността и общофизичните дисциплини. Курсът се основава на познаване на основните положения и терминология на курсовете „Физика“, „Основи на оптиката“, „Химия“, „Металургия и технология на конструкционните материали“, „Лазерни технологии“, „ Физически основиквантова електроника “,„ Оптоелектронни устройства и системи “и е база за изучаване на курса„ Лазерни технологии “. Списък на приетите наименования A абсорбиращ капацитет на средата B магнитна индукция C специфична топлина D електрическа индукция E сила на електрическото поле H сила на магнитното поле I интензивност на падащото излъчване M маса на веществото N брой фотони, възбудени частици, ниво на населението Q мощност на източника на топлина R коефициент на отражение 3

5 S зона на взаимодействие T температура a термична дифузия b амплитуда на релефния релеф c скорост на светлината или специфична топлина d решетъчен вълнов вектор e излъчвателна способност h дълбочина на проникване j плътност на тока k вълнен номер m въображаема част от индекса на пречупване n коефициент на пречупване q плътност на повърхностната мощност на източник на топлина r радиус вектор на пространствени координати r, d размеринапречни сечения на лазерния лъч t време v скорост на движение x, y, z пространствени координати α коефициент на поглъщане в средата β коефициент на разсейване γ честота на сблъсък на свободни електрони δ повърхностна плътност на заряда ε диелектрична константа thickness дебелина на кожния слой η кинематичен вискозитет θ ъглов стойност λ дължина на вълната на излъчване или топлопроводимост μ магнитна пропускливост ρ плътност на веществото σ проводимост или коефициент повърхностно напрежениеτ време на експозиция или продължителност на процеса χ коефициент на екстинкция ψ фаза на електромагнитни трептения ω честота на електромагнитни трептения ħ константа на Планк 4

6 1. МЕХАНИЗМИ НА ПОГЛЪЩАНЕ НА ЕНЕРГИЯ И ДИСИПАЦИЯ В ОКОЛНАТА СРЕДА 1.1. Абсорбция електромагнитни вълнив среда Лазерното излъчване е един от видовете електромагнитна енергия и следователно взаимодействието на лазерното лъчение с материята е взаимодействието с материята на електромагнитна вълна с нейните специфични свойства и характеристики (като кохерентност, монохроматичност и др.). Лазерните технологични процеси за обработка на материали са свързани преди всичко с локално отопление, т.е. с пренос на енергия от електромагнитна вълна към материя. Всички физически модели на лазерната технология включват израз на закона за запазване на енергията. Най -често това е уравнението на топлопроводимостта в различна формулировка, което за изотропни среди се записва в общ вид: T ρ c + v grad () T div λ grad () () T = qr, t, t (1.1. 1) където ρ е плътността; c специфичен топлинен капацитет; λ топлопроводимост; v () rt, вектор на полето на скоростта; qrt (), обемна плътност на мощността на източниците на топлина. Началните и граничните условия за конкретен топлинен проблем се определят въз основа на спецификата на разглеждания процес. Лазерен обемен източник на топлина qrt (), възникващ в кондензирана среда, в много случаи може да се счита за повърхност. Термофизичните коефициенти, които са функции на температурата, обикновено се считат за постоянни в инженерните изчисления и се използват техните усреднени стойности. За да се оценят стойностите на параметрите на много термични проблеми, често се използва решението на едномерното линейно уравнение на топлината, описващо нагряването на полубесконечна среда (z> 0) от неограничен хомогенен повърхностен източник: AI z T () z, t = 0 4 при ierf, (1.1.2) λ 4at, където A е абсорбционната способност на средата; I 0 интензитета на падащото излъчване; a = λ / ρc термична дифузия. пет

7 Вероятностната интегрална функция ierf (x) erf (y) dy е таблична y x 2 2 t. Функцията за грешка erf (y) e dt π също е таблична функция (или изчислена чрез числени методи). Тъй като ierf () 0 = 1 / π, тогава съгласно формула (1.1.2) температурата на повърхността често се изчислява и като цяло стойността на едно от величините T, I 0, t се намира от други две. Например, използвайки формулата pl πλtпл I = (1.1.3) 4at, се прави оценка на критичната плътност на мощността, погълната на повърхността и необходима, за да започне материалът да се топи във времето t. Или например дълбочината h, до която топлината прониква през времето τ, се оценява чрез израза h 2 aτ (1.1.4) Едномерното приближение е валидно, ако размерът на лазерния лъч върху повърхността на материала значително надвишава дълбочината на проникване на топлина в материала. Във всеки случай лазерният термичен ефект върху материалите е важен не само силата на лазерното излъчване, но и мощността, погълната от материала и използвана за получаване на полезен резултат. Абсорбционният капацитет A, който е коефициентът при I 0 в израз (1.1.2), се появява под една или друга форма във всички лазерни технологични процеси. Има много различни физични и физико -химични процеси, които влияят върху абсорбционната способност. Интензитетът на електромагнитна вълна, разпространяваща се в материала, обработен по посока на оста z, се променя съгласно закона на Бугер Ламбер 6 0 () () I z = AI0 exp α z, (1.1.5) където I 0 е интензитет на вълната, падаща върху интерфейса между средата; А капацитетът на поглъщане, за който A = e = 1 R (e излъчвателна способност, R коефициент на отражение); α е коефициентът на поглъщане на електромагнитна енергия в средата. Интензитетът на електромагнитната вълна пада 2,73 пъти на разстояние δ = 1 / α.

8 Абсорбцията А показва частта от абсорбирания поток (енергия) и коефициента на поглъщане на светлината в средата α, колко бързо се поглъща радиацията по време на разпространението. Източникът на топлина q, който се появява в материала под действието на лазерно лъчение, се характеризира както с общата мощност, пропорционална на А, така и с локализацията в обема, в зависимост от α. Поглъщане на светлина от проводници (метали) В металите (проводниците) електромагнитната вълна се разпада експоненциално в много тънък повърхностен слой на т.нар. "Кожен слой" (δ ~ cm, т.е. α ~ cm -1) и абсорбцията се осъществява върху електроните на проводимост. При лазерната обработка на материали дълбочината на проникване на топлина в дълбочината на метала, въпреки че с няколко порядъка надвишава дебелината на слоя кожа, практически се прилепва към повърхността на материала и следователно при всички изчисления топлината източник може да се счита за повърхност. Взаимодействието на светлината с метали (проводници) се определя от наличието в тях на голям брой електрони, толкова слабо свързани с кристалната решетка, че тези електрони могат да се считат за практически свободни. Електростатичният положителен заряд на йони в металната решетка компенсира отрицателния заряд на тези електрони. Много свободни електрони (електрони на проводимост) се наричат ​​електронен газ. Концентрацията на свободни електрони в металите е много значителна (~ cm -3). В полето на падаща електромагнитна вълна свободните електрони се колебаят и излъчват вторични вълни, които, когато се добавят, дават силна отразена вълна. Поглъщането на светлина от електроните на проводимост е възможно само когато те взаимодействат с металната решетка и следователно частично се трансформира в топлина. В идеален проводник, където изобщо няма загуба на топлина от Джоул, абсорбцията е нула, тъй като падащата светлина се отразява напълно. Поглъщането на светлина води до увеличаване на енергията на свободните електрони. Тъй като времето за установяване на равновесие в газ от електрони е много по -кратко от времето за установяване на равновесие между електрони и решетката на атомите, в метала се появяват две термодинамични подсистеми с различни температури, електрон и фонон. Част от абсорбираната енергия се пренася от електроните към решетката, но ефективността на прехвърляне е ниска поради голямата разлика в масите на електроните и йоните. Следователно в първия момент електронният газ се прегрява значително в сравнение с решетката. Повишаването на температурата на електронния газ обаче се случва само докато количеството енергия, прехвърлено към решетката, е равно на количеството 7

9 енергия, получена от електрони от електромагнитна вълна. Предвид факта, че характерното време на обмен на енергия между тези подсистеми е τ ~ s, а времето на излагане на радиация на материя по време на лазерна обработка на материали е почти винаги с няколко порядъка по -дълго, тогава в следващото ще използваме общата температура на метала. За добрите проводници отражението R обикновено е близко до 1 и съответно абсорбцията А е ниска. Ето стойностите на абсорбционната способност на някои метали (чисти; при 20 ° C): Настолни лазери 8 Метални Ar + λ ~ 0.488 μm Ruby λ ~ 0.69 μm Nd YAG λ ~ 1.06 μm СО 2 λ ~ 10.6 μm Al Алуминий 0, 19 0,11 0,08 0,019 W Волфрам 0,55 0,50 0,41 0,026 Fe Желязо 0,68 0,45 0,35 0,076 Cu Мед 0,56 0,17 0,10 0,015 Ni Никел 0,40 0,32 0,26 0,03 Ag Сребро 0,05 0,04 0,04 0,014 Ti Титан 0,48 0,45 0,42 0,08 Тези данни са валидни за металите в вакуум и в повечето практически случаи те престават да отговарят на реалността (например, абсорбционният капацитет се увеличава поради повърхностното окисляване). Поглъщане на светлина от диелектрици Поглъщането на светлина от диелектрици зависи силно от дължината на вълната. В IR областта абсорбцията се определя от вибрационните състояния на кристалната решетка, а в органичните съединения - от молекулярните вибрации. За тази област типичните стойности на коефициента на поглъщане α ~ cm -1. Във видимия участък абсорбцията може да бъде причинена от примеси (например йони на преходни метали, дефекти на кристалната решетка и т.н.) или от „опашката“ на силните UV абсорбционни ленти. То може да бъде причинено и от дискретни електронни преходи в молекулярни кристали (например в много органични съединения). Типични коефициенти в абсорбционната лента ~ cm -1. Коефициентът α може да бъде свързан с пропускателния капацитет на слой с дебелина h чрез съотношението

10 (I / I 0) 100 = Пропускливост (%) = 100 e -αh, или (I / I 0) = e -αh, където I 0 е интензитетът на падащото излъчване; I е интензитетът на предаваната радиация. Полезна мярка за дебелината, при която се наблюдава значително затихване на падащата радиация, е L = 1 / α, където L е дължината на затихване. За силни абсорбатори α = 10 6 cm -1 и L = 10-6 cm, за сравнително слаби α = 10 cm -1 и L = 10-1 см. Връзката между α и коефициента на пречупване е α = 4π m / λ, където m е въображаемата част от комплексния показател на пречупване ñ = n im; λ е дължината на вълната на падащата светлина. Таблица Материал Интервал на дължина на вълната, при който капацитетът на предаване намалява до 10%, μm Al 2 O 3 0,15.6,5 As 2 S 3 0,6 13 BaF 2 0,14 15 CdSe 0,72 24 CdS 0,5 16 CdTe 0,3 30 CaF 2 0,13 12 CsBr 0,2 45 CuCl 0,4 19 Диамант (тип IIa) 0,225 2,5; GaAs 1 15 Ge 1,8 23 InAs 3,8 7 PbS 3 7 MgO 0,25 8,5 Se 1 20 SiO 2, (кондензиран) 0,2 4,5 Si 1,2 15 TiO 2 0,43 6, 2 ZnSe 0,5 22 ZnS 0,

11 Във видимата област за номинално прозрачни материали обикновено k ~ 10-5 или α ~ 10 cm -1. Таблицата показва интервалите на дължините на вълните в IR областта, в която диелектриците и полупроводниците са номинално прозрачни. В обхвата на прозрачност на тези материали, α може да бъде 1 10 cm -1. Повечето материали със SiO връзки са относително прозрачни във видимата област на спектъра, но силно абсорбират в близост до λ = 10 μm. Ето защо, за обработка на кварцови, стъклени и силикатни минерали, най -добре е да се използва CO 2 лазер. Органичните твърди вещества абсорбират силно в IR областта, но могат да бъдат прозрачни при по -къси дължини на вълните (например полиетилен). По този начин CO 2 лазерът е идеален за обработка на тези материали. За разлика от металите, при които абсорбцията на радиация се случва на повърхността в кожния слой, абсорбцията в диелектрици и повечето полупроводници се осъществява в слой, определен от дължината на затихване L, която може значително да надвишава обичайната дебелина на кожния слой. В IR областта L> 10-4 cm и по този начин в много случаи нагряването може да се счита за обемно. По -специално, това се отнася за нагряването на тънки филми, където L може да надвишава дебелината на филма. Въпреки че коефициентите на отражение на поляризираната светлина зависят от ъгъла на падане и посоката на поляризация, както при металите, диелектричната константа ε е почти равна на единица по време на обработката, а явленията, наблюдавани при обработката на метали с помощта на поляризирани лъчи, не се откриват при обработката на диелектрици . Поглъщане на светлина от полупроводници. Електрическите и оптичните свойства на полупроводниците са свързани с факта, че енергийните нива, изпълнени с електрони във валентната зона, са отделени от зоната на проводимост със забранена зона. Съответно, трябва да се използва квантов подход, разглеждащ светлината като поток от фотони с енергия ħω. Полупроводниците имат ниска концентрация на свободни електрони и ако енергията на светлинния квант е по -малка от ширината на лентата (ħω

12 от областта на космическия заряд, което се дължи на съществуването на повърхностни локални центрове. Такива центрове могат да бъдат свързани както директно с прекъсването на периодичността, така и с адсорбираните атоми и молекули. При анализ на топлинния ефект на радиацията върху полупроводниците се разграничават следните механизми на поглъщане на електромагнитно излъчване: 1. Вътрешно (междулентово) поглъщане на светлина. Ако енергията на квант е по -голяма от ширината на лентата (ħω> ezz), тогава поради вътрешния фотоелектричен ефект, електроните от валентната зона преминават в зоната на проводимост. Техният живот до момента на рекомбинация на електронна дупка с отделянето на топлина в решетката е приблизително s. Полупроводникът започва да се доближава до металите и отразяващата му сила се увеличава. В същото време, когато радиацията се абсорбира от свободни носители, т.нар. "Нагряване" (ускорение на движение) на първоначално малък брой електрони в проводимата зона, което води до увеличаване на концентрацията на електрони в резултат на термична йонизация на валентната зона, т.е. може да се осъществи самоускоряващ се процес на нагряване на веществото. Коефициентът на поглъщане α 1 е cm Вътреобластна абсорбция (абсорбция от свободни носители от електрони и дупки). По същество той е подобен на абсорбцията от свободни електрони в металите, но се различава по концентрацията на свободни носители, която е малка в равновесно състояние (cm -3). Коефициентът на тази абсорбция е α 2 ~ cm Абсорбция на примеси. Той включва носители с енергийни състояния в забранената лента (ħω

13 се пренася от електроните на проводимост и те имат значителен принос за общата топлопроводимост. Прехвърлянето на енергия в полупроводниците може да се осъществи и с помощта на рекомбинационна радиация. Въз основа на гореизложеното може да се заключи, че поради естеството на своята податливост към лазерно излъчване, полупроводниците заемат междинно място между металите и прозрачните материали. В резултат на поглъщане на лазерното лъчение от полупроводници се образуват двойки електрон-дупка, които по време на рекомбинация пренасят радиационната енергия към кристалната решетка. Следователно, с увеличаване на мощността на лазерното лъчение, ще настъпи повреда на материала в резултат на нагряване. Този процес на увреждане е типичен за леко легиран силиций. Въпреки това, ако полупроводникът е силно легиран, повредата е подобна на повреда в металите. Качеството на повърхностното покритие на полупроводника също оказва голямо влияние върху прага на повреда в материала. Гравирането увеличава прага за сравнително едро смлени кристали с повече от 3 пъти, а за тези, направени чрез нарязване или химическо смилане с 10-15%. Драскотините имат незначителен ефект, въпреки че увреждането в областта на драскотините е по -забележимо Отражение и поглъщане на радиация от среда с плоска повърхност В раздел 1.1 беше казано, че ефективността на използване на енергия от лазерно излъчване при обработка на материали директно зависи по отношение на техния абсорбционен капацитет A. Ако приемем, че средата поглъща цялата пречупена електромагнитна вълна (т.е., приемайки дебелината на средата >> 1 / α), помислете за абсорбционната способност A (или, което е еквивалентно, коефициента на отражение R = 1 А) от материал с идеално гладка равна повърхност. Ако повърхността е несъвършена, например, се появяват груби, нови и много нетривиални ефекти, някои от които ще бъдат обсъдени по -късно. Нека припомним основните понятия и свойства на електромагнитното поле. Електромагнитното поле е представено от два вектора: E B е силата на електрическото поле; E B магнитна индукция. За да се опише въздействието на полето върху материални обекти е необходимо да се въведе втората група вектори: D Електрическа индукция; D H сила на магнитното поле. Пространствените и времевите производни на тези вектори са свързани чрез уравненията на Максуел: 12

14 B рота + = 0; t D 4π roth = j t c (първата двойка векторни уравнения на Максуел) и divd = ρ; divb = 0 (1.2.1) (1.2.2) (1.2.3) (1.2.4) (втората двойка скаларни уравнения на Максуел). От уравнения (1.2.2) и (1.2.3), (като помним, че div () 0 rot), следва уравнението за непрекъснатост, отразяващо закона за запазване на заряда: ρ + divj = 0, (1.2.5) t, че е, зарядите ρ и токовете j са свързани с това уравнение и те не могат да бъдат зададени произволно, независимо един от друг. За да може уравненията на Максуел да имат уникално решение за векторите на полето за дадено разпределение на заряди и токове, е необходимо да се добавят отношения, описващи поведението на веществата под въздействието на полето. Такива съотношения се наричат ​​материални уравнения. За изотропни вещества материалните уравнения се записват под формата D = εε0 E; (1.2.6) В = µµ 0 Н; (1.2.7) j = σe, (1.2.8) където ε е диелектричната константа; μ магнитна пропускливост; σ специфична проводимост. Уравнението (1.2.8) е диференциалната форма на закона на Ом. За оптиката е характерна ситуация, когато има граници между носителите, върху които физическите свойства рязко се променят. Разгледайте (без извеждане) граничните условия на интерфейса между две среди. Нормалният компонент на вектора на магнитната индукция е непрекъснат на границата: 13

15 14 B n2 Bn 1 = 0. (1.2.9) Нормалната компонента на вектора на електрическата индукция върху повърхност с плътност на повърхностния заряд ρ *изпитва скок, равен на 4πρ *: Dn2 Dn 1 = 4 πρ *. (1.2.10) В присъствието на ток с повърхностна плътност j *, тангенциалната компонента на силата на магнитното поле преживява скок, равен на 4 π j *: c 4π Ht2 Ht1 = j *. (1.2.11) c Тангенциалният компонент на силата на електрическото поле е непрекъснат на границата: E E = (1.2.12) t2 t1 0. Отражение и пречупване на плоска електромагнитна вълна. Нека равнинна линейно поляризирана електромагнитна вълна падне под ъгъл θ 1 върху повърхността на материала (фиг.). Тя се разделя на две вълни: преминаваща във втората среда и отразена. Съществуването на две вълни следва от решението на проблема с дадените гранични условия, тъй като те не могат да бъдат удовлетворени, ако не се постулира наличието както на предавани, така и на отразени вълни. Ъгълът на пречупване се определя от добре познатия израз: sin θ1 sin θ 2 = (1.2.13) n Фиг. Отражение и пречупване на плоска електромагнитна вълна от интерфейса между двете, където n = εµ е показателят на пречупване. От уравненията на Максуел и граничните условия за компонентите на електрическото и магнитното поле се намира решението на вълновото уравнение за отразените и пречупените вълни (формулата на Френел)

16 () r () (i tg θ1 θ2) // = //; (θ 1 + θ2) E E tan E () r () i sin (θ1 θ2) = E; sin (θ + θ) 1 2 (1.2.14) EE () t () i // = E // () t () i = E sin 2 sin θ cosθ 2 1 (θ + θ) (cos θ θ ) sin θ2 cosθ1. sin (θ + θ) 1 2; (1.2.15) В общия случай на поглъщаща среда индексът на пречупване е сложен: () 1, n = n χ i (1.2.16), където χ се нарича коефициент на екстинкция (отслабването на лъча по време на разпространението му в средата. От формулите на Френел изразите за коефициенти на отражение R. За прозрачни среди (χ = 0), ако падащият вълнов вектор лежи в равнината на падане (p поляризация), тогава (θ1 θ2), (θ + θ) 2 tan R // = (1.2.17) 2 tan 1 2 и ако векторът е перпендикулярен на равнината на падане (s поляризация), тогава 2 sin R = (1.2.18) 2 sin 1 2 π При Ъгъл на Брустер θ 2 = θ 1 за p поляризация на компонента 2 () r E на отразената вълна става равна на нула (фиг., А) в ta (θ1 θ2). (Θ + θ) // случаят на a прозрачна среда и има минимална стойност за абсорбираща среда.За абсорбираща среда ъгълът θ 2 в израз (1.2.13) поради сложността на показателя на пречупване също ще бъде сложен и това трябва да се вземе предвид при замяната му във формули (1.2.14), (1.2.15). При нормална честота (θ 1 = 0) коефициентът на отражение е 15

17 a b 16 Фигура Зависимост на коефициента на отражение R от ъгъла на падане θ за E // (p поляризация, криви 1) и E (s поляризация, криви 2) за случаите: прозрачна среда при n = 1,5; b на абсорбиращата среда при n = 1.5 и χ = 1 R = () n 1 n () n 1 n χ χ. (1.2.19) Ако nχ >> (n + 1), тогава R 1; по този начин при нормална честота силно отражение се свързва с голямо поглъщане на радиация в средата. При наклонена честота получените изрази са доста сложни; ако n 2 + n 2 χ 2 >> 1, тогава важат следните отношения: RR () () n 1 + χ cos θ 1 2 n cosθ + 1 1 = (p поляризация), (1.2.20) n 1 + χ cos θ + 2 n cosθ + 1 // () n () n 1 1 n 1 + χ 2 cosθ + cos θ = n 1 + χ + 2 cosθ + cos θ (s поляризация). (1.2.21) Компонентът на електрическия вектор на отразената вълна за поляризацията, лежаща в равнината на падане (р поляризация) достига минимум при определен ъгъл на падане (фиг. 1.2.2, б). Ето реалните зависимости на отразяващата способност на коефициента на отражение) от ъгъла на падане за желязо и мед (фиг. 1.2.3, а, б). 2 4σ За метали n = ε 1 i (1.2.22) εω 0

18 и в повечето случаи 4σ / ω >> 1 (в оптичния диапазон μ 1), следователно (1.2.19) приема формата (за нормално падане): където ω = 2πν е кръговата честота на светлината. 2ω R = 1 A = 1, (1.2.23) πσ ab Фиг Зависимост на коефициента на отражение R от ъгъла на падане θ за E // (p поляризация, криви 1) и E (s поляризация, криви 2) за желязо (а) и мед (б): плътни линии при 20 ° С, пунктирани линии при 1000 ° С Връзката Хаген - Рубенс (1.2.23) за статичната проводимост е в добро съгласие с експерименталните данни за IR дължини на вълните с λ> 5 μm. Металите са добри проводници; следователно, в съответствие с (1.2.23), техният абсорбционен капацитет А при дължината на вълната на излъчване на CO 2 лазери (λ = 10,6 μm) е малък (виж таблица 1.1.1). Особено ниска е за цветните метали (Al, Cu) и още повече за благородните метали (Ag, Au). Ето защо лазерната обработка на тези материали е трудна или практически невъзможна от излъчването на CO2 газов лазер. Освен това златните покрития (по -рядко сребърни поради окисляване) често се използват за направата на огледала за тези лазери. Лазерната обработка на цветни метали е много по-ефективна с излъчването на твърди YAG лазери (λ = 1,06 μm), където абсорбцията е много по-висока. Зависимостта на абсорбционния капацитет А от ъгъла на падане и поляризация има силен ефект при лазерно рязане и лазерно заваряване с дълбоко проникване и също трябва да се вземе предвид при проектирането на различни лазерни сензори (например искрови пролуки). 17

19 18 2. ПОВЪРХНОСТНИ ЕЛЕКТРОМАГНИТНИ ВЪЛНИ (ШЕЙ) И АБСОРБЦИЯ НА ЛАЗЕРНО ИЗЛЪЧВАНЕ Реалните повърхности на материалите никога не са абсолютно гладки и наличието на дори незначителен релеф и микрогрубост може радикално да промени описания по -горе характер на взаимодействие и поглъщане на лазерното лъчение от материята . Когато електромагнитна вълна падне върху грапава повърхност поради дифракция, възникват повърхностни електромагнитни вълни от SEW (или по друг начин повърхностни поляритони). SEWs се разпространяват по интерфейса между две носители и съществуват едновременно в двете. Интересът към изследването на СЕУ в оптичния диапазон се дължи на факта, че те могат да бъдат ефективно възбудени от ЕМ излъчване на реална повърхност и да повлияят значително на различни процеси. Сред тези процеси: разсейване на светлина от частици, адсорбирани върху повърхността; генериране на по -високи хармоници, когато лазерното лъчение се отразява от метали; промяна в абсорбцията; фотохимични реакции; образуването на повърхностни периодични структури. SEWs са локализирани близо до повърхността и се разпадат експоненциално от двете й страни (фиг. 2.1: () A = A0 exp (± ψ1,2z) exp i kx s ωt. (2.1) Фиг. Локализацията на SEW на интерфейса между носителите на SEW не е строго напречни електромагнитни вълни, а са частично надлъжни електромагнитни вълни от типа TM: магнитният вектор H, перпендикулярен на посоката на разпространение на SEW (вълнов вектор ks), лежи в повърхностната равнина. Електрическият вектор има два компонента: E z перпендикулярно на повърхността и E x по дължината на вълновия вектор k s. ориз Интерференция на SEW с инцидента, отразена и

20 счупени вълни определя естеството на електромагнитното поле на повърхността и неговото разсейване (поглъщане). В резултат на това всяка чиста, неокислена повърхност може да има много висока абсорбционна способност A1, ако повърхностният релеф има определена периодичност, дълбочина на модулация и ориентация. Тъй като произволна грапавост може да бъде представена от нейния пространствен спектър на Фурие, по принцип проблемът с дифракцията чрез грапавост на повърхността се свежда до проблема с дифракцията чрез синусоидален релеф. Получените електромагнитни полета се получават чрез суперпозиция на инцидента и всички вълни се дифрагират от решетките на Фурие. Помислете за падането на равнинна електромагнитна вълна E (x, y, z, t) = E exp (ikx + ik z ω it) + kom ... iitz върху повърхността на среда с диелектрична константа Фиг. и магнитни полета SEW (2.2) 2 ε (ω) = ε (ω) + i ε (ω) = (n + im) (2.3) и магнитна пропускливост μ = 1, запълваща полупространството z ξ (x, y) = 2 aq cos (qr + φ) = ξq exp (iqr) + kom flop .., (2.4) където k ω е вълновият вектор на падащата електромагнитна вълна k 0 0 = и съответно c kt = k0 sin θ х; (2.5.а) kz = k0 cos θ z, (2.5.b) където q 2π е вълновият вектор на решетката q =; r = () xy, радиус вектор, d лежащ в равнината z = 0; θ е ъгълът на падане на електромагнитната вълна. деветнайсет

21 В резултат на дифракцията на падащото излъчване (2.2) на модулираната граница (2.4) възниква набор от дифракционни полета както извън средата E = E exp (ik r + γ zi ω t) + com. 20 pppp Γ = kkpp 0, а вътре в среда E = E exp (ikr γ zi ω t) + kom flat .. pppp γ = kk ε, pp 0, където индексът p (p = 0; ± 1; ± 2;) означава дифракцията поръчка; k = k p q p t (2.6) (2.7) (2.8) Стойността p = 0 съответства на светлоотразените и пречупени вълни на Френел. Изразите за амплитудите на полетата извън и вътре в средата се определят от решението на уравненията на Максуел и граничните условия за компонентите на общото електромагнитно поле. Те са описани в специализираната литература и са доста сложни. В същото време някои характеристики на SEW могат да бъдат получени от общи доста прости представления, например, като се използват векторни диаграми на закона за запазване на инерцията. Помислете за дифракционни вълни от първи ред (p = ± 1). В резултат на дифракция върху синусоидален релеф, тези две вълни имат вълнови вектори k1 = k t q (сто и петдесет); (2.9) k = 1 k + t q (stisto xso vva vow ln a), (2.10), което може да бъде представено под формата на векторна диаграма. На фиг. 2.3 е начертана окръжност с радиус R = k 0, равен на стойността на вълновия вектор на падащата вълна. Естествено, падащата р поляризирана вълна особено ефективно ще възбуди повърхностната вълна (резонансен случай), когато векторът на вълните на Стокс и / или анти-Стокс е равен на вектора на вълната на падащата вълна: kp k (2.11) 0,

Лекция 11 План 1. Оптични явления на границата между средите: отражение и пречупване на поляризирана светлина на интерфейса .. Формули на Френел. 3. Брустър ефект. 4. Промяна във фазата на светлинната вълна при

W09 ЕЛЕКТРОМАГНИТНИ ВЪЛНИ. ПОЛАРИТОНИ. Нека преминем към разглеждане на характеристиките на електромагнитните вълни в различни среди. Ще използваме добре известните уравнения на Максуел под формата 1 B div D 0 rot E t (1)

3 3. Хармоничен осцилатор, пружина, физически и математически махала. Физическо махало. Физическото махало е твърдо тяло, което се колебае наоколо

Поглъщане на светлина от оптични фонони. ИК спектроскопия. Съдържание Качествени съображения ... 1 Съотношение Лидан-Сакс-Телер ... 2 Дизайн на експеримента и примери за експериментални данни ... 6 Списък

1 ИЗСЛЕДВАНЕ НА ОПТИЧНА АБСОРБЦИЯ НА ПОЛУПРОВОДНИЦИИ Цел на работата: запознаване с явлението поглъщане на оптичното излъчване от полупроводник, измерване на абсорбционните спектри на кристали CdS и GaAs в стаята

ПОВЪРХНОСТНИ ЕЛЕКТРОМАГНИТНИ ВЪЛНИ В ОПТИКА. ВЪЗБУДЕНИЕ НА ПЛАЗМОННО-ПОЛАРИТОН НА ГРАНИЦАТА НА РАЗДЕЛ НА ДВЕ МЕДИИ Верхотуров А.О., Еремеева А.А. Съвременна оптика, която се е променила много след появата на лазерите

Лекция 6 ТЕРМООПТИЧНИ ЯВЛЕНИЯ ПРИ СВЪРХОСТНА ИНТЕНСИВНОСТ НА СВЕТЛИНА Въпроси: 1. Оптично разбиване на средата .. Удароустойчиви и термични нелинейни ефекти. Концепция за силова оптика. Сила на излъчване. Ефективен

) Под какъв ъгъл светлинният лъч трябва да пада от въздуха върху повърхността на течността, така че когато се отрази от дъното на стъклен съд (n = .5), напълнен с вода (n2 = .33), светлината е напълно поляризиран. 2) Какво е

13 "Генериране и рекомбинация на носители на заряд" Образуване на свободни електрони и дупки Генерирането на носители на заряд става под въздействието на термично хаотично движение на атомите на кристалната решетка

Дисперсия на светлината Известно е, че за хомогенна линейна изотропна (= onst) немагнитна (=) среда при липса на заряди и токове (=; j =), от уравненията на Максуел е възможно да се получи вълново уравнение под формата: EE t

ТИПИЧНИ ВЪПРОСИ КЪМ ТЕСТА (з.) Уравнения на Максуел 1. Пълната система от уравнения на Максуел за електромагнитното поле е: Посочете кои уравнения водят до следните твърдения: в природата

I..3 Основни свойства на електромагнитните вълни. 1. Напречна и ортогонална на векторите E r и H r Системата на уравненията на Максуел дава възможност да се опише правилно появата и разпространението на

Операция 5.9 Изследване на газовия лазер Оборудване: газов лазер, комплект за дифракция и смущения, измервателна линийка, екран. Въведение Явлението взаимодействие на светлината с материята при нормална термодинамика

ВЪЛНОВА ОПТИКА Глава. Интерференция и дифракция ... Интерференция на кохерентни вълни .... Условия за проява на интерференция. Интерференцията на вълните е добавяне в пространството на две или повече вълни, в които

Вълнова оптика Светлината е сложно явление: в някои случаи светлината се държи като електромагнитна вълна, в други - като поток от специални частици. Първо ще проучим вълновата оптика - редица явления, базирани на

Лекция 14 Взаимодействие на светлината с материята Днес: вторник, 12 ноември 2013 г. Съдържание на лекцията: Разсейване на светлината Групова скорост Елементарна теория на дисперсията Поглъщане на светлината Разсейване на светлината 1. Дисперсия

Вълнови свойства на светлината Природата на светлината е двойствена (дуалистична). Това означава, че светлината се проявява и като електромагнитна вълна, и като поток от фотонни частици. Фотонна енергия ε: където h е константата на Планк,

Декември 1992 г. том 162, 12 УСПЕХИ ПО ФИЗИЧНИ НАУКИ МЕТОДОЛОГИЧНИ ЗАБЕЛЕЖКИ ВЪЗДЕЙСТВИЕ НА РЕАКТИВНИ КОМПОНЕНТИ НА ЕЛЕКТРОМАГНИТНО ПОЛЕ А.А. Колоколов, (Московски физико -технологичен институт, Московски машинен инструмент

Урок 1 Тема: Равновесно топлинно излъчване Квантова природа на излъчването Предназначение: Законите на Стефан-Болцман, формула на Виен Фотони Планк Радиационно налягане Плътност на фотонен поток Кратка теорияОтопляем

Светлинни смущения. Лукянов И.В. Съдържание: 1. Концепцията за интензитета на светлинния поток. Електронна теорияметали към Друде. 3. Лек натиск. 4. Интерференция на монохроматични вълни. Концепция за интензивност

Държавно висше учебно заведение "ДОНЕЦКИ НАЦИОНАЛЕН ТЕХНИЧЕСКИ УНИВЕРСИТЕТ", катедра "Физика" ДОКЛАД за лабораторната работа 95 ВЪВЕДЕНИЕ В РАБОТАТА НА ХЕЛИЕВО-НЕОНЕН ЛАЗЕР И ИЗУЧВАНЕ НА ЛАЗЕРНИ СВОЙСТВА

Катедра „Експериментална физика“ СПБСПУ ЛАБОРАТОРНА РАБОТА 202 ТЕМПЕРАТУРНА ЗАВИСИМОСТ НА ЕЛЕКТРИЧЕСКОТО УПОТРЕБА НА МЕТАЛ И ПОЛУПРОВОДНИК ЦЕЛ НА РАБОТА Определяне на температурния коефициент на съпротивление

Лабораторна работа 17. ПОЛАРИЗАЦИЯ. ЗАКОНИТЕ НА МАЛУС И БРАСТЪР. ЛИЧНА ПРОЛОМОСТ. Цел на работата: Проверка на законите на Малус и Брюстър. Получаване на елиптично поляризирана светлина от линейно поляризирана

Изпит Thomson's Atom Model Complex поляризуемост на атомите (продължение) 4πρq q ɺɺ r + γrɺ + r = E 3 В това уравнение за движение на центъра на масата на електронната обвивка въвеждаме обозначението 4πρq 3 ρq (система

Тема 3. Електромагнитни вълни в материята. А.1. EME в вещество P.2. Дисперсия. А.3. EME в проводимо вещество А.4. Дисперсия и затихване на EMW в диелектрик A.5. Поляризация 1 С.1. EME по същество проблем:

Нижегородски държавен университет Н.И.Лобачевски Факултет по радиофизика Катедра по електроника Лабораторен доклад: ИЗМЕРВАНЕ НА ВРЕМЕТО НА ЖИВОТА И ДЪЛЖИНАТА НА РАЗЛИВАНЕ НА НЕИЗРАВНИТЕЛНИ МЕДИИ

Изпит Условие за съвпадение на фазите (продължение Това препятствие може да бъде заобиколено поради двойнопречупване (два различни показателя на пречупване в кристала)

Дисперсия на светлината Поляризация Оптична вълна

Оптика Светлинни смущения Лекция -3 Постникова Екатерина Ивановна, доцент по катедра „Експериментална физика“ 5 Светлинни смущения Светлинни вълни Светлината е сложно явление: при някои условия се държи като

ОБЩИ ВЪПРОСИ 1. Какво е спектрална елипсометрия (без математика)? Спектралната елипсометрия е неразрушителен, безконтактен и неинвазивен оптичен метод, който се основава на явлението промяна

67 Глава 8. Взаимодействие на светлинните вълни със свободни електрони В предишните глави най -често се приемаше, че електроните, с които взаимодейства светлинна вълна, са в свързано състояние.

Съкращения: Opr F-ka F-la-Pr-примерна формула за формулиране на формулировка 1. Електрическо поле 1) Основни свойства на заряда (списък) 2) Законът на Кулон (F-la, фиг.) 3) Вектор на електрическата якост

Вариант 1. 1. а) Източник на светлина с яркост L = 200 cd / m2 се намира на разстояние s 1 = 20 см от тънка леща с фокусно разстояние = 10 см. Конструирайте пътя на лъчите, намерете Разстоянието s 2 се намира

Лабораторна работа ОПРЕДЕЛЯНЕ НА ОПТИЧНИ СЪСТАВКИ НА ТЪНКИ МЕТАЛНИ ФИЛМИ ПО МЕТОДА НА ПЛАЗМОННИЯ РЕЗОНАНС Кононов М.А. Найми Е.К. Компютърен модел "Оптични свойства на метални филми" в

Оптика Оптиката е клон на физиката, който изучава явленията и законите, свързани с появата, разпространението и взаимодействието на светлинни електромагнитни вълни (390 nm λ 750 nm). Геометрични

1 Налягане и импулс на електромагнитни вълни Налягането на електромагнитна вълна върху повърхността на идеален проводник 1. Електромагнитните вълни, отразени или погълнати в телата, оказват натиск върху тях. Това е

Изследване на дифракцията на светлината Липовская М.Ю., Яшин Ю.П. Въведение. Светлината може да се прояви или като вълна, или като поток от частици, което се нарича корпуализиран вълнов дуализъм. Смущения и

Разсейване на светлината. Топлинна радиация Лекция 7 Постникова Екатерина Ивановна доцент от катедра „Експериментална физика“ Дисперсия на светлината Дисперсия на светлинна зависимост от фазовата скорост на светлината c (показател на пречупване

Работа 5.10 Определяне на ивицата на полупроводниците на ръба на вътрешно абсорбиращо оборудване: призмен монохроматор UM-2, лампа с нажежаема жичка, галванометър, фотоустойчивост на кадмиев сулфид,

Оптика Оптиката е клон на физиката, в който се изучават законите на светлинните явления, природата на светлината и нейното взаимодействие с материята. Светлинен лъч е линия, по която светлината се движи. Закон

ФИЗИЧНИ ПРИНЦИПИ НА ЗАЩИТА Нека нека разгледаме качествено физическите принципи на екранирането. Анализът ще се извърши за плосък проводящ екран. На фиг. XX е безкрайно дълъг плосък метал

Изпит Формули на Френел Амплитудни коефициенти на отражение и пропускане Нека открием амплитудите на отразените и пречупените вълни от граничните условия, като вземем предвид напречността на светлинните вълни и като вземем предвид законите на отражението

Изпитен закон на пречупване (Законът на Снел и законът на отражението Законът на Снел може да бъде доказан с помощта на конструкциите на Хюйгенс Ще направим това при разглеждане на кристалната оптика и сега ще го докажем по различен начин Когато

4. Общо външно отражение на рентгеновото лъчение Разгледано в предходния раздел, минималният ъгъл на паша (o) min, при който рентгеновото лъчение прониква от вакуум в определена среда,

Въпроси за тест 1 "Оптика" 1. Избройте законите на отражението на светлината. Как по принцип можете да получите изображение в плоско огледало? 2. Избройте законите на пречупването на светлината. 3. Как да си обясним факта на пречупване на светлината?

Теств групи MP 0 MP 5 съдържа тестови въпроси и задачи по теми:. Електромагнитна индукция... Индуктивност на самоиндукция 3. Енергия на магнитното поле 4. Променливи електрически трептения

ПОЛУПРОВОДНИКИ Полупроводниците са твърди тела, в които при T = 0 валентната зона е напълно запълнена и отделена от зоната на проводимост с тясна ширина на лентата в сравнение с диелектриците.

Поляризация на електромагнитни вълни. (според описанията на задачите на работилницата 47 и 4 От електромагнитната теория на светлината, базирана на системата от уравнения на Максуел, следва, че светлинните вълни са напречни. Това означава

Лабораторна работа ИНТЕРФЕНЦИЯ НА СВЕТЛИНАТА. БИПРИЗЪМ ФРЕНЕЛ. Цел на работата: да се изследва интерференцията на светлината чрез примера на експеримент с бипризма на Френел, да се определи ъгълът на пречупване на бипризмата чрез отклонението на лазерния лъч

Поляризационна дисперсия на светлинна вълна

ЛАБОРАТОРНА РАБОТА 9а ИЗСЛЕДВАНЕ НА ЯВЛЕНИЯ НА ДИФРАКЦИЯ С ЛАЗЕР Физическите принципи на работа на оптичните квантови генератори. Лазер (оптичен квантов генератор, лазер) е устройство, което

"Изчисляване на концентрацията на носители на заряд в кристал" Редуцируемостта на всяко твърдо вещество се определя преди всичко от концентрацията на електрони и дупки, способни да носят заряд. Концентрация на носител

Лабораторна работа 10 Определяне на материалните загуби във влакна от филм Целта на работата е да се изчисли коефициентът на екстинкция за филмово влакно, като се използват стойностите на измерените му оптични константи

Изпит Брустър ъгъл и прозорци Брустър на лазерни тръби π Помислете за условието α + α =, където α е ъгълът на падане на светлината върху интерфейса между две среди, α е ъгълът на пречупване π Ако α α tan α α израз r = тен α +

3. ДИФРАКЦИЯ НА СВЕТЛАТА Дифракцията е съвкупност от явления, наблюдавани по време на разпространението на светлината в среда с резки неоднородности и свързани с отклонения от законите на геометричната оптика. Дифракция,

ЛЕКЦИЯ НАУКА ЗА ФИЗИЧНИ МАТЕРИАЛИ 11 ЕЛЕКТРИЧЕСКА ПРОВОДИМОСТ Механизми на електрическата проводимост. Измервания на проводимост, обемна и повърхностна проводимост. Емисии: термионни, автоелектронни,

Видове електронно излъчване Физически процеси, протичащи във вакуумни електронни устройства и устройства: излъчване на електрони от нажежаеми, студени и плазмени катоди; оформяне (фокусиране) и

Лабораторна работа 19 ВЪТРЕШЕН ФОТО ЕФЕКТ. ИЗСЛЕДВАНЕ НА ХАРАКТЕРИСТИКИТЕ НА ФОТОРЕЗИСТОРА Цел на работата: експериментално изследване на волт-амперните, светлинните и спектралните характеристики на фотосъпротивлението.

Като ръкопис

Алексей Сетейкин

ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НА ЛАЗЕРНО ИЗЛЪЧВАНЕ

С МНОГОСЛАЙНИ МАТЕРИАЛИ

01.04.21- лазерна физика

за академична степен

Доктор на физико -математическите науки

Санкт Петербург - 2011 г.

Работата е извършена във федералната държавна бюджетна образователна институция професионално образованиеСанкт Петербургски държавен политехнически университет

(FGBOU VPO "SPbSPU")

Научен консултант:

Привалов Вадим Евгениевич

Официални опоненти: доктор на физико -математическите науки, професор

Аксьонов Евгений Тимофеевич

Доктор на физико -математическите науки, професор

Толмачев Юрий Александрович

Доктор на физико -математическите науки, професор

Федорцов Александър Борисович

Водеща организация: Балтийски държавен технически университет "Военмех" D.F. Устинова

Защитата ще се проведе "" 2011 г. в _______

на заседание на дисертационния съвет D 212.229.01 във Федералното държавно бюджетно учебно заведение за висше професионално образование "Санкт Петербургски държавен политехнически университет" 195251, Русия, Санкт Петербург, ул. Политехнически, 29, корпус 2, а. 470.

Дисертацията може да бъде намерена в фундаменталната библиотека

FSBEI HPE "Санкт Петербургски държавен политехнически университет"

Научен секретар

съвет за дисертация

Доктор на техническите науки, професор А. С. Коротков

ОБЩО ОПИСАНИЕ НА РАБОТА

Дисертационната работа е посветена на анализа на процесите на взаимодействие на лазерното лъчение в многослойни материали, използвайки методите на математическото моделиране.

Уместност на темата. През последните години методите, основани на използването на лазерно излъчване, станаха широко разпространени за диагностициране на вътрешната структура на различни оптически неоднородни обекти, по -специално те намират приложение в медицината, биологията, материалните науки, физиката на атмосферата и океана и други области на съвременната наука.

Особен интерес представляват въпросите за взаимодействието на лазерното лъчение с многослойни биологични материали. В зависимост от плътността на мощността се разграничават три вида ефекти от взаимодействието на лазерното лъчение с биологичната тъкан: фотохимични, при относително ниски стойности на плътността на мощността; термичен, при средни стойности на плътността на мощността и фотомеханичен (нелинеен), при много високи стойности на енергийна плътност и много кратко време за доставка на радиация. С увеличаване на енергийната плътност на радиацията, доставена за кратък интервал от време, се получава експлозивно отстраняване на материал (фотоаблация).

Поради многослойната и многокомпонентна структура на биологичната тъкан взаимодействието на радиацията с нея се оказва много сложно. Например, роговият слой отразява падащата радиация, докато колимираният светлинен лъч се превръща в дифузен поради микроскопични неоднородности на границата въздух - рогови слой. По -голямата част от светлината, отразена от кожата, се генерира чрез обратно разсейване от различни тъканни слоеве (рогови слой, епидермис, дерма, микроваскуларна система). Поглъщането на светлина от кожни пигменти дава количествена информация за концентрацията на билирубин, насищането на хемоглобина с кислород и съдържанието на лекарства в тъканите и кръвта, което е в основата на методите за диагностициране на редица заболявания.

За подобряване на ефективността съвременни методилазерната диагностика, както и за разработването на нови методи е необходимо да се проучат подробно характеристиките на процеса на разпространение на светлина в многослойни среди, включително биологични тъкани. Понастоящем обаче няма точна теория за описване на разпространението на светлината в структурно неоднородни среди, а експерименталните изследвания се усложняват от трудностите при поддържане на постоянството на техните структурни и динамични параметри. В тази връзка компютърното симулиране на разпространението на лазерно лъчение става все по -важно. Тя позволява по -задълбочено проучване на характеристиките на разпространението на лазерен лъч в моделна среда, както и да се изследва зависимостта на получените резултати от различни параметри на измервателната система и обекта на изследване, което е много трудно при експеримент. Това ви позволява да разработите препоръки за най -ефективните диагностични измервания.

За да се интерпретират получените резултати и правилно да се диагностицира изследвания обект, е необходимо да се знаят параметрите на разпространението на светлината в него, което се постига чрез сравняване на експерименталните данни и резултатите. компютърна симулацияили теоретични изчисления, ако е приложимо. Един от основните проблеми при изчисляването на разпространението на радиация в биологични обекти е изборът на метода. Поради бързото развитие на компютърните технологии често се използва методът за статистически тестове Монте Карло. Приложен към разпространението на радиация в многослойни среди, този метод се основава на многократни повторения на числов експеримент за изчисляване на случайна траектория на фотоните в изследваната среда, последвано от обобщение на получените резултати. С натрупването на достатъчно голямо количество статистически данни, методът прави възможно да се правят сравнения с експериментални резултати, както и да се прогнозират резултатите от експериментите. Точността на такова моделиране се определя от цената на компютърното време, както и от съответствието на модела с моделирания обект.

Важен проблем при моделирането е правилният избор на стойностите на параметрите на модела на обекта, използван за изчислението, които не могат да бъдат измерени изрично. Трябва да се отбележи, че в редица случаи, по -специално за много биологични тъкани, има значително разминаване в стойностите на техните оптични свойства, получени от различни автори.

Всичко по -горе потвърждава уместността на темата и ви позволява да формулирате целта на тази дисертационна работа.

Целта на дипломната работа беше:

Извършване на проучване на процесите, лежащи в основата на взаимодействието на лазерно лъчение с различна интензивност с многослойни биологични среди, създаване на модели на тези процеси, от една страна, важни от гледна точка на решаването на общия проблем за взаимодействието на лазерното лъчение с материя, а от друга страна, отразяваща спецификата на многослойните биологични материали.

Постигането на тази цел изисква:

1. Разработване на теоретични методи за изучаване и анализ на биологични среди, което включва критичен анализ на съществуващите теории и модели на разпространение на светлината в биологични среди и разглеждане на механизмите на взаимодействие на лазерното лъчение с биологични тъкани със сложна геометрия.

2. Създаването на физически математически моделразпространение на лазерно излъчване в среди с произволна асиметрична геометрия, включително затворени вътрешни неоднородности със сложна форма и методи за оценка на степента на неговата адекватност.

3. Анализ на възможностите за използване на разработения модел за решаване на чисто практически проблеми и за създаване на нови диагностични техники на негова основа.

Научна новост

В творбите, обобщени в тази дисертация, авторът за първи път:

1. Създаден научна концепцияи методи за изследване на взаимодействието на лазерното лъчение с биологични тъкани, произволна асиметрична геометрия, включително затворени вътрешни неоднородности със сложни форми.
2. Предлага се нова изчислителна област на моделиране, представена под формата на решетка с елементи - тетраедри, която осигурява триизмерно моделиране на процеса на разпространение на радиация в многослойни структури, което позволява работа с биологични среди с произволна геометрия.
3. Установена е температурната реакция на биологичните тъкани с включване на наночастици към ултравиолетова радиация. Промяната в плътността на абсорбираната светлинна енергия и температурните полета се изчислява в зависимост от дължината на вълната на падащата радиация, концентрацията и дислокацията на наночастиците, включени в средата.

4. Разработен и теоретично обоснован оригинален модел на лазерна аблация на твърди биологични тъкани, като се вземе предвид многослойната природа на биологичните материали. Показана е приложимостта на този модел за описване на наличните експериментални данни за лазерна аблация на многослойни биологични тъкани.

Надеждност на резултатите

Надеждността на получените резултати и заключения се осигурява от адекватността на използваните физически модели и математически методи, правилността на използваните приближения, възпроизводимостта на изчислените и експерименталните данни, както и съответствието им с резултатите, получени от други автори.

Научно и практическо значение

Решен е основен научен проблем за взаимодействието на лазерното лъчение с многослойни материали от всякаква геометрия. Това дава възможност да се обобщят всички изброени резултати и се увеличава научната и практическата значимост не само на резултатите, дадени в дисертацията, но и да се направят по -полезни получените преди това резултати.

Получените резултати могат да се използват като методи за оптична диагностика на биологични тъкани, например при оптична кохерентна томография.

Методът за изчисляване на температурната реакция на биологичните тъкани с помощта на наночастици при облъчване с UV-A и UV-B светлинни диапазони е сертифициран като методология от Държавната служба за стандартни референтни данни (GSSSD), сертификат № 150.

Изчисленията на параметрите на лазерната аблация на твърди биологични тъкани имат голямо практическо приложение. Те могат да се използват в лазерната хирургия и стоматологията.

Получените резултати в дисертационната работа могат да бъдат приложени и в образователния процес - при подготовката на студенти, аспиранти, в лекционни курсове по специалност „Лазерна физика“.

Основните разпоредби за защитата

1. Концепцията и методите за изучаване на взаимодействието на лазерното лъчение с хетерогенни многокомпонентни тъкани и среди със сложна геометрия, позволяващи да се опишат процесите на взаимодействие на радиацията с многослойни материали и служещи като основа за създаване на системен софтуер за реални диагностични техники, устройства и устройства.

2. Модел на разпределение на абсорбираната плътност на енергията за различни диапазони на излъчване в многослойни среди с произволна асиметрична геометрия на изчислителната среда с включване на затворени вътрешни неоднородности със сложна форма, използвайки триизмерния метод на Монте Карло и разделяне на крайни елементи.

3. Основните механизми на взаимодействие на лазерно лъчение с различна интензивност с многослойни тъкани, които дават възможност да се установят условията за възникване и протичане на топлинни процеси в тях и да се оцени приложимостта на разработения модел за изследване на топлинните натоварвания на многослойни тъкани, характерни за процесите на аблация в тях.

4. Температурна реакция на биологичните тъкани с включване на наночастици към ултравиолетово облъчване, което дава възможност да се вземе предвид дължината на вълната на падащата радиация, концентрацията и дислокацията на наночастиците, включени в средата.

5. Модел на лазерна аблация на твърди биологични тъкани, като се отчита многослойността на биологичните материали.

Публикуване и апробиране на резултатите

Основните резултати от изследванията, представени в дисертацията, бяха докладвани и обсъдени на следните научни конференции:

I Далекоизточна конференция с международно и общоруско участие. „Нови медицински технологии в Далечния изток“ (Хабаровск, 1996); Регионален научен симпозиум „Екология и болести на дихателната система, приложение на нови технологии в лечението“ (Биробиджан, 1997); II Далекоизточна научна конференция „Нови медицински технологии в Далечния изток“ (Владивосток, 1998 г.); III регионална конференция в Далечния Изток „Нови научни технологии в региона на Далечния Изток“ (Благовещенск, 1999 г.); III Международна научно -техническа конференция „Квантова електроника“ (Минск, 2000 г.); III регионална научна конференция „Физика: фундаментални и приложни изследвания, образование” (Благовещенск, 2002); Регионално училище-симпозиум „Физика и химия на твърди тела“ (Благовещенск, 2003 г.); Международна конференция "Лазерно-оптични технологии в биологията и медицината" (Минск, 2004; Четвърта азиатско-тихоокеанска конференция "Фундаментален проблем на опто- и микроелектрониката (APCOM 2004) (Хабаровск, 2004); IV международна конференция на млади учени и специалисти" Оптика - 2005 г. "(Санкт Петербург, 2005 г.); V регионална научна конференция" Физика: фундаментални и приложни изследвания, образование "(Хабаровск, 2005 г.); Международен симпозиум" Принципи и процеси на създаване на неорганични материали (Трети Самсонови четения) "(Хабаровск, 2006 г.); VI регионална научна конференция "Физика, фундаментални и приложни изследвания, образование" (Благовещенск, АМСУ, 2006 г.); Научна сесия MEPhI-2007 (Москва, 2007 г.); Международна конференция "Разширени лазерни технологии" (ALT) (Леви, Финландия) , 2007); Международна конференция "Лазери. Измервания. Информация. 2008" (Санкт Петербург, 2008); XV Всеруска научно-методическа конференция "Телематика 2008" (Санкт Петербург, 2008); Международна 1 -ви оптичен конгрес „Оптика - XXI век“ (Санкт Петербург, 2008); XVI Международна научна конференция „Лазерни информационни технологии в медицината, биологията и геоекологията“ (Новоросийск, 2008 г.); Международна конференция „Лазери. Измервания. Информация. 2009 г. “(Санкт Петербург, 2009 г.); VIII регионална научна конференция „Физика: фундаментални и приложни изследвания, образование“ (Благовещенск, 2009); Международна конференция за напреднали лазерни технологии (ALT 09) (Анталия, Турция, 2009 г.); XX Международен симпозиум по биоелектрохимия и биоенергетика (Сибиу, Румъния, 2009 г.); Международна конференция „Лазери. Измервания. Информация “(Санкт Петербург, 2010 г.); Международна конференция „Лазерни приложения в науките за живота“ (LALS 2010) (Оулу, Финландия, 2010).

Всички оригинални резултати, посочени в дисертацията, са получени от автора лично или под негово научно ръководство.

Структурата и обхватът на дипломната работа

Дисертацията се състои от увод, пет глави и заключение. Съдържа 262 страници машинописен текст, включително 105 фигури, и списък на използваните източници, наброяващ 214 заглавия, включително 35 препратки към основните публикации на автора по темата на дисертацията.

РЕЗЮМЕ НА ДИСЕРТАЦИЯТА

Във въведениетообосновава се значението на темата на дисертацията, формулират се целите и задачите на работата, изброяват се основните положения, представени за защита, отбелязва се научната новост на получените резултати, тяхната практическа стойност и надеждност. Представени са основните характеристики на взаимодействието на лазерното лъчение с многослойни тъкани.

В първата главае даден кратък преглед на съществуващите теории, използвани за описание на разпространението на лазерно лъчение в многослойни тъкани, за да се избере най -оптималният математически подход за анализ на тези процеси.

Акцентът е върху анализа на два основни подхода за решаване на проблемите с разпространението на радиация в многослойни среди.

Първият от тях се основава на вълновата теория на взаимодействието на радиацията с материята, която се основава на уравненията на Максуел и уравнението на вълната. Средата се характеризира с коефициентите на разсейване и поглъщане на частици, които са дадени под формата на случайни величини от пространствени координати. В резултат на това се получават съответни интегрални или диференциални уравнения за статистически величини като вариационни и корелационни функции. Този подход е математически строг в смисъл, че по принцип могат да се вземат предвид както ефектите на множествено разсейване, така и ефектът на дифракция и интерференция. Въпреки това, в тази настройка общо решениевсе още не е намерен, аналитични решения са получени само за много тесен клас проблеми, свързани предимно със силно разредени среди (биологични суспензии и решения, облаци мъгла в случай на видимост на обект), което явно усложнява възможността на анализиране на процесите, протичащи в сложна многослойна сряда

Алтернативен подход се основава на най -развитата в момента аналитична теория за пренос на радиация (TS), която не следва ясно от вълновото уравнение. Тази теория работи директно с преноса на енергия в среда, съдържаща частици. Той приема, че всяка разсейваща частица е достатъчно отдалечена от съседите си, което изключва възможността за взаимодействие между последователни ефекти на разсейване, т.е. се приема, че няма корелация, когато се добавят полетата, добавят се интензитетите, но не и самите полета. Основното уравнение на TP е уравнението за пренос на радиация:

където е енергийната яркост, е скоростта на фотоните, е коефициентът на поглъщане, е коефициентът на разсейване, е функцията на фазовото разсейване, е функцията на източника на фотони, е безкрайно малкият елемент на плътния ъгъл.

Той е еквивалентен на уравнението на Болцман, използвано в кинетичната теория на газовете и теорията на транспорта на неутрони. TP добре описва много физически явления и успешно се използва при широк спектър от проблеми (атмосферна и подводна видимост, морска биология, хартиена оптика и фотографски емулсии, при анализ на разпространението на радиация в атмосферата на планети, звезди и галактики).

Заключението е, че трансферната теория е най -подходяща за описване на процесите, свързани с разпространението на оптичното излъчване в многослойни тъкани със сложна геометрия. С негова помощ е възможно да се решат проблемите с оптичната дифузна томография и спектроскопията на биологични обекти, да се извърши надеждна поетапна дозиметрия на лазерното лъчение в биологичната тъкан. Това обаче изисква разработването и разработването на нови методи за решаване на преки и обратни проблеми с преноса на радиация за среди с произволна конфигурация и всякакви гранични условия. Показано е, че методът Монте Карло е обещаващ за решаване на подобни проблеми, за който се използва широко числово решениеуравнения за пренос на радиация.

В второГлавата, която има преглед и аналитичен характер, разглежда основните механизми на взаимодействие на лазерното лъчение с биологичните тъкани. Специално внимание се обръща на разглеждането на термичните ефекти и отстраняването на биологичните тъкани.

Терминът "топлинно взаимодействие" описва голяма група типове взаимодействия, където локалното повишаване на температурата е важен параметър. Топлинният ефект на лазерното излъчване възниква само ако плътността на мощността е> 10 W / cm2 за непрекъснато излъчване или импулсно излъчване с продължителност на импулса повече от 1 μs. Следователно процесите, причинени от фотохимичното взаимодействие на радиацията с материята, протичащи при много ниски плътности на мощността (обикновено 1 W / cm2) и дълги времена на експозиция, не се анализират подробно.

В зависимост от продължителността на експозиция и максимално постижимата температура на тъканите могат да се разграничат различни термични ефекти, като хипертермия, коагулация, изпаряване, карбонизация (овъгляване) и топене.

Температурата е основна физически размерхарактеризиращ всички топлинни взаимодействия на светлината с тъканта. За да се предскаже топлинната реакция, трябва да се създаде модел на разпределение на температурата в тъканта. Често в биологичните тъкани се случват не един, а няколко термични ефекти (в зависимост от параметрите на лазера). Разпределете обратимо и необратимо увреждане на тъканите. Тъй като критичната температура на клетъчната некроза се определя от времето на облъчване, няма точна температурна стойност, при която е възможно да се разграничи обратим ефект от необратим. Следователно степента на увреждане на биологичната тъкан се определя от енергията, обема и продължителността на облъчването. Възможните топлинни процеси са показани на фиг. 1. Локализацията и пространствената степен на всеки термичен ефект зависи от температурата на биологичната тъкан по време и след излагане на лазер.

Ориз. 1. Локализация на топлинни ефекти вътре в биологичната тъкан.

Един от тези процеси е фотоаблацията, която се състои в това, че материалът се разлага под действието на високоинтензивно лазерно излъчване (плътност на мощността-107-108 W / cm2, за наносекундни лазерни импулси). Дълбочината на аблация, т.е. дълбочината на отстраняване на материала в един импулс, се определя от енергията на импулса до определена граница на насищане. Геометрията на пробата по време на аблация се определя от пространствените характеристики на лазерния лъч.

За да се създаде модел, който описва зависимостта на дълбочината на аблация от интензивността на падащата радиация, повечето групи разчитат на предположението, че законът на Бугер-Ламбер е валиден за поглъщане на светлина.

Фотоаблацията ще настъпи, ако:

където Iph е ​​праговият интензитет на радиация, водещ до фотоаблация. Това условие показва, че за да възникне фотоаблация, трябва да се погълне определено количество енергия за единица обем за единица време. Праговият интензитет Iph се определя от минималния брой връзки, които трябва да бъдат прекъснати, за да се получи разделяне.

Дълбочина на аблация d, т.е. дълбочина, на която I (z) = Iph:

Този прост модел описва добре процеса на фотоаблация, с изключение на праговите стойности на Iph в началото на фотоаблация и Ipl в началото на образуването на плазма.

Анализът на съществуващите механизми на взаимодействие на лазерното лъчение с многослойни биологични тъкани даде възможност да се заключи, че за изследването и оценката на топлинните ефекти е необходимо да се реши нестационарното уравнение на топлопреминаване, като се вземат предвид условията на конкретен проблем. Като такива проблеми в тази работа се разглеждат: температурната реакция на биологичните тъкани, като се вземат предвид различни включвания и изчисляването на параметрите на лазерна аблация на твърди многослойни биологични тъкани, които са решени в 4 -та и 5 -та глава.

Глава третае посветен на решаването на проблема за изграждане на математически модел на разпространение на оптично излъчване в нехомогенни биологични среди със сложна геометрия, като се взема предвид многослойната структура на реални биологични тъкани, предназначена за изчисляване и анализ на разпределението на плътността на погълнатата светлинна енергия в различните му слоеве.

В рамките на този проблем се обръща специално внимание на разработването на дистанционни оптични методи за диагностика на многослойни биологични среди. Повечето от известните методи обаче не отчитат изцяло промените в оптичните и геометричните параметри на изследваните обекти, предимно локални неоднородности. От гледна точка на моделирането на визуализацията на такива обекти, най -целесъобразно е използването на статистическия метод на Монте Карло, базиран на представянето на разпространението на радиация под формата на поток от пакетни модели на вълни, всеки от които се формира от набор от фотони от определен "тип" с дадена енергия и посока на разпространение. Това означава, че моделният пакет не проявява такива свойства като фаза и поляризация и е един вид квазичастица, носеща енергия, способна да образува подобни по-малко енергични частици по време на взаимодействие.

Разпределението на интензитета в биологичната тъкан е функция от коефициента на поглъщане a, коефициента на разсейване s, параметъра на анизотропия g и размера на лазерния лъч. Това води до значителни трудности при количествената дозиметрия на радиацията при лазерната терапия. Изследванията на разпределението на светлината вътре в биологичната тъкан със сложна многослойна структура с цел опростяване на анализа могат да се проведат в рамките на едноизмерна теория, която е валидна, когато размерите на лазерния лъч са много по-големи от дълбочината на проникване на светлина в тъканта, което се прилага за много видове фототерапия. Типични примеримногослойни биологични тъкани са кожата, стените на пикочния мехур, матката, кръвоносните съдове.

Приложението на метода Монте Карло се основава на използването на макроскопските оптични свойства на средата, които се приемат за хомогенни в малки обеми тъкан. Симулацията не взема предвид подробностите за разпространението на радиационната енергия в една клетка. Добре известните алгоритми дават възможност да се вземат предвид няколко слоя биологична тъкан с различни оптични свойства, крайният размер на падащия лъч и отражението на светлината от интерфейсите между слоевете.

Със своята висока точност и гъвкавост, основният недостатък на метода Монте Карло е големият разход на компютърно време. Въпреки че разработването на хардуерни и софтуерни средства за изчисляване намалява ролята на времевия фактор, разработването на нови средства за лазерна диагностика и терапия изисква създаването на ефективни, относително прости и надеждни алгоритми за метода Монте Карло. Например, новият кондензиран метод на Монте Карло позволява да се получи решение за всяка стойност на албедо въз основа на моделиране на една конкретна стойност на албедо, което значително ускорява изчисленията. Разработени са и много икономични хибридни модели, които съчетават точността на метода Монте Карло и скоростта на дифузионните теории или сближаването на аналитичните изрази.

Теоретичното моделиране позволява да се изследва набор от различни начални условия и свободно да се интерпретират експерименталните резултати в реално време. Това значително улеснява работата и намалява времето, прекарано в планиране, подготовка на експерименти и анализ на получените резултати. По-голямата част от съвременните изследвания в тази област се основават на едномерно или двуизмерно представяне на многократно разсейваща среда, което очевидно налага доста значителни ограничения върху приложимостта на получените резултати. В тази работа е изграден математически модел, който отразява процеса на триизмерно разпространение на оптичното излъчване в живите тъкани. В този случай се приема, че обемът на моделната среда е набор от адресируеми (индексирани) обемни елементи на триизмерното пространство. Изборът на възможно събитие за моделен пакет се изчислява, когато той взаимодейства или с елементарен обем, или с неговата повърхност, ако последният е интерфейс между слоеве с различни оптични характеристики.

Моделът се основава на уравнението за пренос на радиация.

Разглежда се многослойна биологична среда с включени нехомогенности с произволна форма, към която е насочен фотонният поток.

Симулираната среда се определя от следните параметри: дебелина, коефициенти на разсейване и абсорбция, среден косинус на ъгъла на разсейване, относителен коефициент на пречупване. Средата е представена от набор от случайни центрове, разсейващи и поглъщащи фотони (фиг. 2).

Падащият светлинен лъч (източник на радиация) се състои от един милион пакети фотони, влизащи в средата по оста z, перпендикулярна на нейната повърхност (x, y) в точката с координати (0, 0, 0). Броят на фотоните в пакета определя енергията на падащия лъч. Всички изчисления се извършват в 3D декартова координатна система.

Смята се, че частиците на средата, върху които се случват разсейване и поглъщане, са сферично симетрични. Това приближение обикновено се използва в такива случаи и се основава на факта, че в процеса на преминаване през среда със силно разсейване фотон взаимодейства с частици под различни ъгли. Следователно може да се използва усреднената индикатриса на разсейване. Използването на този модел и сравнението на числените изчисления с експерименталните резултати показаха, че това приближение задоволително описва свойствата на повечето биологични тъкани.

За да се вземе предвид пречупването на интерфейса между двете поддомейни, се използва законът на Френел. На фиг. 2 показва пример за траекторията на фотон в среда. Функцията за плътност на вероятността на свободния път на фотона преди взаимодействието - -се определя от закона Bouguer-Lambert-Beer, както следва:

където a е коефициентът на поглъщане, s е коефициентът на разсейване и t е общият коефициент на затихване, равен на t = a + s. Когато фотон се отклони от ъгъл, се приема, че той се отклонява симетрично спрямо първоначалната посока на разпространение от азимутален ъгъл, чиято стойност е в интервала. Асиметричното разсейване не се разглежда.

За да се вземе предвид абсорбцията, се използва метод, наречен имплицитно улавяне на фотони. Симулацията разглежда движението не на всеки фотон поотделно, а на пакет от фотони. Пакет от фотони (оттук нататък, за простота, пакет) симулира движението на много фотони по подобна траектория, в резултат на което при взаимодействие със средата се поглъща само част от фотоните от пакета, а останалите продължават да се движи.

Ориз. 2 - Пример за траекторията на фотон в среда.

Тъй като при описване на разпространението на лазерно лъчение в биологичните тъкани е необходимо да се вземат предвид реалната геометрия на средата, която може да бъде доста сложна, многослойността на биологичните тъкани, размерът и ъгловото разпределение на падащата радиация, За внедряване на модела е използван метод Монте Карло, който в момента е единственият метод, който дава възможност да се вземат предвид всички горепосочени характеристики на разглеждания проблем.

Оптичните параметри на биологичната среда са сложни функцииот пространствени координати. Тази среда обаче може да бъде разделена на достатъчно малки поддомейни, в които оптичните свойства на средата могат да бъдат зададени приблизително, чрез относително прости функции, например постоянна, линейна и квадратни функции... За симулация на Монте Карло в триизмерно пространствомного важен фактор е как се извършва такъв дял.

Показано е, че методът на крайните елементи изглежда е най -удобният за описание на сложни среди. Геометрията на средата е представена под формата на решетка, с помощта на която изчислителната област се апроксимира чрез разделяне на елементарни клетки, чиито форми на елементите са един от основните фактори, определящи точността и скоростта на сближаване на численото решение на задачата. Колкото по -проста е формата на елементите на дяла, толкова по -малко изчислителни ресурси са необходими за изчисления.

Показано е, че решетките се считат за висококачествени, където всеки елемент е правилен или близък до правилен тетраедър. Използването на подобно сближаване на симулираната среда значително опростява решаването на проблема с прехода между елементите (излизане отвъд елемента) и намирането на фотон вътре в решетъчен елемент. Счита се, че мрежата е с лошо качество, ако съдържа изродени или почти изродени елементи.

Заключението е, че при такова разделяне началната геометрия на изчислителната област може да бъде произволна, а симулираната среда съдържа вътрешни затворени неоднородности. Моделът е тестван върху специфична среда (кожа), състояща се от няколко слоя (рогови слой, епидермис и дерма) със затворена хетерогенност под формата на сложна фигура, ограничена от две елипсоидални повърхности; освен това е въведен въздух за моделиране на слой (фиг. 3.). Центърът на гредата е изместен от началото на оста на вол с 0,001 cm и е насочен перпендикулярно нагоре, радиусът му е 0,001 cm.

Опростена диаграма на разработения симулационен алгоритъм по метода Монте Карло е показана на фиг. Фотонът се инициализира с единица тегло. Размерът на стъпката на фотона за първия случай на взаимодействие е намерен и фотонът се премества. Ако фотонът е напуснал тъканта, тогава се проверява възможността за вътрешно отражение. Ако фотонът е вътрешно отражен, тогава неговото положение се променя съответно и програмата продължава, в противен случай фотонът се отстранява и случаят на отражение (или предаване) се записва. С всяка стъпка теглото на фотона намалява. Загубеното тегло се добавя към локално свързания фотонен елемент, зависим от позицията на фотона, който показва енергията на фотона, абсорбирана от тъканта. Останалото тегло на фотона се изчислява статистически, избира се нова посока и се изчислява нова стъпка.

Ориз. 3. Геометрия на дизайнерската среда.

Ориз. 4. Алгоритъм за моделиране по метода Монте Карло.

Беше взето предвид ъгловата дивергенция на лъча. Оптичните параметри на всеки слой, известни от литературата, по -специално коефициентите на поглъщане и разсейване и параметърът на анизотропия (среден косинус на ъгъла на разсейване), бяха използвани за изчисляване на разпределението на абсорбираната енергийна плътност вътре в средата. В този случай се взема предвид скокът на индекса на пречупване на границата въздух - епидермис (n = 1,5). Тъй като коефициентът на пречупване на други биологични тъкани е 1,4, а параметърът на анизотропия е по -голям от 0,9, т.е. На всеки етап от симулацията фотоните се разпръскват под малки ъгли, след това отраженията на Френел в биологичната тъкан - границите на биологичната тъкан не се вземат предвид.

Изчисляването на разпределението на плътността на абсорбираната енергия дава възможност за изграждане на диагностична карта на разпространението на лазерно излъчване на различни спектрални диапазони в многослойни среди с включване на затворени неоднородности по отношение на известни оптични параметри. Като пример бяха избрани дължините на вълните от 400 и 800 nm.

За графично представяне на разпространението на радиация в средата бяха избрани равнините на сечението xoz. На фиг. 5 показва разпределението на абсорбираната енергийна плътност в тези равнини за дължина на вълната 400 nm.

Ориз. 5. Разпределение на абсорбираната енергийна плътност в равнината на сечението xz за дължина на вълната 400 nm.

Тъй като за инфрачервено излъчване (дължина на вълната 800 nm) коефициентът на поглъщане на кожата е много по -малък от коефициента на разсейване, а средата е силно разсейваща, дълбочината на проникване на радиацията трябва да бъде по -голяма в сравнение с първата задача. Следователно, към изчислителната област е добавен слой с дебелина 0,5 mm. На фиг. 6 показва разпределението на абсорбираната енергийна плътност в равнината xz за дължина на вълната 800 nm.

И при двете задачи лазерното излъчване има еднаква мощност и енергия. За радиация с дължина на вълната 400 nm, по -голямата част от енергията ще се абсорбира в областта на малкия обем. Следователно, плътността на абсорбираната енергия е много по -висока, отколкото в случая с дължина на вълната 800 nm.

Фиг. 6. Разпределение на абсорбираната плътност на енергията в равнината на напречното сечение xz за дължина на вълната 800 nm.

Основната разлика между модела и известните съществуващи модели (Arridge S.R., Tuchin V.V., Prahl S.) е в независимостта на алгоритъма от геометрията на средата. Използвайки редица инструменти, можете да създавате изчислителни домейни, състоящи се от много компоненти с различни форми и размери. Това значително отличава този модел от известните, които използват равнинно-паралелни и непрекъснати хомогенни изчислителни области. При изчисленията могат да се използват всякакви параметри на средата и различни включвания, например наночастици.

По този начин, предложеният модел дава възможност да се изчисли разпределението на плътността на абсорбираната енергия на лазерното излъчване в многослойни материали и може да се използва за решаване на проблеми за анализ на топлинните полета, произтичащи от облъчването.

IN четвъртиГлавата разглежда динамиката на повърхностните температурни полета под действието на UV лъчение, като използва примера за многослойна среда (кожа) с включване на случайни неоднородности, под формата на наночастици. Известно е, че кожните слоеве имат различни оптични характеристики: коефициенти на разсейване и поглъщане, коефициенти на пречупване () и фактори на анизотропия на разсейване на радиация, което е взето предвид при симулиране на процесите на взаимодействие на тази среда с оптично излъчване.

С помощта на разработения модел, описан във втората глава, бяха определени плътностите на абсорбираната светлинна енергия върху областта на кожата, съдържаща TiO2 наночастици. За изчисления бяха използвани резултатите от експериментите за локализиране на частици в кожата, дадени в литературата. Според резултатите от тези експерименти, повечето от сферичните наночастици са локализирани на дълбочина 0-3 μm от повърхността на кожата. Избраните дължини на вълните за разглеждане са 310 и 400 nm. Дължината на вълната от 400 nm е на границата между UV и видимата част на спектъра, частиците TiO2 практически не абсорбират (само разсейват) за такова излъчване. Линията с дължина 310 nm е централната линия в UV-B частта на спектъра. Той е отговорен за еритемния пик на чувствителността на кожата, който е повече или по -малко свързан с увреждането на ДНК в клетките; доминиращият механизъм на взаимодействие на радиацията с TiO2 частици е абсорбцията.

В тази работа пробата се разглежда като суперпозиция на роговия слой (матрица) и TiO2 частици в него. Това е възможно, тъй като клетките на слоя имат дебелина около 0,5 μm и диаметър 30 ​​- 40 μm и по този начин,

значително надвишават размера на частиците TiO2 (25 - 200 nm в диаметър). Предполага се, че тези частици са сфери с размер на нанометър. Разсейването на радиацията от такива частици се описва с фазовата функция на Мие. За моделиране беше избрана площ от 1 cm2 кожа. Мощността на падащото излъчване беше 100 mW. Дебелината на симулираната област на кожата е около 600 микрона, което достатъчно позволява да се представи картина на взаимодействието на UV лъчение с повърхностните слоеве на кожата.

В симулацията се използва колимиран фотонен лъч, който съответства на слънчевата радиация.Предполага се, че повърхността на пробата е безкрайна; се вземат предвид интегралните (по цялата площ на роговия слой) характеристики на регистрираната радиация.

На първия етап се моделира разпространението на фотони в средата, тяхното поглъщане и разсейване. Моделирането се свежда до пускането на пакети от фотони, характеризиращи се с функцията на източници на топлина (Q) и регистриране на събития на поглъщане и разсейване на отделни фотони. В резултат на това се получава информация за параметрите на осветяване на средата и абсорбираната мощност.

Желаното разпределение на топлинните полета по повърхността и по дълбочината на моделираната структура се определя като решение на диференциалното уравнение за нестационарен топлопренос:

където k е коефициентът на топлопроводимост, T е температурата, Q е функцията на източника на топлина, е плътността, c е специфичната топлина, t е времето, r, z са цилиндричните координати.

Трябва да се отбележи, че при този проблем източникът на топлина не е локализиран на повърхността, както обикновено се случва при проблеми с пренос на топлина и маса, а е обемен и разпределен по целия обем на средата. За решаване на уравнение (5) беше приложен метод на крайни елементи, използвайки триъгълни крайни елементи от първи ред. Достатъчно голям брой триъгълни крайни елементи от първи ред, въпреки че води до известно намаляване на точността и скоростта на изчисленията, обаче има следните предимства: голям брой възли позволява да се получи най -точното разпределение на абсорбирана енергийна плътност в средата, изчислена в предишния проблем; доста бързо и удобно можете да удебелите и промените дадената решетка, за да отговаря на изискванията на задачата, а също така, ако е необходимо, да трансформирате тези елементи в елементи от по -висок ред. За решаване на проблема във времето беше използвана неявната схема на Кранк-Никълсън със следната граница и начални условия... На повърхността, където се осъществява топлообмен с околната среда, се задава гранично условие от трети вид:

където k, A - параметри на топлопреминаване; Текст - околна температура. Това условие взема предвид радиатора на повърхността на роговия слой (повърхностен радиатор).

На долната граница, на дълбочината Z1, е зададено гранично условие на формата:

Изследванията показват, че за здрав човек, започвайки от дълбочина от около 450 микрона, температурата се стабилизира. В допълнение, симулацията взема предвид радиатора, причинен от притока на кръв в малки капилярни съдове. Нулевите мивки са поставени на страничните граници на региона:

За да се елиминират температурните скокове на междинните граници, се използват следните условия:

Фигура 7 показва получените разпределения на плътността на абсорбираната енергия в роговия слой, като се вземат предвид включените нехомогенности под формата на TiO2 наночастици с различни концентрации. Може да се види, че при липса на частици, UV лъчението при дължина на вълната 310 nm се абсорбира напълно в първия слой (рогови слой).

Ориз. 7. Разпределение на абсорбираната енергийна плътност в роговия слой без частици и използване на TiO2 наночастици с размер 62 nm, = 310 nm. Дебелината на повърхностния слой, съдържащ наночастици, е 1 μm. Дебелината на роговия слой е 20 микрона.

Въвеждането на наночастици титанов диоксид TiO2 в роговия слой, поради високите стойности на коефициента на разсейване на вградените частици, води до рязко намаляване на плътността на абсорбираната енергия в роговия слой.

Коефициентите на поглъщане и разсейване на роговия слой и материала от наночастици при дължина на вълната 400 nm са значително по -ниски, отколкото при дължина на вълната 310 nm. Поради това плътността на абсорбираната енергия в роговия слой, както със, така и без частици, също е значително по -ниска (фиг. 8).

Ориз. 8. Разпределение на абсорбираната енергийна плътност в роговия слой и епидермиса върху областта на кожата без частици и използване на TiO2 наночастици с размер 122 nm, = 400 nm. Дебелината на повърхностния слой, съдържащ наночастици, е 1 μm. Дебелината на роговия слой е 20 микрона.

На фиг. Фигура 9 показва динамиката на температурните промени на повърхността на кожата без частици и използване на 1% и 5% примеси от титанов диоксид в роговия слой. IN този случайе взето предвид граничното условие, което осигурява изтичане на енергия вътре в тъканта, поради притока на кръв в капилярите (вътрешен радиатор) и поддържа температурна стойност - 37 0С вътре в кожата на дълбочина 500 микрона.

Вижда се, че вече от 10 -ата секунда на излагане на радиация върху кожата температурата се стабилизира, както с използването на наночастици TiO2 диоксид TiO2 в роговия слой, така и без тях (фиг. 9).

Ориз. 9. Температурна динамика на повърхността на кожата при липса на частици и използване на TiO2 наночастици с размер 62 nm в роговия слой, = 310 nm. Дебелината на повърхностния слой, съдържащ наночастици, е 1 μm. Вътре в кожата има източване на енергия.

Резултатите от симулацията показват, че високите стойности на плътността на абсорбираната енергия в горните слоеве на кожата водят до тяхното значително загряване. По този начин, когато се използва 5% примес от наночастици TiO2 диоксид TiO2 в роговия слой, стойността на абсорбираната енергийна плътност на повърхността на кожата достига 1000 J / cm3 при = 310 nm. Дебелината на този "горещ" слой обаче е само 1 µm; въпреки че този слой генерира по -голямата част от топлината, той бързо се прехвърля в други части на околната среда и получената температура намалява. Повърхностната температура на кожата, роговият слой на която не съдържа наночастици, се образува поради топлината, идваща от дълбочината на тъканта, където прониква по -голямата част от енергията и където количеството погълната енергия е по -високо. Подобен ефект, но в много по -малка степен, се наблюдава при дължината на вълната на излъчване = 400 nm, която е близка до оптичния диапазон (фиг. 10).

Ориз. 10. Температурна динамика на повърхността на кожата при липса на частици и използване на TiO2 наночастици с размер 122 nm в роговия слой, = 400 nm. Дебелината на повърхностния слой, съдържащ наночастици, е 1 μm. Вътре в кожата има източване на енергия.

Разработеният модел даде възможност да се анализира влиянието на повърхностния радиатор върху температурното поле на повърхностния слой на кожата.

Показано е, че без включване на дренаж върху повърхността на кожата, температурата се формира най -вече поради енергията, абсорбирана в повърхностния слой. Когато е включен достатъчно мощен повърхностен дренаж, температурата върху повърхността на тъканта образува топлината, идваща от подлежащите слоеве; в същото време максималната температура намалява.

Грешката на получените резултати се изчислява като претеглена разлика между максималните стойности на абсорбираната енергийна плътност и температура в целия регион и е по -малка от един процент.

Анализът на получените резултати от проведеното моделиране на термичната реакция на кожата към UV облъчване показа ефективността от използването на наночастици при разработването на фотозащитни препарати на повърхността на кожата.

Разработеният изчислителен модел беше използван и за изследване на температурния ефект на инфрачервена лазерна пинцета (= 1064 nm) върху червените кръвни клетки - еритроцитите. За по -лесно изследване, клетката е суспендирана във вода и представлява еднаква сфера с диаметър 7 микрона, състояща се изцяло от хемоглобин. Клетъчната мембрана не беше взета предвид при симулацията поради много малката й дебелина, от порядъка на 10 nm. Клетката е изложена на фокусиран лазерен лъч с диаметър 1 μm и мощност 100 mW. Получените резултати са в добро съгласие с известните експериментални данни.

ПетоГлавата е посветена на прилагането на разработения модел за решаване на конкретен проблем, а именно изчисляване на термичните полета в твърдите тъкани, по -специално дентина, и определяне интензитета на лазерното лъчение за получаване на критичните температури, необходими за процеса на аблация в тези среди .

За прилагане на многоизмерния математически модел беше избрана методология с крайни елементи.

Дентин, основната тъкан на зъба, е избран за изпитвателен материал. Дентинът е сходен по състав и здравина с костната тъкан. Съдържа 72% неорганични, 28% органична материяи вода.

Поради факта, че точно физически характеристикиот представените слоеве все още не са определени, тогава за простота се разглежда двуслоен модел. Всеки слой се определя от постоянни, независимо определени оптико-физични характеристики. За да нанесете минимални наранявания, използвайте лазерно лъчение с най -ниска дълбочина на проникване. Експериментът показва, че този проблем се решава с помощта на лазери с инфрачервено излъчване.

Ще изхождаме от следните предположения:

- термофизичните характеристики за различни части на зъба (емайл, дентин, пулпа) са постоянни и не зависят от температурата;

- когато описваме оптичните свойства, ще приемем, че всяка част от зъба се характеризира със собствени стойности на оптичните константи (коефициент на поглъщане), които не зависят от интензивността на лазерното излъчване.

Изчисляването на светлинното поле, образувано по време на разсейването на лазерното лъчение върху нехомогенностите на зъбната тъкан (микроинклюзии, одонтобластни процеси и др.), И отчитането му при моделиране на процеса на разрушаване е сложен многопараметричен проблем. Днес подобно изчисление е изключително трудно поради липсата на надеждна информация за оптичните константи на твърдите тъкани и няма да бъде взето предвид при моделирането на процеса на термично разрушаване.

Следователно се приема, че светлината в биологичната тъкан е отслабена съгласно закона на Бугер, докато приносът за константата на затихване на светлината в процесите на разсейване, абсорбция, вълноводни ефекти и т.н. не е подробен.

Използвайки алгоритмите, описани в глави 2 и 4, беше получено разпределението на температурата. След това се определя количеството на отстраненото вещество. Според закона на Арениус:

където w е честотният фактор;

Ea е енергията на активиране;

R е универсалната газова константа.

Стойността варира от 0 до 1. Неговата физически смисъл- мярката за разрушаване на веществото в точката (x, y, z) през времето (t-t0). Експериментът показва, че в, веществото може да се счита за отдалечено.

На фиг. 11 показва разпределението на температурата по повърхността на средата, фиг. 12 - разпределение на температурата в централната част на района. Интензитетът на лазерното излъчване е 5 kW · cm-2.

Ориз. 11. Разпределение на температурата по повърхността на средата в момент t = 70 ms.

Получените резултати са в добро съгласие с известните експериментални данни. Вижда се, че повишаването на температурата не е локализирано на повърхността: в средата се наблюдава доста силно повишаване на температурата. Изследванията показват, че процесът на лазерна аблация започва при температурен праг от 320 ° C и следователно на повърхността се поддържа постоянна температура. На фиг. 13 показва развитието на температурата в точка на повърхността.

Ориз. 12. Разпределение на температурата в централната секция
площ в момент t = 70 ms.

Ориз. 13. Еволюция във времето на повърхностната температура
разглеждана област.

Получените резултати върху обема на отстраненото вещество са показани на фиг. четиринадесет.

Ориз. 14. Зависимост на количеството на отстраненото вещество от времето.

В арестаосновните резултати, получени са обобщени.

Основният резултат от работата е създаването на нов физико -математически модел на взаимодействие на лазерното лъчение с многослойни биологични материали от всякаква геометрия, който позволява използването на редица инструменти за създаване на изчислителни области, състоящи се от много компоненти с различни форми и размери . Това значително отличава този модел от известните, които използват равнинно-паралелни и непрекъснати хомогенни изчислителни области. При изчисленията могат да се използват всякакви параметри на средата и различни включвания, например наночастици.

Бяха получени редица фундаментални теоретични резултати, от които следва да се отбележи следното:

Предложен е физико-математически модел на разпространение на лазерно лъчение в среди с произволна асиметрична геометрия, включително затворени вътрешни неоднородности със сложна форма.

Въз основа на този модел е разработен алгоритъм за изчисляване на разпределението на абсорбираната енергийна плътност за различни диапазони на лазерно излъчване, когато се разпространява в многослойни среди с произволна асиметрична геометрия на изчислителната среда с включване на затворени вътрешни неоднородности на сложна форма, използвайки триизмерния метод Монте Карло и разделяне на крайни елементи.

Алгоритъмът, използван в тази работа, може да се използва за диагностициране на структурни промени в биологичната тъкан с произволна затворена геометрия, както и за изчисляване на температурните полета и границите на зоната на разрушаване по време на лазерната терапия.

Разглеждат се и анализират основните механизми на взаимодействие на лазерно лъчение с различна интензивност с многослойни биологични тъкани. Въз основа на това се извършва теоретичен анализ на условията за протичане и протичане на топлинни процеси в тях. Оценява се възможността за приложимост на разработения модел за изследване на топлинните натоварвания на многослойни тъкани, характерни за процесите на фото- и плазмено-индуцирана аблация в тях.

Предложен е модел за определяне на температурния отговор на многослойни биологични тъкани с включване на наночастици към UV облъчване. Еволюцията на промените в плътността на погълнатата светлинна енергия и температурните полета се анализира в зависимост от дължината на вълната на падащото излъчване, концентрацията и дислокацията на наночастици, вписани в кожата.

Изчислява се термичните полета в твърди биологични тъкани, произтичащи от излагане на лазер, и се определя интензитетът на лазерното излъчване при критичните температури, необходими за процеса на аблация в тези среди.

Цитирана литература

1. Ишимару А. Разпространение и разсейване на вълни в произволно нехомогенни среди. - М.: Мир, 1981.- 280 с.
2. Srinivasan R., Mayne-Banton V. Саморазвиващо се фотоецване на поли (етилен терефталат) филми чрез далечно ултравиолетово ексимерно лазерно излъчване. // Приложение. Phys. Lett. - 1982. - Т. 41. - С. 576-578
3. В. В. Шайдуров Методи с многорешетни крайни елементи. - М.: Наука, 1989.- 288с.
4. Тучин В.В. Тъканна оптика - Белингам: SPIE Press, 2000.
5. Тучин В.В. Ръководство за оптична биомедицинска диагностика - Белингам: SPIE Press, 2002.
6. Щербаков Ю.Н., Якунин А.Н., Ярославски И.В., Тучин В.В. Моделиране на топлинни процеси при взаимодействие на некоагулиращо лазерно лъчение с многослойна биологична тъкан. - Оптика и спектроскопия. - 1994, том 76, № 5, C. 845-850.

СПИСЪК НА ОСНОВНИТЕ ПУБЛИКАЦИИ

1. Сетейкин А.Ю., Гавриленко В.Н. ., Крохина Н.А. Дозиметрия на лазерни лъчи с ниска интензивност в биоматериали. // Бюлетин на AmSU. - Благовещенск. - 1999. - Брой 6. - С. 24-27.
2. Сетейкин А.Ю., Гавриленко В.Н. . Характеристики на разпределението на лазерното лъчение в многослойни биоматериали. Предпечат. - Благовещенск: AmSU. - 2000.- 60 стр.
3. Сетейкин А.Ю., Гавриленко В.Н. . Автоматизирана дозиметрична система на лазерни лъчи при взаимодействие с многослойни материали // Сборник от III Международна научно -техническа конференция „Квантова електроника“ - Минск, 2000. - с. 193-194.
4. Сетейкин А.Ю., Гершевич М.М. Моделиране на разпространението на лазерно лъчение в многослойни материали // Благовещенск: Бюлетин на AmSU. - 2001. - No 11. - С. 26-28.
5. Сетейкин А.Ю., Ершов И.А. Модел на структурата на прозрачната леща на окото за проблема с разсейването на лазерното лъчение в прозрачни биологични тъкани // Материали на първата междурегионална Амур научно -практическа конференция„Химия и химическо образование в началото на века“. - Благовещенск: БДПУ. - 2001.- С. 110-111.
6. Сетейкин А.Ю., Ершов И.А. Моделиране на разсейване на светлината в прозрачни биологични тъкани със сферични неоднородности // Бюлетин на AmSU. - 2001. - No 13. - С. 18-20.
7. Сетейкин А.Ю., Ершов И.А. Ефекти от многократно разсейване в прозрачната леща на окото по време на лазерна диагностика // Бюлетин на AmSU. - 2001. - No 15. - С. 29-30.
8. Сетейкин А. Ю., Ершов И. А., Гершевич М. М. Моделиране на процесите на взаимодействие на лазерни лъчи с ниска интензивност с многослойни биоматериали // Вестник за техническа физика. - 2002. - Т. 72. - Брой 1. - С. 110-114.
9. Сетейкин А. Ю. Приложение на метода Монте Карло за моделиране на спектрите на отражение на оптичното излъчване от произволно нехомогенни многослойни силно разсейващи и поглъщащи светлинни среди // Бюлетин на AmSU. - 2002. - No 19. - С. 24-27.
10. Сетейкин А. Ю. Симулиране на процесите на разсейване на лазерното лъчение в многослойни биоматериали по метода Монте Карло // Информатика и системи за управление. - 2003. - No 2. - С. 31-37.
11. Сетейкин А. Ю. Анализ на разпространението на лазерно лъчение в многослойни биоматериали по метода Монте Карло // Бюлетин на научните съобщения. - Хабаровск: Издателство на Далекоизточния държавен икономически университет. - 2004. - No 8. - С. 22-28.
12. Сетейкин А. Ю. Използването на метода Монте Карло за моделиране на отражателните спектри на оптичното излъчване от произволно нехомогенни многослойни силно разсейващи и поглъщащи светлинни среди // Сборник научни трудове"Оптика на кристалите". - Хабаровск: Издателство на Далекоизточния държавен икономически университет. - 2004.- С. 34-43
13. Гавриленко В. Н., Сетейкин А. Ю. Отчитане на процесите на разсейване при взаимодействието на лазерното лъчение с прозрачни биологични материали // Материали на Международната конференция "Лазерно -оптични технологии в биологията и медицината" - Минск: Институт по физика на Националната академия на науките на Беларус, 2004. –S .245-249.
14. Сетейкин А. Ю. Изчисляване на температурните полета с него лазерното облъчване върху биоматериали // ПРОИЗВОДСТВА на Четвъртата азиатско-тихоокеанска конференция "Фундаментален проблем на опто- и микроелектрониката" (APCOM 2004). - DVGUPS: Хабаровск. - 2004. - С. 459-464.
15. Сетейкин А. Ю. Анализ по метода Монте Карло на разпространението на лазерно лъчение в многослойни биоматериали // Известия вузов. Физика.- 2005.- No 3.- С.53-57.
16. Сетейкин А. Ю. Модел за изчисляване на температурните полета, произтичащи от действието на лазерното лъчение върху многослойна биологична тъкан // Оптично списание.- 2005. - Т.72. - No7. - S.42-47.
17. Сетейкин А. Ю. Оптично-термофизичен модел на взаимодействие на лазерното лъчение с многослойни материали // Известия на университетите. Физика.- 2005. - No 6. Приложение. - С. 99-101.
18. Сетейкин А.Ю., Красников И.В. Изчисляване на температурните полета, произтичащи от взаимодействието на лазерното лъчение с многослоен биоматериал // Сборник от петата регионална научна конференция "Физика: фундаментални и приложни изследвания, образование". - Хабаровск: Тихоокеанско държавно издателство. Университет, 2005. - С.32-33.
19. Сетейкин А.Ю., Красников И.В. Топлофизичен модел на взаимодействие на лазерното лъчение с многослойна биологична тъкан // Бюлетин на AmSU. Поредица "Естествени и икономически науки". - 2005. - Брой 31. - С.13-15.
20. Сетейкин А. Ю. Анализ по метода Монте Карло на разпространението на лазерно лъчение в многослойни биоматериали // Оптика и спектроскопия.– 2005. - Т.99. - Брой 4. - S.685-689.
21. Сетейкин А.Ю., Красников И.В. Изчисляване на температурния ефект на лазерното лъчение с ниска интензивност върху многослойна биологична тъкан // Материали на Международния симпозиум „Принципи и процеси на създаване на неорганични материали (Трети Самсонови показания)“. - Хабаровск: Тихоокеанско държавно издателство. не-това. - 2006.- С.304-306.
22. Сетейкин А.Ю., Красников И.В. Изчисляване на температурните полета, произтичащи от взаимодействието на лазерното лъчение с многослоен биоматериал // Оптично списание.- 2006. - Т.73. - No3. - S.31-34.
23. Сетейкин А.Ю., Красников И.В. Анализ на топлинните ефекти, произтичащи от взаимодействието на лазерното лъчение с многослоен биоматериал // Известия на университетите. Физика.– 2006. - No10. - С. 90-94.
24. Сетейкин А.Ю., Красников И.В. За топлинните ефекти под действието на лазерното лъчение върху биологичната тъкан // Материали на шестата регионална научна конференция „Физика, фундаментални и приложни изследвания, образование”. - Благовещенск: AmSU. - 2006.- С. 104-106.
25. Сетейкин А.Ю., Красников И.В., Фогел Н.И. Описание на ефекта от лазерното лъчение върху кожата по метода Монте Карло // Сборник от научната сесия MEPhI-2007. - М.: MEPhI. - 2007.- С. 117-118.
26. Сетейкин А.Ю., Красников И.В. Изследвайте термичното влияние на лазерното лъчение върху кожа с нетривиална геометрия // Производство на SPIE. – 2007. - Т. 6826. - С. 127-131.
27. Сетейкин А.Ю., Красников И.В., Фогел Н.И. Моделиране на температурни полета, като се вземе предвид разпространението на светлината в биологичната тъкан // Известия на университетите. Инструментиране... –2007 г. –Т.50. - No9. - С.24-28.
28. Сетейкин А. Ю., Кривцун А. М. Моделиране на разпространението на оптично излъчване в среда с пространствено променливи параметри // Известия на Амурския държавен университет. - 2008. - Бр. 41.-С. 12-13.
29. Минайлов А. В., Сетейкин А. Ю. За изследване на течни многокомпонентни биологични среди чрез оптико-акустични методи // Бюлетин на АМСУ. - 2008. - Бр. 41.-С. 14-15.
30. Аверянов Ю. Г., Сетейкин А. Ю. Лазерна аблация на биологични тъкани // Известия на АМСУ. - 2008. - Бр. 41.-С. 31-32.
31. Seteikin A. Yu., Krasnikov I. V., Foth H.-J. Анализ на възникващите топлинни натоварвания в биологична тъкан, облъчена с лазерно излъчване в инфрачервения диапазон // Сборник от Международния оптичен конгрес „Оптика - XXI век“. - Том 1. „Основни проблеми на оптиката - 2008“. - СПб., 2008. - С. 119-120.
32. Павлов М. С., Сетейкин А. Ю. Приложение на триизмерна модификация на метода Монте Карло за моделиране на разпространението на светлина в биологичните тъкани. // Сборник от Международния оптичен конгрес „Оптика - XXI век“. - Том 1. „Основни проблеми на оптиката - 2008“. - СПб., 2008. - С. 120-121.
33. Храмцов И. И., Сетейкин А. Ю. Моделиране на процеса на лазерна аблация на зъб въз основа на термичен модел. // Сборник от Международния оптичен конгрес „Оптика - XXI век“. - Том 1. „Основни проблеми на оптиката - 2008“. - СПб., 2008. - С.248.
34. Seteikin A. Yu., Krasnikov I. V., Foth H.-J. Експериментални изследваниятермичен ефект на лазерното лъчение върху биологичните тъкани. // Бюлетин на SPBO AIN. - СПб.: Издателство на Политехническия университет. - 2008. - Бр. 4. - S.273-277.
35. Сетейкин А. Ю., Красников И. В., Павлов М. С. Триизмерен модел на разпространение на светлина в биологичните тъкани. // Научни и технически изявления на СПбГПУ.Поредица по физика и математика, 2008. - Брой 6. - С. 120-123.
36. Сетейкин А.Ю., Кривцун А.М. Изследване на процеса на взаимодействие на радиацията с биологични тъкани, съдържащи оптични неоднородности // Сборник доклади от 19 -та международна конференция „Лазери. Измервания. Информация. 2009 ", СПб.: Издателство на Политехника. ун-та, 2009. –Т 1.-С.245-254.
37. Сетейкин А.Ю., Красников И.В., Попов А.П. Изследване на топлинните ефекти на UV лъчението върху човешката кожа с включването на наночастици от титанов оксид // Сборник от 19 -та международна конференция „Лазери. Измервания. Информация. 2009 ", СПб.: Издателство на Политехника. Университет, 2009. –Т 1. - С.254-268.
38. Сетейкин А.Ю., Храмцов И.И. Изследване на процеса на лазерна аблация на биологична тъкан под въздействието на ултракъси лазерни импулси // Материали на VIII регионална научна конференция "Физика: фундаментални и приложни изследвания, образование". - Благовещенск: Амурска държава. ун-т., 2009-стр. 250-253.
39. Сетейкин А.Ю., Павлов М.С. Моделиране на процесите на разпространение на лазерно лъчение в биологични многокомпонентни тъкани // Материали на VIII регионална научна конференция "Физика: фундаментални и приложни изследвания, образование". - Благовещенск: Амурска държава. ун-т., 2009-С. 307-310.
40. Сетейкин А.Ю., Красников И.В., Попов А.П. Изследване на термозащитните свойства на наночастиците TiO2, въведени в кожата при облъчване с UV-A и UV-B светлина. Сборник от VIII регионална научна конференция "Физика: основни и приложни изследвания, образование". - Благовещенск: Амурска държава. ун-т., 2009-стр. 322-326.
41. Сетейкин А.Ю., Красников И.В., Попов А.П. Методология за изчисляване на температурния отговор на биологичните тъкани с помощта на наночастици при облъчване с UV-A и UV-B светлинни диапазони // Методология GSSSD MR 150-2009. Рос. научно -технически информационен център за стандартизация, метрология и оценка на съответствието. - М., 2009.- 40 с.: Ил. 18.bibliogr. име 24 - Рус. име Dep. във ФГУП "Стандартинформ".
42. Сетейкин А. Ю., Красников И. В., Попов А. П., Фотиади А. Е. Температурна реакция на биотъкани, съдържащи наночастици, на облъчване с UV-A и UV-B светлина. // Научно -технически бюлетин на СПбДПУ, поредица „Физика и математика“.– 2009. - Брой 1. - С. 113-118.
43. Красников И.В., Сетейкин А.Ю., Попов А.П. Промяна на слънчевите и топлозащитни свойства на човешката кожа чрез въвеждане на наночастици от титанов диоксид // Оптика и спектроскопия.– 2010. - Т. 109, No 2. - С. 332-337.
44. Сетейкин А.Ю., Привалов В.Е. Фотоаблация на биологични тъкани // Известия на Санкт Петербургския университет.– 2010. - Сер. 11. Брой 2. - С. 225-237.
45. Фадеев Д.А., Сетейкин А. Ю. Анализ на многократно разсейване на лазерното лъчение в биологични среди с пространствени флуктуации на оптичните параметри // Научно -технически бюлетин на СПбГПУ, изд. „Физико -математически науки“.– 2010. - Брой 2. - С. 102-106.
46. Красников И., Сетейкин А., Бернхард И. Термичните процеси в червените кръвни клетки, изложени на инфрачервена лазерна пинсета (= 1064 nm) // Вестник по биофотоника. - 2011. - Т. 4., No 3. - С. 206-212.
47. Сетейкин А. Ю., Красников И. В., Павлов М. С. Симулиране на разпространението на оптично излъчване по метода Монте Карло в биологични среди със затворени вътрешни неоднородности // Оптично списание - 2010. - Брой 77., No 10. - С. 15-19.

49. Красников И., Сетейкин А., Бернхард И. Симулиране на пропагация на лазерна светлина и термични процеси в червените кръвни клетки, изложени на инфрачервена лазерна пинсета (= 1064 nm) // Оптична памет и невронни мрежи (информационна оптика) - 2010. - Т. 19., No 4. - С. 330-337.

50. Кривцун А. М., Сетейкин А. Ю. Анализ на разпространението на оптичното излъчване в биологични среди с помощта на изчисления върху графични процесори // Научни и технически изявления на СПбГПУ, Поредица от физически и математически науки, 2011, брой 1, стр. 55-61.

51. Сетейкин А.Ю., Попов А.П. Взаимодействие на светлината с биологични тъкани и наночастици // LAP Lambert Academic Publishing - 2011-212 стр.

Подобни произведения:

04/01/08 - Физика на плазмата Резюме на дисертацията за степен на кандидат на физико -математическите науки Нижни Новгород - 2007 Работата е извършена в Института по приложна физика на РАН (Нижни Новгород). Научен ръководител: кандидат на физико -математическите науки, В. Г. Зорин Официален ... "

«МУХИН Дмитрий Николаевич Статистически подход към реконструкцията на динамични системи въз основа на шумни данни 01.04.03 - радиофизика Резюме на дисертацията за степен на кандидат на физико -математическите науки Нижни Новгород - 2007 Работата е извършена в Института по приложна физика на Руската академия на науките (Нижни Новгород). Научен ръководител: доктор на физико -математическите науки, А.М. Фейгин. Официални опоненти: доктор на физико -математическите науки, ... "

„КОНОНОВ Николай Кирилович РАЗВИТИЕ НА МЕТОДИ ЗА ПОЛУЧАВАНЕ И ЦИФРОВА ОБРАБОТКА НА РЕНТГЕНОВИ ИЗОБРАЖЕНИЯ. 01.04.01 - устройства и методи на експерименталната физика АНОТАЦИЯ от дисертацията за степен на кандидат на физико -математическите науки Москва - 2006. Работата е извършена в лабораторията за фотоядрени реакции на Института ядрени изследвания RAS. Научен ръководител: доктор по физика и математика В.Г. Недорезов, INR RAS. Официален ... "

«ДЕНИСОВ АНДРЕЙ НИКОЛАЕВИЧ Компютърно моделиране на фоновите условия в експеримента GERDA и радиационните условия на лунната повърхност 01.04.16 физика на атомното ядро ​​и елементарни частици АНОТАЦИЯ от дисертацията за степен на кандидат на физико -математическите науки МОСКВА 2010 Работа, извършена на институтът на Руската академия на науките Институт за ядрени изследвания РАН, Москва Научен ръководител: доктор на физико -математическите науки Н. М. Соболевски (INR RAS) Професор ... "

“.. ()“ ”.04.16 - §, ¦ -2013 ... () Авагян Арутюн Робертович„ Изследване на спиновите и азимуталните асиметрии по време на електропроизводството ”АНОТАЦИЯ Дисертация за доктор на физико -математическите науки, специалност 01.04.16“ Ядра на физиката, ... "

Материали, използвани в енергетиката и космическото инженерство. 01.04.01 - устройства и методи на експерименталната физика Резюме на дипломната работа за степен на кандидат на физико -математическите науки Москва -2007 г. Работата е извършена в лабораторията на йонната и ... "

«Князева Татяна Николаевна Методи за обработка на нестационарни експериментални данни с помощта на вълнообразно преобразуване 01.04.01 - Инструменти и методи за експериментална физика АНОТАЦИЯ от дисертацията за степен на кандидат на физико -математическите науки Св. Електротехнически университет" Научен ръководител: доктор по физика и Математически науки Новиков Лев Василиевич Официален ... "

«ГОШОКОВ Руслан Мухамедович Параметрично рентгеново излъчване на протони в силициеви монокристали и неговото приложение за образуване на рентгенов лъч върху протонни ускорители 04/01/07-физика на кондензираната материя Резюме на дисертацията за степен на кандидат на физико -математически науки Налчик - 2010 Работата е извършена в ГОУ ВПО Карачаево -Черкесска държавна технологична академия Научен ръководител: доктор на физико -математическите науки, ... "

«Шибков Сергей Викторович МОДЕЛ НА НЕЛИНЕЙНАТА ПЛАСКА НА ЙОНИ В СПЕКТРОМЕТРИЯТА НА УВЕЛИЧАВАНЕ НА МОБИЛНОСТ НА ЙОНИ 01.04.01 - устройства и методи на експерименталната физика Резюме на дипломната работа за степен на кандидат на физико -математическите науки Москва - 2007 Работата е направена на Институт по криптография, комуникации и информатика на Академията на ФСБ на Русия: доктор на физико -математическите науки, С. Д. Бенеславски ... "

"Киановски Станислав ИЗСЛЕДВАНЕ НА ПРЕДШЕСТВОТО В ЕКСПЕРИМЕНТИТЕ Търсене без неутрино за двойно бета-разпадане 76Ge от космически лъчи и естествен радиоактивен ИЗПОЛЗВАНЕ на експериментални сечения на радиоактивни 74As, 68Ge, 65Zn 60Co И ПОД високоенергийни протони 01.04.16. - физика на атомното ядро ​​и елементарни частици АНОТАЦИЯ от дипломната работа за степен на кандидат на физико -математическите науки Москва 2010 Работа ... "

«КАШЕРИНИНОВ Петър Георгиевич Оптични носители за запис на базата на полупроводникови M (TI) S-структури с тънък тунел диелектрик (TI). 04/01/10 - физика на полупроводниците. Резюме на дисертация за степен доктор на физико -математическите науки Санкт Петербург 2011 г. Работата е извършена в института на Руската академия на науките към Физико-техническия институт на името на V.I. A.F. Официални опоненти на Ioffe RAS: доктор по физика и математика ... "

„КЛЕЩЕНКОВ АНАТОЛ БОРИСОВИЧ Електродинамични МЕТОДИ НА АНАЛИЗ НА ВИБРАТОРНИ РАДИАТОРИ В МНОГОСЛАЙНА СРЕДА 04/01/03 Радиофизика Автореферат на дисертацията за степен кандидат на физико-математическите науки в катедра„ Ростов на Дон ”2007 г. Професионален държавен факултет по приложна физика и компютърно образование Южен федерален университет ... "

„Миронова Татяна Василиевна ОСОБЕНОСТИ НА ВЗАИМОДЕЙСТВИЕТО на Fe, Ni, Ti, Cu С АТОМИТЕ НА ИНТЕГРАЦИЯ C, N, O ПОД ИМПУЛС ВЪЗДЕЙСТВО Специалност 01.04.07 - Физика на кондензираната материя АБСТРАКТ Дисертация за степен на кандидат на физико -математическите науки Самара - 2011 HPE Самарски държавен технически университет НАУКЕН РЪКОВОДЕЦ: Доктор на физико -математическите науки, професор Shterenberg A.M. ОФИЦИАЛНИ ПРОТНИЦИ: Докторе ... "

«КУДРИН Алексей Михайлович Транспортни свойства на някои нанохетерогенни системи метал -диелектрик и метал -полупроводник Специалност: 04/01/07 - Физика на кондензираната материя АНОТАЦИЯ от дисертацията за степен кандидат на физико -математическите науки Воронеж - 2010 Работа, извършена в ГОУ VPO Воронежки държавен технически университет Научен съветник доктор на физико -математическите науки, професор Калинин Юрий Егорович Официални опоненти: ... "

«Руденко Алексей Иванович НЕЛИНЕЙНИ СТАЦИОНАРНИ ВЪЛНИ ВЪРХУ СРИЖЕНОТО ХОРИЗОНТАЛНО ПОТОК НА ТЕЧНОСТ 04.01.02 - теоретична физика Резюме на дипломната работа за степен на кандидат физико -математически науки Калининград - 2007 Работата е направена във ФГОУ ВПИ Калининградски държавен технически университет по математика Професор Зайцев Анатолий Алексеевич Официални опоненти: доктор на физико -математическите науки, ... "

„ЧЕРНОВ ВИТАЛИЙ ВЛАДИСЛАВОВИЧ УВЕЛЯНЯВАНЕ И НАМОКВАНЕ С ПРОВОДНИ ТЕЧНИ ФАЗИ ПОВЪРХНОСТИ НА ТВЪРДИТЕЛНИ ТЕЛА В МАГНИТНИ ПОЛЕТА 01.04.14 - ТЕПЛОВА ФИЗИКА И ТЕОРЕТИЧНО ТЕПЛОИЗМЕРВАНЕ РЕЗЮМЕ на Държавния университет на науката за катедра по физика и математика след катедра „Физика и математика на Нанокарда“ 2006 г. към катедра „Физика и математика“. ХМ Бербекова Научен ръководител: доктор на физико -математическите науки, професор Созаев Виктор ... "

«Джилавян Леонид Завенович Генериране на позитрони и квазимонохроматични фотони от унищожаване на позитрони в движение за изследване на гигантски резонанси в атомни ядра 04/01/01 - устройства и методи на експерименталната физика АНОТАЦИЯ от дисертация за степен на кандидат на физико -математически науки Москва - 2011 Работа, извършена в Института на Руската академия на науките Институт за ядрени изследвания, РАН. Академичен ръководител: Официални опоненти: Водещи ... "

«ШАГАЕВ Владимир Василевич МАГНЕТОДИПОЛНИ ВИБРАЦИИ И ВЪЛНИ В ПЛАНАРНИ ФЕРЕРИТИ: СТРУКТУРНО -УСЛОВНИ ХАРАКТЕРИСТИКИ ХАРАКТЕРИСТИКИ Специалност 01.04.11 - физика на магнитните явления Анотация на дисертацията за научна степен доктор на физико -математическите институти Москва - 2009 материали и технологии Московски държавен институт по електроника и математика ... "

Целта на оптичните системи в лазерните системи е следната:

- производство на оптични резонатори и получаване на лазерно излъчване,

- предаване на енергия от лазерно лъчение до мястото на третиране,

- регулиране на радиационните параметри,

- образуване на светлинен лъч с висока плътност на мощността (фокусиране),

- насочване на радиация към обработената точка,

- контрол върху процеса на обработка и оценка на резултатите от него.

Оптичните системи съдържат следните основни елементи:

- фокусиране - лещи, цели,

- отразяващи елементи - огледала, скенери,

- пречупване - призми за пълно отражение, оптични дефлектори (устройства, позволяващи разделяне на един лъч на няколко лъча),

- регулиране на радиацията - оптични капаци и др.,

- предаване на световоди.

Фокусиращи елементислужат за промяна на диаметъра на лазерния излъчващ лъч с цел промяна на плътността на мощността на излъчване. В технологичните инсталации по правило се изисква намаляване на диаметъра на лъча и увеличаване на плътността на мощността на излъчване, т.е. фокусира радиацията.

Най -простият и най -широко използван метод за фокусиране на лъчението е използването на единична леща (фиг.), Където f е фокусното разстояние, F е фокусната равнина на оптичната система.

Поради факта, че лазерното лъчение има известна дивергенция (макар и много малка), тя може да бъде фокусирана (намалена) до определен размер. Диаметърът на светлинното петно ​​на радиацията има най -малката стойност във фокалната равнина F и се определя по формулата:

Замествайки израза за θ, получаваме

(2.38)

На практика се наблюдава фокусиращо изкривяване (аберация)

Като се вземат предвид сферичните аберации

, (2.39)

където P * е изчислен параметър (определя се от размера и формата на лещата).

Познавайки енергията или мощността на лазерното излъчване W и, P и е възможно да се изчисли енергийната плътност или мощност във фокусираното място:

; . (2.40)

По -рано (вижте свойствата на лазерното излъчване) тези стойности бяха изчислени въз основа на диаметъра на лазерното лъчение. При фокусиране тези параметри се увеличават с няколко порядъка. На практика човек обикновено се стреми да намали диаметъра на радиационното петно.

От формула (2.39) се вижда, че за да се намали диаметърът на фокусираното радиационно петно, е необходимо да се намали фокусното разстояние. Това обаче може да се направи само до определени граници, тъй като ако разстоянието между лещата и фокусиращата повърхност е твърде малко, съществува риск от повреда на лещата (например пари и течни частици от обработения материал).

Следователно, за да се получи петно ​​с диаметър няколко микрона, се използва друг метод - нараствадиаметър на лъча с помощта на телескопична система - виж (2.39).

Диаметърът на светлинното петно ​​в този случай се определя, като се вземе предвид (2.39) по следната формула:

,

където Г> 1 е увеличението на телескопичната система.

Оптималното фокусно разстояние на обектива (при което се постига най -малкият диаметър на фокусираното петно) може да се определи по формулата:

(2.41)

Когато лазерното лъчение преминава, лещите на оптичната система се нагряват поради частично поглъщане на радиацията. Това може да доведе до термична деформация и повреда на оптичната система. Следователно плътността на мощността на излъчване не трябва да надвишава определени стойности, които позволяват дългосрочна нормална работа на части от оптичната система.

Допустимата плътност на мощността зависи от материала, от който са направени спиците, и дължината на вълната на излъчването.

- за фокусиране на излъчване с дължина на вълната 0,4 - 2 микрона (видими и близки инфрачервени спектри) се използват лещи, изработени от различни видове оптично стъкло. Допустимата плътност на мощността е ~ 10 3 W / cm 2.

- за излъчване с дължина на вълната 10,6 μm

(CO 2 лазери) Конвенционалните оптични материали са непрозрачни. Материалите за производство на лещи са:

- монокристали на соли на водоводородни киселини - NaCl, KBr, KCl и др.

Допустима плътност на мощността ~ 10 3 W / cm 2. Те са силно хигроскопични и имат кратък експлоатационен живот.

- полупроводникови кристали - германий, галиев арсенид и др. Допустимата плътност на мощността е 100 W / cm 2.

Когато мощността на излъчване надвишава допустимата, се използват или принудително въздушно или течно охлаждане на лещите, или системи за фокусиране, направени от огледала с метални покрития върху метална основа (с цел по -добро охлаждане). Основата е стъкло, мед, силиций. Покритие - злато, сребро, мед, никел, молибден, алуминий и др.

Отразяващи и пречупващи елементиоптичните системи служат за промяна на посоката на лазерното лъчение. Те се използват в оптични резонатори и системи за пренасяне на лазерно лъчение.

При дължина на вълната на лазерно лъчение от 0,4 - 2 μm, за тази цел се използват пълни вътрешни отражателни призми и огледала с многослойно диелектрично покритие (за увеличаване на коефициента на отражение и намаляване на разстоянието).

При дължина на вълната на излъчване 10,6 μm. те използват плоски, изпъкнали, вдлъбнати огледала с метално покритие (от злато и алуминий), които имат висока отражателна способност (~ 1). Чрез промяна на плътността на покритията можете да промените отразяващата способност, т.е. направете полупрозрачни огледала.

На практика често възниква проблемът с преместването на лазерния лъч по произволен контур. За това се използва система от подвижни плоски огледала (виж фиг.).

1 - лазерен излъчвател

2,3 - подвижни огледала

4 - обектив

5 - материал

Огледалата 2 и 3 и лещата 4 се движат заедно по оста X и само огледалото 3 и лещата 4 могат да се движат по оста Y.

Едновременното движение по осите X и Y ви позволява да получите произволен път на лъча.

С използването на огледала се произвеждат системи за сканиране с лазерен лъч, т.е. периодично да го движите по същата траектория.

Регулиращи елементиоптичните системи са проектирани да променят енергията, мощността на лазерното лъчение, неговите пространствени и времеви характеристики. Те включват

- оптични квантови усилватели - устройства, които увеличават енергията на лазерното импулсно излъчване. Всъщност това са лазери, при които те не се генерират спонтанно, а под въздействието на радиация от друг лазер. В резултат на това енергията на излъчване на оптичния усилвател се добавя към енергията на иницииращия радиационен импулс.

- устройства за регулиране на мощността на излъчване от нула до номиналната стойност - диаграми с променлив диаметър на блендата, сменяеми светлинни филтри с различни коефициенти на поглъщане, оптични капаци, модулатори, щори.

Следните видове порти се използват като порти за модулатори.

- електрооптичен (ефект на Понкелс), базиран на феномена на равнината на поляризация от някои вещества под въздействието на високо DC напрежение до 5 kV.

- механични капаци - въртящи се огледала до 30 000 об / мин.

- Наситените капаци на затвора се основават на явлението: при определена стойност на интензивността на излъчване някои органични багрила стават прозрачни.

- акустооптични капаци, кварцово стъкло и германий (за инфрачервения диапазон), когато са изложени на ултразвукови вълни, са придружени от големи загуби (разсейване) за лазерно излъчване и неговото генериране спира.

Капаците се монтират в резонатора. Освен това при изхода на лазерното лъчение от резонатора се използват механични капаци.

Предавателни елементиоптичните системи са проектирани да предават лазерно лъчение на разстояния до няколко десетки километри. - за тази цел използвайте влакна светлинни водачи.

В момента са известни голям брой световоди. Най -широко използваните оптични влакна от следния дизайн

Оптичното влакно се състои от сърцевина 1 с коефициент на пречупване n 1, обвивка 2 с коефициент на пречупване n 2> n 1 и защитна обвивка 3. Материали, използвани за производството: сърцевина, например, кварц с добавка на титан за увеличаване на коефициента на пречупване, облицовка от чист кварц ... Като цяло, за производството на тези светловодни елементи, в момента се използват голям брой различни видове стъкла и полимери; За защитната обвивка се използват различни лакове, полимери, метали, които предпазват влакното от външната среда (влага), повишават механичната якост и подобряват оптичните характеристики. Диаметърът на влакната варира от няколко десетки до няколкостотин микрона. Ядрото има диаметър от няколко микрона. до 1000 микрона. (1 мм.).

В оптичните влакна се използва явлението вътрешно пълно отражение (фиг.). На границата между двете среди възниква явлението пречупване и отражение на светлината. Когато светлинният поток преминава от среда с висок коефициент на пречупване n 1 към среда с n 2

. (2.42)

По този начин, ако когато светлинният поток влезе в сърцевината на влакното, той попада върху интерфейса с облицовката под ъгъл ≥ θ cr, тогава този поток се разпространява само в сърцевината.

Важна характеристика на влакното е отслабването на ефективността на светлинния поток при разпространение по влакното. Понастоящем са създадени оптични влакна с затихване ~ 1 dB / km.

Въпросът, който получаваме през цялото време, е: Възможно ли е да се симулира нагряването на вещества поради тяхното взаимодействие с лазерно излъчване в COMSOL Multiphysics? Отговорът, разбира се, зависи от това какъв проблем ще решите, тъй като различните методи за моделиране са подходящи за различни проблеми. Днес ще обсъдим различни подходи за симулиране на нагряването на материали, осветени от лазерно лъчение.

Въведение в моделирането на взаимодействието на лазерното излъчване с материята

Въпреки че има много различни видове лазерни източници на светлина, всички те са сходни, когато се разглеждат от гледна точка на това, което излъчват. Лазерното излъчване е концентрирано близо до една дължина на вълната и е кохерентно. По правило изходното излъчване също се фокусира в тесен колимиран лъч. Този колимиран, кохерентен и монохроматичен източник на светлина може да се използва като изключително точен източник на топлина в широк спектър от приложения, включително и.

Когато лазерното излъчване удари твърдо тяло, част от енергията му се абсорбира, което води до локално нагряване. Течностите и газовете (и плазмата), разбира се, също могат да се нагряват с лазери, но нагряването на течности почти винаги е придружено от силни конвекционни ефекти. В тази статия игнорираме конвекцията и се фокусираме върху нагряването на твърди частици.

Твърдите частици могат да бъдат частично или напълно непрозрачни за радиация на дължината на вълната на лазера. В зависимост от степента на прозрачност ще бъдат приложими различни подходи за симулиране на лазерен източник на топлина. Освен това трябва да се помни, че всички скали трябва да се сравняват с дължината на вълната на радиацията. Необходими са различни подходи за описание на фокусираната радиация и за относително широк лъч. Ако материалът, взаимодействащ с падащия лъч, има геометрични характеристики, сравними с дължината на вълната, е необходимо допълнително да се обмисли как лъчът ще взаимодейства с тези фини структури.

Преди да започнете да моделирате каквито и да било взаимодействия на лазерното лъчение с материята, първо трябва да определите оптичните свойства на материала, както на дължината на вълната на лазера, така и в инфрачервения диапазон. Също така трябва да знаете както относителните размери на обектите, които се нагряват, така и дължината на вълната на лазера и параметрите на лъча. Тази информация ще ви бъде полезна при избора на подходящ подход за моделиране на вашия проблем.

Повърхностни източници на топлина

В случай на материали, непрозрачни на дължината на вълната на лазера, или близо до тази, лазерното лъчение може да се разглежда като повърхностен източник на топлина. Най -лесният начин да направите това е като използвате функцията Депонирана мощност на лъча(показан по -долу), който е достъпен в модула за пренос на топлина версия 5.1 на COMSOL Multiphysics. Освен това е лесно също ръчно да се дефинира повърхностният източник на топлина, като се използва само ядрото COMSOL Multiphysics.

Повърхностният източник на топлина приема, че енергията на лъча се абсорбира в слой с незначителна дебелина в сравнение с размерите на обекта, който се нагрява. Стъпката на разделяне на мрежата от крайни елементи трябва да бъде достатъчна само за да се вземат предвид промените в температурното поле и размера на лазерното петно. Самото лазерно излъчване не е моделирано изрично и се приема, че частта от лазерното лъчение, отразено от материала, не се връща обратно. Когато използвате повърхностен източник на топлина, трябва ръчно да настроите коефициента на поглъщане на материала при дължината на вълната на лазера и съответно да мащабирате мощността на изходящия лъч.

Функция Deposition Deam Power в модула за пренос на топлина, използвана за симулиране на два кръстосани лазерни лъча. Показан е полученият повърхностен източник на топлина.

Насипни източници на топлина

В случай на частично прозрачни материали, по -голямата част от лазерната енергия ще бъде освободена в района, а не на повърхността, и всеки подход трябва да бъде подходящо обвързан с относителните геометрични размери на обектите и дължината на вълната.

Геометрична оптика

Ако размерът на нагретите обекти е много по -голям от дължината на вълната, но лазерното излъчване се сближава и се разминава, докато се разпространява през поредица от оптични елементи и евентуално се отразява от огледала, тогава функционалността ще бъде най -добрият избор. При този подход светлината се разглежда като лъч, разпространяващ се през абсорбираща, хомогенна и нехомогенна среда.
Тъй като радиацията се разпространява чрез абсорбиращи материали (т.е. оптични стъкла) и пресича интерфейсите, част от енергията ще бъде изразходвана за нагряване на материала. Абсорбцията в обема на областта се моделира с помощта на сложен показател на пречупване. В интерфейса можете да използвате коефициента на отражение или поглъщане. Всички тези свойства могат да зависят от температурата. За тези, които се интересуват от този подход, от нашата Галерия за приложения, ще осигурят добра отправна точка.

Лазерен лъч, фокусиран от система от две лещи. Нагряването на лещите поради разпространението на лазерно лъчение с висока интензивност измества точката на фокусиране.

Закон на Бугер-Ламбер-Бира

Ако размерът на нагретите обекти и лазерното петно ​​е много по -голям от дължината на вълната, тогава законът на Бугер - Ламбер - Бира е подходящ за моделиране на абсорбцията на радиация в материала. Този подход предполага, че лазерният лъч е напълно паралелен и еднопосочен.

Когато се използва законът на Бугер-Ламбер-Бира, коефициентът на поглъщане на материала и коефициентът на отражение от повърхността трябва да бъдат известни. И двата коефициента могат да бъдат функции на температурата. Съответната настройка на параметрите на такъв модел е описана по -рано в нашата статия в блога „Моделиране на взаимодействието на лазерното излъчване с материя въз основа на закона на Бугер - Ламбер - бира“.

Можете да използвате подхода Bouguer-Lambert-Beer, ако знаете интензивността на падащото лазерно излъчване и няма отражения на светлината вътре в материала и / или извън границите на обекта.

Лазерно нагряване на полупрозрачни твърди частици, симулирани с помощта на закона на Бугер-Ламбер-Бира.

Метод на обвивка на лъч

Ако нагрятата област е голяма, но лазерният лъч е остро фокусиран вътре в нея, нито геометричната оптика, нито подходът, базиран на закона на Бугер - Ламбер - Бира, не могат точно да изчислят полетата и загубите на енергия в близост до фокуса. Тези методи не решават директно уравненията на Максуел, а интерпретират светлината като съвкупност от лъчи. наличен в е най -подходящият избор в този случай.

Методът на обвивката на лъча решава системата от уравнения на Максуел за случая, когато амплитудата на вълновия пакет е бавно променяща се функция на координатите. Подходът работи, ако стойността на вълновия вектор в симулираната среда и приблизителната посока на разпространение на радиацията са приблизително известни. Този случай съответства на моделиране, както и на вълноводни структури, като или пръстеновиден резонатор. Тъй като посоката на лъча е известна, мрежата от крайни елементи може да бъде доста груба по посока на разпространение, като по този начин се намалят изчислителните разходи.

Фокусиран лазерен лъч, разпространяващ се в областта на вещество с цилиндрична симетрия. Интензитетът на входната повърхност и по протежение на оптичната ос в рамките на областта се показва графично според решетката на окото.

Методът на обвивката на лъча може да се комбинира с интерфейса чрез мултифизична връзка Електромагнитен източник на топлина... Тази връзка се установява автоматично, когато добавите интерфейс. в менюто Добавете физика.

ИнтерфейсЛазерно отопление добавя интерфейсиПликове с лъч иТоплопренос в твърди вещества и установява мултифизична връзка между тях.

Подход с пълна дължина на вълната

И накрая, ако структурата, която ще се нагрява, има размери, сравними с дължината на вълната, е необходимо да се реши системата на уравненията на Максуел без никакви предположения относно посоката на разпространение на лазерното лъчение в симулираното пространство. В този случай се нуждаем от интерфейс Електромагнитни вълни, честотна областкойто се предлага както в модула Wave Optics, така и в. В допълнение, RF модулът съдържа интерфейс Микровълново отопление(подобно на интерфейса Лазерно отоплениеописано по -горе) и обвързва интерфейса с интерфейс Топлопренос в твърди вещества... Въпреки името, RF модула и интерфейса Микровълново отоплениеподходящ за моделиране.

Подходът с пълна вълна изисква разделяне на мрежата от крайни елементи, необходима за разделянето на дължината на вълната на лазера. Тъй като лъчът може да бъде разпръснат във всяка посока, окото трябва да бъде достатъчно равномерно по отношение на размера на окото. Добър пример за използване на интерфейса Електромагнитни вълни, честотна областе: както е показано по -долу.

Нагряване на златна наносфера чрез лазерно излъчване. Загубата на радиация в сферата и величината на околното електрическо поле се показват според решетката на преградата.

Моделиране на топлопренос, конвекция и радиация в и около материал

Можете да използвате някой от петте предишни подхода, за да симулирате отделянето на енергия от лазерен източник в твърд материал. Симулирането на повишаване на температурата и топлинен поток в и около материала допълнително изисква интерфейс Топлопренос в твърди вещества... Наличен в сърцевината на софтуерния пакет, този интерфейс е проектиран да симулира пренос на топлина в твърди частици и да зададе подходящите гранични условия: фиксирана температура, топлоизолирана граница или наличие на топлинен поток през нея. Интерфейсът включва също различни гранични условия за симулиране на конвективен пренос на топлина към околната атмосфера или течност, както и радиационно охлаждане (поради радиация) в околната среда с известна температура.

Ако въпросният материал е прозрачен за лазерно излъчване, тогава най -вероятно той също е частично прозрачен за топлинно излъчване (инфрачервено). Това инфрачервено излъчване няма да бъде нито кохерентно, нито колимирано, така че не можем да използваме нито един от горните подходи, за да опишем повторно излъчване в полупрозрачни среди. Вместо това можем да използваме подхода за излъчване на разпределена среда. Този метод е предназначен за симулиране на топлопреминаване в материали, в които има значителен топлинен поток вътре в материала поради радиационния процес. Пример за такъв подход от нашата Галерия за приложения може да бъде.

Заключение

В тази статия разгледахме различните методи, налични в COMSOL Multiphysics за симулиране на лазерно нагряване на твърди материали. Бяха представени подходи за повърхностно и обемно отопление, заедно с кратък преглед на възможностите за моделиране на топлопреминаване. Досега сме разглеждали само нагряването на твърд материал, който не претърпява промяна във фазовото си състояние. Отоплението на течности и газове - и моделирането на фазовия преход - ще бъдат разгледани в следващите статии в този блог. Останете на линия!