Dopad laserového záření na materiály. Interakce laserového záření s látkou aproximace tepelného modelu laserového záření

Laser (z angličtiny. "Amplifikace světla stimulovaným emisím záření "-" Zisk světla stimulujícím zářením ") nebo optický kvantový generátor je speciální typ referenčního záření zdroje, vyzařující tělo ve kterém je inverzní a obydlené prostředí. Principy laseru jsou založeny na vlastnostechlaserové záření: monochromatická a vysoká soudržnost (prostorové a dočasné). T.také malá úhlová divergence je často připisována počtu radiačních funkcí (někdy můžete splnit termín "vysoký směr záření"), což nám umožňuje hovořit o vysoké intenzitě laserového záření. Aby bylo možné pochopit principy laserového operace, je nutné hovořit o charakteristických vlastnostech laserového záření a inverzního a osídleného média - jeden ze tří hlavních složek laseru.

Spektrum laserového záření. Monochromatismus.

Jedním z charakteristik záření jakéhokoliv zdroje je jeho spektrum. Slunce, Osvětlovací zařízení pro domácnost mají širokou škálu záření, ve kterých jsou komponenty s různými vlnovými délkami. Naše oko vnímá takové záření jako bílé světlo, pokud je intenzita různých složek u přibližně stejné, nebo jako světlo s nějakým odstínem (například ve světle našeho slunce, zelené a žluté komponenty dominují).

Laserové zdroje záření, naopak, mají velmi úzké spektrum. V některých aproximaci lze říci, že všechny fotony laserového záření mají stejné (nebo blízké) vlnové délky. Tak, záření ruby \u200b\u200blaseru, například má vlnovou délku 694,3 nm, což odpovídá světle červené odstínu. Poměrně zavřená vlnová délka (632,8 nm) má první plynový laser - helium-neon. Argon-ion plynový laser, naopak má vlnovou délku 488,0 nm, která je vnímána naším okem jako tyrkysová barva (meziprodukt mezi zelenou a modrou). Lasery na bázi sapphire dopovaných titanovým iontem mají vlnovou délku ležící v infračervené oblasti (obvykle v blízkosti vlnové délky 800 nm), takže jeho záření je pro člověka neviditelné. Některé lasery (například polovodič s rotující difrakční mřížkou jako výstupní zrcadlo) mohou znovu vytvořit vlnovou délku jeho záření. Společné pro všechny lasery je však, že většina jejich radiační energie se koncentruje v úzké spektrální oblasti. Tato vlastnost laserového záření se nazývá monochromatická (od řečtiny. "Jedna barva"). Na Obr. 1 pro ilustraci této vlastnosti, Sun Radiační spektra (na úrovni vnějších vrstev atmosféry a hladiny moře) a polovodičová laserová produkce společnostiThorlabs.

Obr. 1. Sluneční záření spektra a polovodičový laser.

Stupeň monochromatického laserového záření může být charakterizován spektrální šířkou laserové linie (šířka může být podávána jako detunování vlnové délky nebo frekvence z maximální intenzity). Spektrální šířka je typicky nastavena podle úrovně 1/2 (Fwhm), 1 / e nebo 1/10 z maximální intenzity. V některých moderních laserových instalacím se dosáhne šířka píku záření v několika kHz, což odpovídá šířce laserové linie v méně než jednu miliardu nanometr. Pro specialisty jsme si všimneme, že šířka laserové linie může být řádně šířka spontánního záření linie, která je také jedním z rozlišovacích vlastností laseru (ve srovnání, například s luminiscenčními a superlyuminiscenčními zdroji).

Soudržnost laserového záření

Monochromatismus je důležitý, ale ne jediný majetek laserového záření. Další rozhodující vlastnost laserového záření je její soudržnost. Obvykle hovoří o prostorové a časové soudržnosti.

Představte si, že laserový paprsek je rozdělen průsvitným zrcadlem v polovině: polovina energie paprsku prošla zrcadlem, druhá polovina se odrážela a šla do systému vodicích zrcátek (obr. 2). Poté je druhý paprsek opět snížen na první, ale s nějakým časovým zpožděním. Maximální doba zpoždění, ve které mohou svazky interiovat (tj. Interakce s fází záření, a nejen jeho intenzitou) a nazývá se doba soudržnosti laserového záření a délku prodlužovací cesty, kterou druhý paprsek v důsledku její odchylky - podélná délka soudržnost. Délka podélné soudržnosti moderních laserů může překročit kilometr, i když pro většinu aplikací (například pro průmyslové zpracování laserů) taková vysoká prostorová soudržnost laserového paprsku není nutná.

Můžete rozdělit laserový paprsek a odlišně: místo průsvitného zrcadla, vložte zcela odrazný povrch, ale není to celý svazek, aby se překrýval, ale pouze částí (obr. 2). Pak bude pozorována interakce záření, která byla distribuována v různé části Paprsek. Maximální vzdálenost mezi body paprsku, záření, ve kterých bude interferred, se nazývá délka příčné soudržnosti laserového paprsku. Samozřejmě, pro mnoho laserů, délka příčné soudržnosti se jednoduše rovná průměru laserového záření.

Obr. 2. Vysvětlit pojmy dočasné a prostorové soudržnosti

Rohová divergence laserového záření. Parametr M. 2 .

Bez ohledu na to, jak jsme se snažili udělat paprsek laserového záření paralelně, bude mít vždy nenulovou úhlovou divergenci. Minimální možný úhel laserového divergenceα D. ("Difrakční limit") v pořadí velikosti je určen výrazem:

α D ~. λ / D, (1)

kde λ - vlnová délka laserového záření aD. - Šířka paprsku uvolněná z laseru. Snadno se vypočítá, že s vlnovou délkou 0,5 uM (zelené záření) a šířka laserového paprsku 5 mm, úhel divergence bude ~ 10 -4 rad nebo 1/200 stupně. Navzdory hodnoty grafu může být úhlová divergence kritická pro některé aplikace (například pro použití laserů v boji satelitní systémy) Protože stanoví horní hranici dosažitelné hustoty výkonu laserového záření.

Obecně lze nastavit kvalitu laserového paprsku parametremM 2. . Nechte minimálně dosažení skvrny vytvořené perfektním objektivem při zaostřování gaussova paprsku, je rovnaS. . Pokud tedy stejné objektivy zaostřují paprsek z tohoto laseru v oblasti skvrnyS 1\u003e s, parametr m 2 Laserové záření je:

M 2 \u003d S 1 / s (2)

Pro parametr nejvyšší kvality laserového systémuM 2. V blízkosti jednotnosti (zejména jsou lasery s parametremM 2. rovna 1,05). Je však nutné mít na paměti, že ne pro všechny třídy laserů dnes je dosažitelná nízká hodnota tohoto parametru, která je třeba zvážit při výběru laserové třídy pro konkrétní úkol.

Stručně vedl základní vlastnosti laserového záření. Nyní popisujeme hlavní složky laseru: médium s inverzní populací, laserovým rezonátorem, čerpáním laseru, stejně jako schéma laserové úrovně.

Středa s inverzní populací. Diagram laserového úrovně. Kvantový výstup.

Hlavním prvkem transformující energie externího zdroje (elektrická, nonlazerová radiační energie, energie přídavného laseru čerpadla) na světlo, je médium, ve kterém je vytvořena inverzní populace dvojice hladin. Termín "inverzní populace" znamená, že určitý podíl strukturálních částic média (molekuly, atomy nebo iontů) se přeloží do vzrušeného stavu a pro určitý pár energie těchto částic (horní a dolní laserové úrovně) Na horní energii je více částic než na dně.

S průchodem přes médium s inverzní populací, záření, jejichž Qufta má energii rovnou rozdílu energie dvou laserových hladin, může se zvýšit, přičemž se odstraní excitace části aktivních center (atomy / molekuly / ionty ). Zisk dochází v důsledku tvorby nových kvanta elektromagnetického záření mající stejnou vlnovou délku, směr propagace, fáze a stavu polarizace jako původní kvantum. Laser tedy trvá generování obalů stejného (rovného v energii, koherentním a pohybujícím se v jednom směru) fotonů (obr. 3), což určuje základní vlastnosti laserového záření.

Obr. 3. Generování koherentních fotonů s nuceným zářením.

Vytvořte inverzně obydlené prostředí v systému, který se skládá pouze z dvou úrovní, nicméně, to není možné v klasické aproximaci. Moderní lasery mají obvykle tříúrovňový nebo čtyřúrovňový systém hladin zapojených do laserové generace. V tomto případě excitace překládá konstrukční jednotku média k nejvyšší úrovni, ze které se částice v krátké době relaxují na nižší hodnotu energie - horní laserová úroveň. Jeden z podkladových úrovní se také podílí na laserové generaci - hlavním stavu atomu v tříúrovňovém schématu nebo meziproduktu - na čtyřech úrovní (obr. 4). Schéma čtyřúrovňového systému se ukáže, že je výhodnější vzhledem k tomu, že mezilehlá úroveň je obvykle obývána mnohem menším počtem částic než půdorysu, vytvořit inverzní populaci (přebytek počtu nadšeným částic nad číslem atomů na nižší úrovni laseru) se ukáže mnohem jednodušší (pro zahájení laserové generace, kterou musíte hlásit střední méně energie).

Obr. 4. tříúrovňová a čtyřúrovňová úrovně úrovní.

Tak, s laserovou generací, minimální hodnota hlášeného pracovního média energie se rovná energie zahájení nejvyšší úrovně systému a generace se vyskytuje mezi oběma základními hladinami. To způsobuje skutečnost, že PDA laseru je zpočátku omezena poměrem excitační energie na energii laserového přechodu. Tento poměr se nazývá kvantový laserový výstup. Stojí za zmínku, že obvykle PDD laseru ze sítě několikrát (a v některých případech dokonce několik desítek času) pod jeho kvantovým výstupem.

Semiconductor lasery mají speciální strukturu energetických hladin. V procesu výroby záření v polovodičových laserech se zapojují elektrony dvou polovodičových zón, ale díky nečistotám, které tvoří světlo vyzařujícíp - N. přechod, hranice těchto zón v různých částech diody jsou posunuty vzhledem k sobě. Inverzní populace v této oblastip - N. přechod v těchto laserech je vytvořen v důsledku průtoku elektronů do přechodového prostoru z vedení zónyn. -Post a otvory z valenční zónyp. - Připraven. Přečtěte si více o polovodičových laserech lze nalézt ve speciální literatuře.

V moderních laserech se aplikují různé metody vytváření inverzní populace nebo laserové čerpání.

Čerpání laseru. Metody čerpání.

Aby se laser začít vytvářet záření, je nutné přivést energii do svého aktivního média, aby se vytvořila inverzní populace v něm. Tento proces se nazývá čerpací laser. Existuje několik základních metod čerpání, jejichž použitelnost v určitém laseru závisí na typu aktivního média. Takže pro excimer a některé plynové lasery pracující v režimu pulsu (napříkladCO 2. - laser) Je možné rozrušit laserové molekuly elektrickým vypouštěním. V nepřetržitých plynových laserech pro čerpání můžete použít zářící výtok. Čerpání polovodičových laserů se provádí kvůli aplikaci napětíp - N. přechodový laser. Pro lasery s pevným stavem je možné použít neenergetový zdroj záření (lampa blesk, pravítko nebo řadu světelných diod) nebo jiného laseru, jehož vlnová délka odpovídá rozdílu v energii Hlavní a vzrušený stavy nečistoty Atom (v pevných laserech, zpravidla, výroba laserů se vyskytuje na atomech nebo nečistotách iontů rozpuštěných v mřížce matrice - například pro rubínový laser, jsou aktivní ionty chromu).

Shrnutí, lze říci, že způsob čerpání laseru je určen svým typem a vlastností aktivního středu generujícího média. Zpravidla má pro každý specifický typ laserů nejvíce efektivní metoda Čerpání, které určuje typ a návrh systému napájení energie na aktivní médium.

Laserový rezonátor. Stav generace laseru. Udržitelné a nestabilní rezonátory.

Aktivní médium a dodávací systém k němu stále nestačí k tomu, aby se vyskytly generování laseru, i když již mohou konstruovat některá zařízení (například zesilovač nebo zdroj zesilovače nebo super hliníkového záření). Laserová generace, tj Emise monochromatického koherentního světla se vyskytuje pouze v přítomnosti zpětné vazby, nebo laserového rezonátoru.

V nejjednodušším případě je rezonátor dvojice zrcadel, z nichž jeden z nich (laserový výstupní zrcadlo) je průsvitný. Jako další zrcadlo, zpravidla reflektor s odrazovým koeficientem na výrobní vlnové délce, téměř 100% ("hluchý zrcadlo"), aby se zabránilo generování laseru "ve dvou stranách" a nadměrná ztráta energie.

Laserový rezonátor zajišťuje, že se radiace vrátí do aktivního média. Tato podmínka je důležitá pro výskyt soudržného a monochromatického záření, protože fotony vrácené do média způsobí záření stejné se sebou, pokud jde o frekvenci a fázi fotonů. V souladu s tím, nově vznikající v aktivním médiu záření Quanta bude soudržný s rezonátorem již uvolněným. Charakteristické vlastnosti laserového záření jsou tedy zajištěno v mnoha ohledech, je to design a kvalita laserového rezonátoru.

Odrazový koeficient výstupního průsvitného zrcadla laserového rezonátoru je vybrán tak, aby zajistil maximální výkon laserového výstupu nebo na základě technologické jednoduchosti výroby. Takže v některých vláknových laserech, přesně může být jako výstupní zrcadlo použity přesně vlákno vlákno vlákno neprůhledné.

Zřejmá podmínka pro stabilní laserovou generaci je podmínkou rovnosti optických ztrát v laserovém rezonátoru (včetně ztrát na radiační výstup přes zrcadla rezonátoru) a radiační expozice v aktivním prostředí:

exp ( a.× 2L) \u003d r 1 × R 2. × exp ( g.× 2L) × X, (3)

kde l. \u003d aktivní střední délkaa. - Získejte koeficient v aktivním prostředí,R 1 a R 2 - Odrazové koeficienty zrcadel rezonátoru ag. - "šedé" ztráty v aktivním médiu (tj. Ztráta záření spojené s kolísáním hustoty, laserové defekty, rozptylovacím rozptylem a dalšími typy optických ztrát, které jsou oslabeny oslabením záření během průchodu přes médium, s výjimkou absorpce radiačních atomů Quanta). Poslední faktor "X. »Označuje všechny ostatní ztráty přítomné v laseru (například speciální absorpční prvek může být zaveden do laseru tak, že laser může generovat pulsy s malým trváním), pokud chybí, je rovna 1. Pro získání Vývoj laserové generace od spontánně emitovaných fotonů, zřejmě rovnost je nutné nahradit znaménko "\u003e".

Ze rovnosti (3) následuje následující pravidlo pro výběr výstupního laserového zrcadla: Pokud je koeficient radiačního zisku aktivní s šedými ztrátami (a.- g.) × L. Mal, reflexní koeficient výstupního zrcadlaR 1 Musí být vybrán velký, takže výroba laseru nezmizí v důsledku uvolnění záření od rezonátoru. Pokud je koeficient zisku poměrně velký, obvykle má smysl vybrat si méněR 1 Vzhledem k tomu, že vysoký odrazový koeficient povede ke zvýšení intenzity záření uvnitř rezonátoru, který může ovlivnit životnost laseru.

Laserový rezonátor však potřebuje úpravu. Předpokládejme, že rezonátor se skládá ze dvou paralelních, ale neoddělených zrcadel (například umístěných pod úhlem). V takovém rezonátoru, záření, procházející aktivním médiem několikrát, přesahují limity laseru (obr. 5). Rezonátory, ve kterých záření v konečném čase přesahují jeho limity, se nazývá nestabilní. Takové rezonátory se používají v některých systémech (například v silných pulzních laserech speciálního designu), nicméně, zpravidla nestabilita rezonátoru v praktických aplikacích se snaží vyhnout.

Obr. 5. nestabilní rezonátor s nadměrným zrcadlem; Udržitelný rezonátor I.

Stacionární radiační paprsek v něm.

Pro zvýšení stability rezonátoru se používají zakřivené reflexní povrchy jako zrcadla. S určitými hodnotami poloměru reflexních povrchů je tento rezonátor necitlivý na malé poruchy úpravy, což umožňuje výrazně zjednodušit práci s laserem.

Stručně popsali minimální potřebnou sadu prvků pro vytvoření laseru a hlavní rysy laserového záření.

Přepis.

1 Ministerstvo školství a vědy Ruská Federace Moskevská státní univerzita geodézie a kartografie Interakce laserového záření s látkou Moskva 2014

2 Ministerstvo školství a vědy Ruské federace Moskevská státní univerzita geodesyia a kartografie Yu.m. Klimkov, vs. Majorov, M.V. Dobrá interakce laserového záření s látkou Moskva 2014

3 recenzenti UDC: Dr. Fiz.-Mat. Sciences, profesor IPlot běžel F.v. Leedev; Profesor katedry fyziky MEI E.F. ISHCHENKO kompilátory: yu.m. Klimkov, vs. Majorov, M.V. Dobrá interakce laserového záření s látkou: tutoriál. M.: Miigaik, p. Tento kurz byl připraven v souladu s přibližným disciplíným programem schváleným Ministerstvem školství a vědy Ruské federace pro směr "Laserové techniky a laserové technologie". Doporučeno Ústavem návrhu a technologie optického nástroje a schváleného na zveřejnění vydavatelské komise pro vydavatelství Fakulty optických informačních systémů a technologií. Cílem tréninkové manuály je pomáhat studentům v kurzech Foistu ve vývoji teoretického materiálu ve vývoji "interakce laserového záření s látkou", jakož i při provádění praktických a laboratorních prací na tomto směnném kurzu. Elektronická verze tutorial Publikováno na knihovně Miigaik knihovna

4 ÚVOD Interakce laserového záření s látkou je jedním z nejdůležitějších vědeckých pokynů moderní optice a laserové fyziky. Tento směr umožnil potřebný a podstatně doplnit myšlenky týkající se základních fotophyzikálních procesů vyskytujících se v látce (především v kondenzovaných médiích), když jsou vystaveny intenzivním světelným tokům různých trosek a vlnových délek. To také umožnilo vyvinout fyzické základy četných aplikovaných směrů spojených s lasery a jejich aplikace v technologii. Proto je nezbytné znalosti hlavních mechanismů a vzorců laserového vlivu na látku pro plnohodnotnou univerzitu a inženýrské vzdělávání Laserová technologie a technologie. Účelem disciplíny je tvorba myšlenek na interakci intenzivního záření s látkou nejvýznamnější vědecké sekce optické fyziky. Úkolem disciplíny poskytne studentům moderním zvláštním poznáním, s přihlédnutím k nejnovějším vědeckým úspěchům v oblasti laserových vlivů na látku a propojit tyto znalosti s jinými speciálními disciplíny a advokacie disciplíny. Kurz je založen na znalostech hlavních ustanovení a terminologie fyzikálních kurzů, "Základy optiky", "chemie", "Kovové studium a technologie strukturálních materiálů", "laserová technika", " Fyzické základny Kvantová elektronika, "Optoelektronická zařízení a systémy" a je základní pro studium "laserové technologie". Seznam přijatých označení Absorpční kapacita Médium B Magnetická indukce C Specifická tepelná kapacita D Elektrická indukční Elektrické pole elektrické pole H napětí magnetické pole I intenzita incidentu záření m hmotnost látky n počet fotonů, vzrušené částice, populační úroveň q výkon tepelného zdroje r reflexní koeficient 3

5 s interakční plocha T Teplota Teplotní rozlišení B Reliéfní reliéfní reliéfní mřížka C Rychlost světla nebo specifické tepelné odolnosti D Wave Vector Grid E Citter Black H Hloubka penetrace J Aktuální dysnity K Wave Číslo M Zdroj tepla R RADIUS-Vector Prostorová souřadnice r, velikost D Části laserového paprsku T Time V Rychlost pohybu X, Y, Z prostorové souřadnice α absorpční koeficient v médiu β rozptylovací koeficient y frekvenci kolize volných elektronů Δ povrchovou hustotu náboje ε dielektrické konstanty ζ Tloušťka kůže-vrstvy η kinematické viskozity θ Úhlová hodnota λ je radiační vlnová délka nebo tepelná vodivost μ magnetická permeabilita ρ hustota látky σ specifická vodivost nebo koeficient povrchové napětí τ Doba expozice nebo doba trvání procesu χ Extinction koeficient ψ ψ Elektromagnetická oscilační fáze ω Elektromagnetická kmitočet oscilace ħ Trvalé prkno 4

6 1. Mechanismy absorpce energie a rozptyl ve středu 1.1. Vstřebávání elektromagnetické vlny V médiu je laserové záření jedním z typů elektromagnetické energie, a proto interakce laserového záření s látkou je interakce s látkou elektromagnetické vlny s specifickými vlastnostmi a vlastnostmi (jako soudržnost, monochromatismus atd. .). Laserové technologické zpracování zpracování materiály jsou primárně spojeny s lokálním vytápěním, tj. S přenosem energie z elektromagnetické vlny v látce. Ve všech fyzických modelech laserové technologie patří vyjádření zákona o ochraně energie. Nejčastěji se jedná o rovnici tepelné vodivosti v různých formulaci, která je pro izotropní prostředí zaznamenána obecně formou: T ρ C + V Grad () T DIV λ Grad () () T \u003d QR, T, T (1.1.1 ) kde hustota ρ; C specifické teplo; λ tepelná vodivost; V () rt, rychlosti pole vektoru; QRt (), hustota volumetrického výkonu tepla. Počáteční a okrajové podmínky konkrétního tepelného problému jsou uvedeny na základě specifik zvažovaných procesů. Laserový objemový tepelný zdroj QRT () se vyskytuje v kondenzovaném médiu, v mnoha případech lze považovat za povrchní. Termofyzikální koeficienty, které jsou funkční funkce v inženýrských výpočtech, jsou obvykle považovány za konstantní a používají jejich průměrné hodnoty. Pro odhad hodnoty parametrů mnoha tepelných úkolů se často používá jednorozměrná lineární tepelná vodivost rovnice, která popisuje ohřev polo-nekonečného média (Z\u003e 0) s neomezeným homogenním povrchem zdroje: AI ZT (ZT) ) Z, T \u003d 0 4 na IERF, (1.1.2) λ 4AT, kde a absorpční kapacita média; I 0 Intenzita dopadajícího záření; A \u003d λ / ρc teterolution. Pět

7 Funkce integrální integrální funkce IERF (X) ERF (Y) DYS je uveden soubor Y X 2 2 T. Funkce ERF (Y) E dt π chybová funkce je také tabulková funkce (nebo vypočtená numerickými metodami). TAC jako IERF () 0 \u003d 1 / π, podle vzorce (1.1.2), je často vyroben odhad teploty na povrchu, a obecně najde hodnotu jedné z hodnot T, I 0, T až dva ostatní. Například podle vzorce je ïëλtïëë I \u003d (1.1.3) 4AT posouzení kritické hustoty výkonu, absorbované na povrchu a nutné spustit tání materiálu během T. Nebo například hloubka h, které teplo proniká v době τ, se odhaduje exprese H 2 A (1.1.4) Jednorozměrná aproximace je pravdivá, pokud velikost laserového paprsku na povrchu materiálu významně překračuje hloubku penetrace tepla v materiálu. V každém případě je laserová tepelná expozice materiálům důležitá nejen síla laserového záření a výkon absorbovaný materiálem a přichází k získání užitečného výsledku. Absorpční kapacita A, která znamená koeficient na I 0 ve výrazu (1.1.2), v jedné formě nebo jiném se objeví ve všech laserových technologických procesech. Existuje mnoho různých fyzikálních a fyzikálně-chemických procesů ovlivňujících absorpční kapacitu. Intenzita elektromagnetické vlny šíří ve zpracovaném materiálu ve směru osy Z se liší podle zákona Lambert 6 0 () () Iz \u003d AI0 exp α Z, (1.1.5), kde I 0 intenzita pádu povrch vlnové média; A absorpční kapacita, pro které A \u003d E \u003d 1 R (E-stupeň černé, R reflexní koeficientu); α Elektromagnetická absorpční koeficient energie v médiu. Intenzita elektromagnetické vlny spadá do 2,73 krát ve vzdálenosti δ \u003d 1 / α.

8 Absorpční kapacita A ukazuje podíl absorbovaného toku (energie) a koeficient absorpce světla v médiu α, jak rychle absorbuje záření během distribuce. Tepelný zdroj Q, který se vyskytuje v materiálu pod působením laserového záření, je charakterizován jak celkovým výkonem úměrným A a lokalizaci v objemu v závislosti na α. Absorpce světla vodiči (kovy) v kovech (vodičů) elektromagnetická vlna exponenciálně mizí ve velmi tenké povrchové vrstvě takzvaného. "Skin-vrstva" (Δ ~ cm, tj. Α α ~ cm-cm-cm-cm-cm) a absorpce se vyskytuje na elektroních vodivosti. S laserovým zpracováním materiálů, hloubka tepelného pronikání do hloubky kovu, i když několik řádů velikosti překračuje tloušťku vrstvy kůže, téměř přilehlé k povrchu materiálu, a proto ve všech výpočtech může tepelný zdroj může považovány za povrchní. Interakce světla s kovy (vodič) je stanovena přítomností velkého počtu elektronů v nich, tak slabě spojené s krystalovou mřížkou, že tyto elektrony mohou být považovány za prakticky volné. Elektrostatický kladný náboj kovových mřížových iontů kompenzuje negativní náboj těchto elektronů. Sada volných elektronů (vodivosti elektronů) se nazývá elektronika. Koncentrace volných elektronů v kovech je velmi významná (cm -3). V oblasti incidentové elektromagnetické vlny volné elektrony kolísají a emitují sekundární vlny, které při přidávání dávají silnou odraženou vlnu. Absorpce světla elektronemi vodivosti je možná pouze s jejich interakcí s kovovou mřížkou, a proto částečně jde do tepla. V dokonalém vodiči, kde ztráty na jowlezo teplo jsou obecně nepřítomné, absorpce je nulová, protože dopadající světlo se zcela odráží. Absorpce světla vede ke zvýšení energie volných elektronů. Vzhledem k tomu, že doba stanovení rovnováhy v elektronovém plynu je podstatně nižší než doba stanovení rovnováhy mezi elektrony a mřížky atomů, se dvěma termodynamickými subsystémy s různými teplotami vypadají elektronicky a fonon. Část absorbované energetické elektrony vysílají do mřížky, ale přenosová účinnost je malá vzhledem k velkému rozdílu v hmotnostech elektronů a iontů. Proto je v prvním okamžiku elektronika ve srovnání s mřížkou výrazně přehřátí. Zvýšení teploty elektronového plynu se však dochází pouze do doby, než množství energie přenášené mřížkou nesrovnává s množstvím 7

9 energie získaná elektrony z elektromagnetické vlny. Vzhledem k tomu, že charakteristický čas pro výměnu energie mezi těmito subsystémy ~ C a expoziční doby záření na látku během laserového zpracování materiálů téměř vždy několik řádů velikosti, pak v budoucnu budeme používat celkem teplota kovu. U dobrých vodičů je koeficient odrazu R obvykle blízko 1 a tedy absorpční kapacita je malá. Představujeme hodnoty absorpční kapacity některých kovů (čisté; při 20 ° C): Stolní lasery 8 kovů AR + λ ~ 0,488 μm Rubin λ ~ 0,69 um nd AIG λ ~ 1,06 μm C02 λ ~ 10,6 μm al hliník 0, 19 0,11 0,08 0019w wolframu 0,55 0,50 0,41 0026 Fe železo 0,68 0,45 0,35 0076 CU měď 0,56 0,17 0,10 0015 Ni nikl 0,40 0,32 0,26 0,03 0,05 0,04 AG Silver 0,04 0,014 Ti titan 0,48 0,45 0,42 0,08 Tyto údaje jsou platné pro kovy ve vakuu, a ve většině praktických případů přestanou odpovídat realitě (například v důsledku oxidace povrchu, vstřebává absorpční kapacita). Absorpce světla dielektrikou absorpcí světla dielektricky silně závisí na vlnové délce. V oblasti IR je absorpce určena oscilačními stavy krystalové mřížky a v organických sloučeninách molekulárních oscilacích. Pro tuto oblast jsou typické hodnoty absorpčního koeficientu α ~ cm -1. Ve viditelné oblasti může být absorpce způsobena nečistotami (například ionty přechodných kovů, defekty krystalové mřížky atd.) Nebo "ocasem" silných UV absorpčních pásů. Lze jej také nazvat diskrétní elektronické přechody v molekulárních krystalech (například v mnoha organických sloučeninách). Typické koeficienty v absorpčním pásmu ~ cm -1. Koeficient a může být korelován s tloušťkou vrstvy tlustého h podle poměru

10 (I / I 0) 100 \u003d přenosová kapacita (%) \u003d 100 e -αH, nebo (I / I 0) \u003d E -αH, kde i 0 intenzita incidentového záření; I intenzita minulého záření. Užitečné měřítko tloušťky, na kterém dochází k významnému oslabení dopadajícího záření, je l \u003d 1 / a, kde l oslabuje. Pro silné absorbéry a \u003d 10 6 cm -1 a l \u003d 10-6 cm, pro relativně slabé α \u003d 10 cm -1 a l \u003d 10-1 cm. Poměr mezi α a lomu indexu je forma α \u003d 4π m / λ, kde m imaginární část komplexního indexu lomu je ñ \u003d n im; λ padající světelná vlnová délka. Interval vlnových délek stolu, na kterých je kapacita ohýbání snížena na 10%, MKM AI203 0,6,6,5 jako 2 s 3 0,6 13 BAF 2 0,14 15 CDSE 0,72 24 CD 0,5 16 CDV 0,3 30 CAF 2 0,13 12 CSBR 0.2 45 cucl 0,4 19 diamant (typ IIA) 0,225 2,5; GAAS 1 15 GE 1,8 23 INA 3.8 7 PBS 3 7 MgO 0,25 8,5 SE 1 20 Si02, (roztavené) 0,2 4,5 SI 1,2 15 TiO 2 0,43 6, 2 ZNSE 0,5 22 ZNS 0,

11 Ve viditelné oblasti pro minimálně transparentní materiály, obvykle k ~ 10-5 nebo α ~ 10 cm -1. Tabulka označuje intervaly vln v oblasti IR, ve kterých jsou dielektrika a polovodiče nominálně transparentní. V intervalu transparentnosti těchto materiálů může být 1 10 cm-1. Většina materiálů s přípojkami SI je relativně transparentní ve viditelné oblasti spektra, ale silně absorbovány v sousedství λ \u003d 10 μm. Proto pro zpracování křemenných, sklo a silikátových minerálů je nejlepší použít se 2 laserem. Organické pevné látky jsou silně absorbovány v oblasti IR, ale mohou být transparentní na kratších vlnových délkách (například polyethylen). Laser CO 2 je tedy ideální pro zpracování těchto materiálů. Na rozdíl od kovů, ve kterých absorpce záření dochází na povrchu v vrstvě kůže, vstřebává absorpce dielektrika a většina polovodičů ve vrstvě, která se stanoví délkou oslabení L, což může významně překročit obvyklou tloušťku vrstvy kůže. V IR oblasti L\u003e 10-4 cm a tedy v mnoha případech může být vytápění považováno za objemné. Zejména se jedná o topné tenké fólie, kde L může překročit tloušťku filmu. Ačkoliv odrazové koeficienty polarizovaného světla závisí na úhlu pádu a směru polarizace, jako v kovech, při zpracování, dielektrická permeabilita ε je téměř rovnající se jednoho a jevy pozorované během zpracování kovů za použití polarizovaných paprsků Zpracování dielektriků není detekováno. Absorpce světla polovodiči. Elektrické a optické vlastnosti polovodičů jsou spojeny s tím, že hladiny energie naplněné elektrony ve valenční zóně jsou odděleny od uzavřené zóny vedení. Proto by měl být použit kvantový přístup, s ohledem na světlo jako proud fotonů s energií ħΩ. Polovodiče mají nízkou koncentraci volných elektronů, a pokud energie kvantového světla je menší než šířka zakázané zóny (ħΩ

12 prostorových poplatků, které jsou způsobeny existencí lokálních center. Taková centra mohou být spojena obě přímo s rozpadem frekvence a adsorbované atomy a molekuly. Při analýze tepelného působení záření na polovodiče se rozlišují následující mechanismy absorpce elektromagnetického záření: 1. vlastní (interband) absorpce světla. Pokud je kvantová energie větší než šířka zakázané zóny (Ω\u003e ECS), poté v důsledku vnitřního fotoečku, elektrony z valenční zóny jsou přeneseny do zóny vodivosti. Čas jejich životnosti, dokud rekombinace elektronových otvorů s uvolňováním tepla v mříži je přibližně s. Semiconductor začíná přiblížit k kovům a jeho odrazivost se zvyšuje. Současně, když absorbující záření s volnými dopravci je takzvaný. "Heat" (zrychlení pohybu) počátečního počtu elektronů v dutinové zóně, která vede ke zvýšení koncentrace elektronů v důsledku tepelné ionizace valenční zóny, tj. Může podnikat self-estessing proces ohřevu látky. Absorpční koeficient α1 je cm in-lisovaná absorpce (absorpce volnými nosiči elektrony a otvory). V podstatě analogicky k absorpci volných elektronů v kovech, ale liší se v koncentraci volných nosičů, což je malé v rovnovážném stavu (cm -3). Koeficient této absorpce α 2 ~ cm nečistoty absorpce. Zahrnuje dopravce s energetickými státy umístěnými v zakázané zóně (ħΩ

13 je prováděno vedení elektronů a významně přispívají k celkové tepelné vodivosti. Přenos energie v polovodičích může být také prováděn za použití rekombinačního záření. Na základě výše uvedeného lze dospět k závěru, že povahou náchylnosti k laserovým zářením, polovodičů zabírají střední polohu mezi kovy a transparentními materiály. V důsledku absorpce laserového záření se polovodiči se vytvoří páry elektronových otvorů, které vysílají radiační energii s krystalovou mřížkou během rekombinace. Proto se zvyšující se výkon laserového záření dojde k poškození materiálu v důsledku ohřevu. Takový proces poškození je charakteristický pro slabě legované křemíku. S silným dopingem polovodiče je však škoda podobná poškození v kovech. Kvalita povrchové úpravy polovodiče má také velký vliv na prahovou hodnotu poškození v materiálu. Leptání zvyšuje prahová hodnota relativně mletí krystaly déle než 3 krát a pro 10% vyrobené nebo chemické broušení. Škrábance mají menší vliv, i když odraz a absorpce záření s plochým povrchem s plochým povrchem v bodě 1.1 uvedlo, že účinnost použití laserové radiační energie během zpracování materiálů přímo závisí na jejich absorpční kapacitě A. Vzhledem k tomu, že médium absorbuje Celá refrakční elektromagnetická vlna (tj. Vzhledem k tloušťce média \u003e\u003e 1 / a), zvažte absorpční kapacitu A (nebo odpovídá koeficientu odrazu R \u003d 1a) materiálu s ideálním hladkým rovným povrchem. Pokud je povrch nedokonalý, vypadají například hrubé, nové a velmi netriviální efekty, z nichž některé budou v budoucnu řečeno. Připomeňme si základní pojmy a vlastnosti elektromagnetického pole. Elektromagnetické pole je reprezentováno dvěma vektory: E b sílu elektrického pole; E b magnetická indukce. Aby bylo možné popsat účinek pole na materiální objekty, musíte zadat druhou skupinu vektorů: D Indukce heeltric; D h napětí magnetického pole. Prostorové a dočasné deriváty těchto vektorů jsou spojeny s Maxwell rovnice: 12

14 b rote + \u003d 0; t d 4π roth \u003d j t c (první pár vektoru Maxwell vektorové rovnice) a diviz \u003d ρ; Divb \u003d 0 (1.2.1) (1.2.2) (1.2.3) (1.2.4) (druhý pár Maxwellových skalárních rovnic). Z rovnic (1.2.2) a (1.2.3) (1,2,3) (zapamatování, že Div () 0 rot) proudí rovnici kontinuity, která odráží zákon zachování poplatku: ρ + divji \u003d 0, (1.2.5) t To znamená, že poplatky ρ a proudy j jsou spojeny s touto rovnicí a nemohou být nastaveny libovolně, nezávisle na sobě. Aby se zajistilo, že Maxwellova rovnice Maxwell je danou distribuci nábojů a proudů, je nutné přidat poměry, které popisují chování látek pod vlivem pole. Takové poměry se nazývají materiální rovnice. Pro izotropní látky se materiálové rovnice zaznamenávají ve formě d \u003d εε0 E; (1.2.6) b \u003d μμ 0 h; (1.2.7) J \u003d σe, (1.2.8), kde ε dielektrická konstanta; Magnetická permeabilita μ; Σ specifická vodivost. Rovnice (1.2.8) je diferenciální forma zákona OHM. Pro optiku je situace charakteristická, když existují hranice mezi prostředím, na kterých jsou vakuty fyzikální vlastnosti. Zvažte (bez výstupu) okrajových podmínek na povrchu části dvou prostředí. Normální složka magnetického indukčního vektoru je kontinuální na povrchu sekce: 13

15 14 B N2 BN 1 \u003d 0. (1.2.9) Normální složka elektrického indukčního vektoru na povrchu s povrchovou hustotou nábojů ρ * zažívá skok rovný 4πρ *: DN2 DN 1 \u003d 4 πρ *. (1.2.10) Pokud je proud s hustotou povrchu J *, tangenciální složka napětí magnetického pole zažívá skok rovný 4 π J *: C 4π HT2 HT1 \u003d J *. (1.2.11) C Tangenciální složka napětí elektrického pole je kontinuální na povrchu úseku: E \u003d (1.2.12) T2 T1 0. Odraz a refrakce ploché elektromagnetické vlny. Nechte ploché lineárně polarizované elektromagnetické vlny klesne pod úhlem θ 1 k povrchu materiálu (obr.). Je rozdělen do dvou vln: procházející do druhého média a odrážejí se. Existence dvou vln následuje od řešení problému s těmito hraničními podmínkami, protože nemohou být spokojeni, pokud ne postulují přítomnost projíždí i odražených vln. Úhel lomu se stanoví ze známého exprese: hřích θ1 sin θ 2 \u003d (1.2.13) n Rýže odraz a lomu ploché elektromagnetické vlny z hranice dělení dvou, kde n \u003d εμ je index lomu. Maxwellových rovnic a okrajových podmínek pro složku elektrických a magnetických polí dochází k roztoku vlnové rovnice pro odražené a refrakční vlny (frenelle vzorce)

16 () r () (i tg θ1 θ2) // \u003d //; (θ 1 + θ2) e e tg e () r () i hřích (θ1 θ2) \u003d e; Hřích (θ + θ) 1 2 (1.2.14) ee () t () i // \u003d e // () t () i \u003d e hřích 2 sin θ cosθ 2 1 (θ + θ) (cos θ θ) ) Sin θ2 cosθ1. hřích (θ + θ) 1 2; (1.2.15) V obecném případě absorbujícího média je index lomu integrován: () 1, n \u003d n χ I (1.2.16), kde se nazývá koeficient extinkce (oslabení paprsku během jeho distribuce v médium. Frenelly následuje výrazy přímo odrazové koeficienty R. pro průhledné médium (χ \u003d 0), pokud vektor incidentové vlny leží v rovině pádu (p polarizace), potom (θ1 θ2), (θ1 θ2) 2 TG R // \u003d (1.2.17) 2 tg 1 2 a pokud je vektor kolmo k rovině pádu (polarizace polarizace), poté 2 sin r \u003d (1.2.18) 2 hřích 1 2 π na brutenerovém uhlí θ 2 \u003d θ 1 pro polarizační složky p - 2 () R e odražené vlny se stává stejnou nulou (obr. A) v tom (θ1 θ2) (θ1 θ2). (θ1 θ2). (θ + θ) // pouzdro průhledného média a má minimální hodnotu pro absorbující médium. Pro absorbující úhel θ 2 v expresi (1.2.13) v důsledku složitosti indexu lomu bude také komplexní, a to by mělo být zohledněno při jeho nahrazení do vzorce (1.2.14), (1.2) .15). Pod normálním pádem (θ 1 \u003d 0), koeficient odrazu 15

17 A B 16 Obrázkám Závislost koeficientu odrazu R z úhlu pádu θ pro E // (p polarizace, křivky 1) a E (polarizace, křivky 2) pro případy: a průhledné médium při n \u003d 1,5 ; B absorbující médium při n \u003d 1,5 a χ \u003d 1 r \u003d () n1 n () n 1 n χ χ. (1.2.19) Pokud nχ \u003e\u003e (n + 1), pak r 1; Za normálních poklesu je tedy silný odraz spojen s velkou absorpcí záření v médiu. S nakloněným poklesem jsou získané výrazy poměrně složité; Pokud n2 + N 2 χ 2 \u003e\u003e 1, pak následující poměry: RR () () n 1 + χ χ χ χ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ θ 1 2 n cosθ + 1 1 \u003d (p polarizace), (1.2.20) n 1 + χ cos θ + 2 n cosθ + 1 // () n () n 1 1 n 1 + χ 2 cosθ + cos θ \u003d n 1 + χ + 2 cosθ + cos θ (polarizace polarizace). (1.2.21) Složka elektrického vektoru odražené vlny pro polarizaci ležící v rovině pádu (polarizace p) dosahuje minimu v určitém úhlu příjmu (obr. 1.2.2, B). Představujeme skutečné závislosti odrazivosti odrazového koeficientu) z úhlu pádu pro železo a měď (obr. 1.2.3, A, B). 2 4σ pro kovy n \u003d ε 1 I (1.2.22) εω 0

18 A ve většině případů 4σ / Ω \u003e\u003e 1 (v optickém rozsahu μ 1), proto (1.2.19) má formu (pro normální pokles): kde ω \u003d 2πν kruhová frekvence světla. 2Ω R \u003d 1 A \u003d 1, (1.2.23) πσ a b Zde závislost koeficientu odrazu r z úhlu pádu θ pro e // (p polarizace, křivky 1) a e (polarizace, křivky 2 ) pro železo (A) a měď (b): pevné linie při teplotě 20 ° C, tyč při 1000 s poměrem khagenu Rubens (1.2.23) pro statickou hodnotu vodivosti dobře koordinované s experimentálními údaji pro IR vlnové délky s λ\u003e 5 μm. Kovy jsou dobrými vodiči, tedy v souladu s (1.2.23), jejich absorpční kapacita A na vlnové délce záření C02 -lázy (λ \u003d 10,6 μm) je malá (viz tabulka 1.1.1). To je obzvláště nízké pro neželezné kovy (AL, CU) a zejména u ušlechtilých kovů (AG, AU). Proto je laserové zpracování těchto materiálů nebo obtížné, nebo téměř nemožné záření plynu s 2 -LASER. Navíc, zlato povlak (méně často stříbro v důsledku oxidace) se často používá pro výrobu zrcadel pro tyto lasery. Laserová léčba neželezných kovů je mnohem účinnější pro vyzařování laserů s pevným stavem (λ \u003d 1,06 μm), kde je absorpce mnohem více. Závislost absorpční kapacity a úhlu incidence a polarizace je silně postižena laserovým řezáním a laserovým svařováním s hlubokým pronikáním a je třeba se také brát v úvahu při navrhování různých laserových radiací senzorů (například svodiče). 17.

19 18 2. Povrchové elektromagnetické vlny (PEV) a absorpce laserového záření Reálné povrchy materiálů nejsou absolutně hladké, přítomnost i malého úlevy a mikrochlorozitů může radikálně změnit dříve popsanou povahu interakce a absorpce laserového záření s látkou. Když elektromagnetická vlna spadá na hrubý povrch na úkor difrakce, vyskytují povrchové elektromagnetické vlny PEV (nebo jinak povrchových polaritonů) (nebo jinak povrchových polaritonů). PEV se vztahuje podél hranice sekce dvou prostředí a jak oba současně. Zájem o studium optického rozsahu PEV je způsoben tím, že mohou účinně excitovat EM záření na reálném povrchu a významně ovlivnit různé procesy. Mezi těmito procesy: Světelný rozptyl adsorbovaný na povrchu částicemi; generování vyšší harmoniky při odrazu laserového záření z kovů; Změna absorpce; Fotochemické reakce; Tvorba periodických konstrukcí povrchu. PEV je lokalizován v blízkosti povrchu a exponenciálně fade podél obou stran. 2.1: () A \u003d A0 EXP (± ψ1,2Z) Exp I KX S ωt. (2.1) Riga Lokalizace PEV na rozhraní PEV sekce není přísně příčné elektromagnetické vlny, ale jsou částečně podélné elektromagnetické vlny TM typu: Magnetický vektor H, kolmo ke směru propagace PEV (vlnový vektor k S) , leží v rovině povrchu. Elektrický vektoru má dvě komponenty: E Z kolmá k povrchu a E X podél vlny vektoru k S. Rýže Interference PEV s pádem, odráží a před-

20 s rozbitými vlnami určuje povahu elektromagnetického pole na povrchu a jeho rozptýlení (absorpce). V důsledku toho může mít čistý, neoxidovaný povrch velmi vysokou absorpční kapacitu A 1, pokud má povrchová úleva určitou periodicitu, hloubku modulace a orientace. Vzhledem k tomu, libovolný drsnost může být předložen své prostorové Fourierova spektra v zásadě problém difrakce na drsnosti povrchu se redukuje na úkolu difrakce na sinusové reliéfu. Výsledná elektromagnetická pole se získají superpozicí incidentu a veškerá difrakce na Fourierových mřížích vln. Zvažte pád ploché elektromagnetické vlny E (X, Y, Z, T) \u003d EXP (IKX + IK Z Ω) + êî ïëïïïïïïr. Iitz na povrchu média s dielektrickými konstantními složkami elektrických a magnetických polí PEV (2.2) 2 ε (ω) \u003d ε (Ω) + i ε (Ω) \u003d (n + im) (2.3) a magnetická permeabilita μ \u003d 1, plnicí poloprostoru Z £ (x, y) \u003d 2 aq cos (QR + φ) \u003d ξq exp (IQR) + êîììïïïïï .., (2,4), kde k Ω vlna vektor dopadající elektromagnetické vlny k 0 0 \u003d a, v tomto pořadí, C kt \u003d k0 sin θ Ð di Åêèè í a i ñü x; (2.5.a) kz \u003d k0 cos θ ï ðê Åêêèÿÿ ívání à ñ ñü Z, (2.5.b) kde q 2π vlnová vektor mřížce q \u003d; r \u003d () xy, poloměr vektoru, d leží v rovině z \u003d 0; θ Úhel incidence elektromagnetické vlny. devatenáct

21 V důsledku difrakčního radiační difrakce (2.2) na modulovanou hranici (2.4) se vyskytuje sada difrakčních polí jako mimo médium E \u003d E EXP (IK R + y Zi ω t) + êîì ïïï. 20 20 pppp γ \u003d kkpp 0 a vnitřní střední E \u003d E EXP (IKR γ zi ω t) + El ïëïïïï PPPP γ \u003d kk ε, str 0 kde index P (p \u003d 0, ± 1, ± 2). znamená, že pořadí difrakce ; k \u003d k p q p T (2,6) (2,7) (2,8) Hodnota P \u003d 0 odpovídá zrcadla odráží a láme Frenelly vlny. Výrazy pro amplitudy pole mimo a uvnitř média se stanoví z řešení Maxwellových rovnic a okrajové podmínky pro součást celkového elektromagnetického pole. Jsou uvedeny ve speciální literatuře a jsou poměrně složité. Současně mohou být některé PEV charakteristiky získány od běžných jednoduchých pohledů, například pomocí vektorových diagramů zákona o zachování impulsu. Zvažte difrakcované vlny 1. pořadí (p \u003d ± 1). V důsledku difrakce na sinusové reliéfu mají tyto dva vlny vlnové vektory k1 \u003d k t q (ñò êñ â â â â â); (2.9), k \u003d 1 k + t q (AI a E E E a a ei a), (2,10), co může být reprezentován jako vektorový diagram. Na Obr. 2.3 Kruh s poloměrem R \u003d K 0 se rovná velikosti vlnového vektoru padající vlny. Samozřejmě, že incident p polarizovaná vlna bude zvláště účinně excitovat povrchovou vlnu (rezonanční pouzdro), když vlnový vektor stoků a / nebo anti-tahu vln se rovná vlnovému vektoru padající vlny: KP K (2.11) 0,

Přednáška 11 Plan 1. optických jevů na rozhraní Rozhraní: odraz a lom polarizovaného světla na hranici sekce .. Frenelly vzorců. 3. Účinek pivovarů. 4. Změna fáze světelné vlny, když

W09 elektromagnetické vlny. Polaritons. Obraťme se na zvážení vlastností elektromagnetických vln v různých prostředích. Všechny známé rovnice Maxwell budou použity ve formě 1 B DIV D 0 hniloba E t (1)

3 3. Harmonický oscilátor, jarní, fyzikální a matematický kyvadlo. Fyzikální kyvadlo. Fyzikální kyvadlo se nazývá pevné těleso, které je pod vlivem závažnosti váhání kolem

Absorpce světla optickými fonony. IR spektroskopie. Obsah kvalitativní úvahy ... 1 Poměr Leeddein-Sax teleler ... 2 Uvedení experimentu a příklady experimentálních dat ... 6 Seznam

1 Studium optické absorpce polovodičů Cílem práce: Seznámení s fenoménem absorpce kyslíku s polovodičem, měření absorpční spektra CD a krystalů GAAS v místnosti

Povrchové elektromagnetické vlny v optice. Výuka plasmon-Polaront na hranici části dvou prostředí Verkoprov AO, Eremeeva A.a. Moderní optika, silně se změnila po vzhledu laserů

Přednáška 6 Termooptické jevy s velmi vysokými intenzitami světelných otázek: 1. Optický členění média .. Dopad a tepelné nelineární účinky. Koncept síly optiky. Síla strávení. Efektivní

) Při tom, jak by měl úhel padat paprsek světla ze vzduchu k povrchu kapaliny, takže když se dno skleněné nádoby odráží (n \u003d, 5) naplněnou vodou (n2 \u003d, 33), Světlo bylo zcela polarizováno. 2) Co.

13 "výroba a rekombinace nosičů nábojů" tvorba volných elektronů a děr tvorby nábojových nosičů se vyskytuje, když je tepelný chaotický pohyb atomů krystalové mřížky

Světelná disperze je známa, že pro homogenní lineární izotropní (\u003d onst), ne magnetické (\u003d) médium v \u200b\u200bnepřítomnosti nábojů a proudů (\u003d; J \u003d) z Maxwellových rovnic, může být získána vlnová rovnice: E t

Typické otázky k testování (část) Maxwell Equations 1. Celkový systém Maxwellových rovnic pro elektromagnetické pole má formu: Uveďte důsledek, které rovnic jsou následující tvrzení: v přírodě

I..3 hlavní vlastnosti elektromagnetických vln. 1. Přechod a ortogonalita vektorů E R a H r Systém Maxwellových rovnic umožňuje správně popsat výskyt a distribuci elektromagnetického

Práce 5.9 Studium plynové laserové vybavení: plynové laserové, difrakce a interferenční sada, měřicí pravítko, obrazovka. Úvod Fenomén interakce světla s látkou s normálním termodynamickým

Kapitola vlny optika. Interference a difrakce ... Interference koherentních vln .... Podmínky pro projev rušení. Interference vlny - navíc v prostoru dvou nebo několika vln, ve kterém

Světlo vlny optika je komplexní fenomén: V některých případech se světlo chová jako elektromagnetická vlna, v jiných - jako proud speciálních částic. Nejprve budeme studovat vlnovou optiku - kruh jevů, na základě

Přednáška 14 Interakce světla s látkou Dnes: úterý, 12. listopadu 2013 Přednáška Obsah: Světelná disperze Skupina Speed \u200b\u200bElementary Teorie Disperzní absorpce Světlo Rozptylovací světlo 1. Disperze

Vlnové vlastnosti světla povaha světla dvojí (dualistické). To znamená, že světlo se projeví jak jako elektromagnetická vlna, a jako tok fotonových částic. Foton Energy ε: Kde H je konstantní prkno,

Prosinec 1992 objem 162, 12 úspěchů fyzikálních věd Metodické poznámky Interference proudové složky elektromagnetického pole A.a. Zvonky, (Moskevský institut fyziky a technologie, Moskovsky Stankoinstrumentální

Lekce 1 Téma: Equilibrium Tepelné záření Quantum Radiační Příroda Účel: Stephen-Boltzmann Zákony, vinné fotony Formula Planck Radiační tlak Průtoková hustota Stručná teorie Vyhřívaný

Světelné rušení. Lukyanov i.v. Obsah: 1. Koncepce intenzity světelného potoka .. Elektronická teorie Kovy drudy. 3. Světelný tlak. 4. Interferenční monochromatické vlny. Koncepce intenzity

Státní vysokoškolská instituce "Doneck National Technické univerzity" Ústav fyziky Zpráva o laboratorní práci 95 Seznamte se s prací Neon Laser Helium a studium vlastností laseru

Katedra experimentální fyziky SPBGPU Laboratorní práce 202 Teplotní závislost odolnosti proti kovu a polovodičové objektivní Definice odporu teplotního koeficientu

Laboratorní práce 17. Polarizace. Zákony Malyus a Brewer. Birefringence. Účelem práce: Kontrola zákonů Malyus a Brewster. Získání elipticky polarizovaných světel od lineárně polarizovaného

Zkouška Model Thomson Atom Komplexní polarizovatelnost atomů (pokračování) 4πρq Q ɺɺ R + γRɺ + R \u003d E 3 V této rovnici pohybu středu elektronického skořápku zavádíme označení 4πρq 3 ρq (systém)

Téma 3. Elektromagnetické vlny v podstatě. Str.1. EMV v látce p.2. Disperze. Str.3. EMV v vodivé látce str.4. Disperze a atenuace EMV v dielektrickém p.5. Polarizace 1 str.1. EMV v problému s látkou:

Nižnij Novgorod Státní univerzita. N. I. Lobachevsky Radiophysical Fakulta katedry ústavu Elektronické zprávy o laboratorní práci: Měření životnosti a difúzní délka ne rovnovážných nosičů

Zkouška Stav fázového synchronismu (pokračování této překážky může být způsobeno Birefringence (dva různé index lomu v krystalu Skutečnost je, že dva jsou distribuovány v krystalu

Světelná disperze Polarizační vlnová optika Disperze světla Závislost indexu lomu N látce z frekvence ν (vlnová délka λ) světla nebo závislosti fázové rychlosti závislosti v lehkých vlnách z jeho frekvence

Optika Interference Světle přednáška -3 Postnikov Ekaterina Ivanovna, docent katedra experimentální fyziky 5 Světelné interference Světelné vlny Světlo komplikovaného fenoménu: V některých podmínkách se chová jako

Obecné otázky 1. Co je spektrální elipsometrie (bez matematiky)? Spektrální elipsometrie je nedestruktivní, bezkontaktní a neinvazivní optická metoda, která je založena na bodě změny

67 Kapitola 8. Interakce světelných vln s volných elektronů v předchozích kapitolách Nejčastěji se předpokládá, že elektrony, které se světelné vlny interaguje je v souvisejícím stavu.

Snížení: OPR F-QA F-LA - PR - Definice formulace vzorce Příklad 1. Elektrické pole 1) Základní vlastnosti nabíjení (seznam) 2) Cool právo (F-LA, obr.) 3) elektrické napětí vektoru

Možnost 1. 1. a) Světelný zdroj s jasem L \u003d 200 CD / m2 je ve vzdálenosti s 1 \u003d 20 cm od jemných čoček s ohniskovou vzdálenost \u003d 10 cm. Sestavte průběh paprsků, najít , v jaké vzdálenosti se nachází s 2

Laboratorní práce Stanovení optických trvalých tenkých kovových filmů pomocí plasmonové rezonance Kononov MA Nai Ek. Počítačový model "Optické vlastnosti kovových filmů" v

Optika optika se nazývá část fyziky, která studuje jevy a zákony spojené s výskytu, šíření a interakce světla elektromagnetických vln (390 nm λ 750 nm). Geometrický

1 tlak a puls elektromagnetických vln tlaku elektromagnetické vlny na povrch dokonalého vodiče 1. Elektromagnetické vlny, odrážející nebo absorbující v tělích, vložte na ně tlak. to

Výzkum difrakce světla Lipovskaya M.yu., Yashin Yu.p. Úvod Světlo se může projevit buď jako vlnu, nebo jako tok částic, které nosí název korpuskulární vlny dualismu. Interference I.

Disperze světla. Tepelná radiační přednáška 7 Postnikov Ekaterina Ivanovna Doformát profesora katedry experimentální fyziky Rozptýlení světla Disperze Svítí závislost fázové rychlosti C (index lomu

Práce 5.10 Stanovení šířky zakázané polovodičové zóny na okraji vlastního absorpčního zařízení: chráněný monochromátor UM-2, žárovka, galvanometr, galomometr, photorezistance sírové kadmium,

Optika optika Tato část fyziky, ve kterém jsou studovány vzorce světelných jevů, povahy světla a její interakce s látkou. Světelný paprsek je linie, podél které se rozsvítí světlo. Zákon

Fyzikální principy screeningu zvážit kvalitativně fyzické principy stínění. Analýza bude provedena pro plochou vodivou obrazovku. Na Obr. XX je reprezentován nekonečně prodlouženým plochým kovem

Frenel Frenel Execum Ambulované výsledky odrazu a průchodu Najít amplitudy odražených a refraktovaných vln z okrajových podmínek, s přihlédnutím k příčnému světelných vln a s přihlédnutím k zákonům reflexe

Zkoumání lomu (právem Snellius a zákonem odrazu advokátní Snellulus může prokázat pomocí Guigens staveb budeme to dělat při posuzování crystallopters, a teď se nám to ukáže jinak

4. Celý vnější odraz rentgenového záření považováno za v předchozí části Úhel Minimální zarovnání (O) min, ve kterém X-ray záření prochází z vakua do nějaké středu

Otázky k testování 1 "optika" 1. Seznam zákonů odrazu světla. Jak v zásadě dostanete obrázek v plochém zrcadle? 2. Seznam zákonů refrakce světla. 3. Jak vysvětlit skutečnost lomu světla?

Test Ve Skupinách MP 0 MP 5 obsahuje testovací otázky a úkoly podle témat:. Elektromagnetická indukce. Indukčnost samozdivnosti 3. Magnetické pole energie 4. Elektrická oscilace proměnná

Polovodiče Polovodiče pevných těles, v nichž t \u003d 0, mocenství zóna je zcela naplněna a oddělené od vedení zóny úzké, ve srovnání s dielektriky, zakázané zóny se předpokládá, že šířka

Polarizace elektromagnetických vln. (Podle popisu úkolů dílny 47 a 4 z elektromagnetické teorie světla na základě rovnic Maxwell, to znamená, že světelné vlny jsou příčné. To znamená,

Laboratorní pracovní světlo Interference. Fresnel BiPrism. Cílem práce je studium interference světla na příkladu zkušenosti s bigrafismem Fresnelu, určit úhel lomu biprismů, aby se odchýlil laserový paprsek

Polarizace rozptyl světla Wave Optics Light polarizace Fenomén Organizace Trhací E E E E E E E vektor elektrického pole Tension Vector, Light Light polarizace

Laboratorní práce 9a Studium difrakčních jevů s použitím laserových fyzikálních principů provozu optických kvantových generátorů. Laser (optický Quantum OCG generátor) je zařízení,

„Výpočet koncentrace nosičů náboje v krystalu“ The leadingness jakýchkoli pevných těles je určeno především na koncentraci elektronů a děr, které mohou tolerovat náboj. Koncentrace nosičů náboje

Laboratorní práce 10 Stanovení materiálních ztrát ve filmových vláknech Účelem práce Výpočet koeficientu extinkce pro vodítko světelného světla za použití hodnot jeho optické konstanty měřené

Pivovarské rohové zkoušky a laserové trubky roh π Zvažte stav α + a \u003d, kde α úhel pádu světla na okraji části dvou médií, α úhel lomu π, pokud α α tg α α je výraz r \u003d Tg α +

3. Difrakce světelné difrakce je sada jevů pozorovaných v šíření světla v médiu s ostrými heterogenitami a spojené s odchylkami od zákonů geometrické optiky. Difrakce,

Fyzikální materiály Přednáška 11 Mechanismy elektrické vodivosti elektrické vodivosti. Měření elektrické vodivosti, volumetrické a povrchové elektrické vodivosti. Emise: termoelektronický, auto-elektronický,

Typy elektronických emisí Fyzikální procesy ve vakuových elektronických zařízeních a zařízení: Elektronové emise ze žárovcových, studených a plazmových katod; Formace (zaostření) a

Laboratorní práce 19 Interní Fotofec. Studium vlastností fotorezistoru Účelem práce: experimentálně prozkoumat voltamper, lehké a spektrální vlastnosti odolnosti fotografií.

Pro práva rukopisů

Nethekin Alexey Yuryevich.

Interakce laserového záření

S vícevrstvými materiály

01.04.21- Laserová fyzika

pro vědecký titul

lékaři fyzických a matematických věd

Petrohrad - 2011

Práce byla provedena ve federální státní rozpočtové vzdělávací instituci nejvyššího odborné vzdělávání "Státní polytechnická univerzita St. Petersburg"

(FGBOU VPO "SPBGPU")

Vědecký konzultant:

Privalov Vadim Evgenievich.

Oficiální oponenti: Doktor fyzických a matematických věd, profesor

Aksenov Evgeny Timofeevich.

doktor fyzických a matematických věd, profesor

Tolmachev Yuriy Alexandrovič.

doktor fyzických a matematických věd, profesor

Fedortsov Alexander Borisovich.

Vedoucí organizace: Baltský státní univerzita "Milnamekh" je. D.f. Ustinov.

Ochrana bude "" 2011 v _______

na zasedání disertační rady D 212.229.01 s FGBOU VPO "St. Petersburg State Polytechnická univerzita" 195251, Rusko, St. Petersburg, ul. Polytechnic, d. 29, k. 2, A.470.

Disertační práce naleznete v základní knihovně.

FGBOU VPO "St. Petersburg State Polytechnická univerzita"

Vědecký tajemník

rada disertační práce

d.t. Profesor Korotkov A.S.

Obecný popis práce

Disertační práce je věnována analýze procesů interakce laserového záření ve vícevrstvých materiálech s použitím metod matematického modelování.

Relevance tématu. V posledních letech se metody založené na používání laserového záření staly rozšířenými pro diagnostiku vnitřní struktury různých opticky nehomogenních předmětů, zejména najít aplikaci v medicíně, biologii, vědách o materiálech, atmosférickém a oceánu fyzice a dalších oblastech Moderní věda.

Zvláště zajímavý je interakce laserového záření s vícevrstvými biologickými materiály. V závislosti na hustotě energie, tři typy účinků laserového záření interakce se vyznačují s biologicality: fotochemický, s relativně malými hodnotami hustoty výkonu; Tepelné, s průměrnými hodnotami hustoty výkonu a fotomechanické (nelineární), s velmi vysokou energetickou hustotou a velmi krátkým zářením dodání. Se zvýšením hustoty radiační energie dodávané v průběhu krátkého časového intervalu dochází k výbušnému odstranění materiálu (fotoabulate).

Vzhledem k vícevrstvé a vícesložkové struktuře biotisí, interakce záření s ní je velmi složitá. Například, zrohovatělá vrstva kůže odráží dopadající záření, zatímco kolimovaný paprsek světla se převede na difuzních díky mikroskopickým heterogenity na vzduchové rozhraní - rohové vrstvy. Většina odražená kůže světla je tvořena reverzním rozptylem různými vrstvami tkaniny (nadržená vrstva, epidermis, dermis, mikrovaskulární systém). Absorpce lehkých pigmentů kůže poskytuje kvantitativní informace o koncentraci bilirubinu, saturace hemoglobinu kyslíku a obsahu léčiv ve tkáni a krvi, což je základem diagnostických metod řady onemocnění.

Zvýšit účinnost moderní metody Laserová diagnóza, jakož i rozvíjet nové metody, vyžaduje podrobnou studii vlastností procesu šíření světla ve vícevrstvých médiích, včetně biologických položek. V současné době však neexistuje přesná teorie k popisu šíření světla ve strukturně nehomogenních médiích a experimentální studie komplikovány obtížemi udržováním stálosti svých konstrukčních dynamických parametrů. V tomto ohledu je rostoucí role získána počítačovou simulací procesů šíření laserového záření. To vám umožní více pečlivě prozkoumat vlastnosti procesu šíření laserového paprsku v modelových médiích, jakož i zkoumání závislosti výsledků získaných z různých parametrů měřicího systému a předmětem předmětu, který je velmi obtížný pokus. To vám umožní rozvíjet doporučení o nejefektivnějším diagnostickém měření.

Chcete-li interpretovat výsledné výsledky a správnou diagnostiku předmětu studia, je nutné znát parametry propagace světla v něm, což je dosaženo porovnáním experimentálních dat a výsledků počítačová simulace nebo teoretické výpočty, pokud jsou použitelné v posuzovaném případě. Jednou z hlavních problémů při výpočtu šíření záření v biologických objektech je volba metody. Díky rychlému vývoji výpočetní techniky se často používá statistická zkušební metoda Monte Carlo. Ve vztahu k šíření záření ve vícevrstvých médiích je tato metoda založena na vícenásobném opakování numerického experimentu výpočtem náhodné trajektorie fotonů v médiu ve studii, po němž následuje zobecnění získaných výsledků. Při akumulaci dostatečně velkého počtu statistických údajů, metoda umožňuje porovnání s experimentálními výsledky, stejně jako předpovídat výsledky experimentů. Přesnost takového modelování je určena náklady na stroj, stejně jako korespondence modelu na simulovaný objekt.

Důležitým problémem v modelování je správný výběr hodnot parametrů modelu používaných pro výpočet, který nelze explicitně měřit. Je třeba poznamenat, že v některých případech, zejména pro mnoho svobodných, existuje významný rozdíl mezi hodnotami jejich optických vlastností získaných různými autory.

Všechny výše uvedené potvrzují relevanci tématu a umožňuje nám formulovat účel této disertační práce.

Účel disertační práce byl:

Studium procesů, které jsou základem interakce laserového záření různých intenzit s vícevrstvým biologickým prostředím, vytvořením modelů těchto procesů, na jedné straně řešení z hlediska řešení obecného problému interakce laseru Záření s látkou a na druhé straně odrážející specifika vícevrstvých biologických materiálů.

Dosažení požadovaného cíle:

1. Vývoj teoretických metod pro studium a analýzu biologických prostředí, což znamená kritickou analýzu stávajících teorií a modelů pro šíření světla v biologických prostředích a zvážení mechanismů pro interakci laserového záření s biologickými tkáněmi složité geometrie.

2. Vytvoření fyzického matematický model Šíření laserového záření v médiích s libovolnou asymetrickou geometrií, která zahrnuje uzavřené vnitřní nehomogenitosti složitého tvaru a způsoby pro posouzení jeho stupně přiměřenosti.

3. Analýza možností využití vyvinutého modelu k řešení čistě praktických úkolů a vytváření nových diagnostických technik založených na něm.

Vědecká novinka

V díle je zobecnění, která je současná práce, autor poprvé:

1. Vytvořený vědecký koncept a způsoby studia interakce laserového záření s biologickými tkáněmi, libovolnou asymetrickou geometrií, včetně uzavřených vnitřních nehomogenetů složité formy.
2. Navrhovaná nová konstrukční plocha modelování byla navržena, reprezentována ve formě mřížky s tetrahedronovými prvky, která poskytuje trojrozměrné modelování procesu šíření radiačního šíření ve vícevrstvých strukturách, což umožňuje pracovat s biologickými médii libovolné geometrie.
3. Teplotní reakce se detekuje teplotní reakcí se zahrnutím nanočástic pro ozáření s ultrafialovým zářením. Změna hustoty absorbované světelné energie a teplotních polí se vypočítává v závislosti na vlnové délce incidentového záření, koncentraci a dislokaci testovaných nanočástic na médiu.

4. Původní model laserové ablace z pevných biologických tkání, s přihlédnutím k vícevrstvým biologickým materiálům, je vyvinut a teoreticky zdůvodněn. Použitelnost tohoto modelu se ukázalo, že popisuje stávající experimentální údaje o laserové ablaci vícevrstvých biologických tkání.

Spolehlivost výsledků

Přesnost získaných výsledků a závěrů je zajištěna přiměřenost použitých fyzikálních modelů a matematické metody, Správnost použitých aproximací, reprodukovatelnost vypořádání a experimentálních údajů, jakož i jejich dodržování výsledků získaných jinými autory.

Vědecký a praktický význam

Velký vědecký úkol v interakci laserového záření s vícevrstvými materiály jakékoliv geometrie byl vyřešen. To vám umožní shrnout všechny uvedené výsledky a zvyšovat vědecký a praktický význam nejen výsledků uvedených v disertační práci, ale také dosáhnout více užitečných výsledků.

Získané výsledky mohou být použity jako metody optické diagnostiky biologických tkání - například v optické koherentní tomografii.

Způsob výpočtu teplotní reakce biotcakes s použitím nanočástic při ozáření se světlem UV a UV-B rozsahy je certifikováno jako metodika státní služby standardních referenčních dat (GSSD), certifikátu č. 150.

Skvělá praktická aplikace mají výpočty parametrů laserové ablace pevných biologických tkání. Mohou být použity v laserové chirurgii a stomatologii.

Výsledky získané v disertační práci mohou být také aplikovány ve vzdělávacím procesu - při přípravě studentů, postgraduálních studentů, v přednáškách v přednáškách ve specializované "laserové fyziky".

Hlavní ustanovení

1. Koncepce a způsoby studia interakce laserového záření s nehomogenními víceschopnými tkáněmi a médii s komplexní geometrií, což umožňuje popsat procesy radiační interakce s vícevrstvými materiály a zaměstnanci k vytvoření systémového softwaru pro reálné diagnostické techniky, zařízení a zařízení.

2. Model distribuce hustoty absorbované energie pro různé oblasti záření ve vícevrstvých médiích s libovolným asymetrickým provedením vypočteného média se zahrnutím uzavřených vnitřních vnitřních nehomogenití složitého tvaru, s použitím trojrozměrného způsobu Monte Carlo a konečného množství -Lement oddíl.

3. Hlavní mechanismy pro interakci laserového záření různých intenzit s vícevrstvými tkáněmi, které umožňují stanovit podmínky pro výskyt tepelných procesů a pro posouzení možností použitelnosti vyvinutého modelu pro studium tepelné zátěže vícevrstvých tkání charakteristiky ablačních procesů v nich.

4. Teplotní reakce je rovnoměrná se zahrnutím nanočástic na ultrafialové záření ozáření, což umožňuje vzít v úvahu vlnovou délku dopadajícího záření, koncentrace a dislokace testovaných nanočástic do média.

5. Model laserové ablace pevných biologických tkání s přihlédnutím k vícevrstvým biologickým materiálům.

Publikace a schválení výsledků

Hlavní výsledky výzkumu uvedeného v disertačních pracích byly uvedeny a diskutovány na následujících vědeckých konferencích:

Daleko východní konference s mezinárodní a ruskou účastí. "Nové lékařské technologie na Dálném východě" (Khabarovsk, 1996); Regionální vědecké sympozium "Ekologie a onemocnění dýchacích orgánů, použití při léčbě nových technologií" (Birobidzhan, 1997); II Daleko východní vědecká konference "Nové lékařské technologie na Dálném východě" (Vladivostok, 1998); III Daleko východní regionální konference "Nové vědecké technologie v Dálném východním regionu" (Blagoveshchensk, 1999); III Mezinárodní vědecká a technická konference "Quantum Electronics" (Minsk, 2000); III Regionální vědecká konference "Fyzika: Základní a aplikované studie, vzdělávání" (Blagoveshchensk, 2002); Regionální školní sympozium "Fyzika a chemie pevného těla" (Blagoveshchensk, 2003); Mezinárodní konference "Laserové optické technologie v biologii a medicíně" (Minsk, 2004; Čtvrtá Asie-Pacifik konference "Základní problém Opto-a mikroelektroniky (Apcom 2004) (Khabarovsk, 2004); IV mezinárodní konference mladých vědců a odborníků" Optika 2005 "(St. Petersburg, 2005); v regionální vědecká konference" Fyzika: Základní a aplikované studie, vzdělávání "(Khabarovsk, 2005); mezinárodní sympozium" Principy a procesy vytváření anorganických materiálů (třetí Samsonovsky čtení) "(Khabarovsk, 2006) ; VI regionální vědecká konference "Fyzika, základní a aplikované studie, vzdělávání" (Blagoveshchensk, AMSU, 2006); Vědecké zasedání MEFI-2007 (Moskva, 2007); mezinárodní konference "Pokročilé laserové technologie" (Alt) (Levi, Finsko) , 2007); mezinárodní konference "lasery. Měření. Informace. Informace. 2008" (St. Petersburg, 2008); XV All-ruská vědecká a metodická konference "Telematika 2008" (St. Petersburg, 2008); International Optický kongres "Optika -hhi století" (St. Petersburg, 2008); XVI Mezinárodní vědecká konference "Laserové informační technologie v medicíně, biologii a geoekologii" (Novorossiysk, 2008); Mezinárodní konference "Lasery. Měření. Informace. 2009 "(St. Petersburg, 2009); VIII Regionální vědecká konference "Fyzika: Základní a aplikované studie, vzdělávání" (Blagoveshchensk, 2009); Mezinárodní konference o pokročilých laserových technologiích (ALT 09) (Antalya, Turecko, 2009); XX Mezinárodní sympozium na bioelektrochemii a bioelergetics (Sibiu, Rumunsko, 2009); Mezinárodní konference "Lasery. Měření. Informace "(St. Petersburg, 2010); Mezinárodní konference "Laserové aplikace v Life Sciences" (Lals 2010) (Oulu, Finsko, 2010).

Všechny původní výsledky uvedené v diplomové práci jsou získány autorem osobně nebo pod svým vědeckým vedením.

Struktura a rozsah disertační práce

Práce se skládá z zavedení, pěti kapitol a závěrů. Obsahuje 262 stran psacího textového textu, včetně 105 kreseb, a seznam použitých zdrojů, číslování 214 položek, včetně 35 odkazů na hlavní publikace autora o tématu diplomové práce.

Shrnutí disertační práce

V úvodurelevance tématu práce je odůvodněna, jsou formulovány cíle a cíle práce, jsou uvedeny hlavní ustanovení předložená ochrany, jsou uvedeny vědecká novinka získaných výsledků, jejich praktická hodnota a spolehlivost. Jsou prezentovány hlavní rysy interakce laserového záření s vícevrstvými tkáněmi.

V první kapitolestručný přehled stávajících teorií používaných k popisu šíření laserového záření ve vícevrstvých tkáních, aby si vybral nejpopulnější matematický přístup k analýze těchto procesů.

Důraz byl kladen na analýzu dvou hlavních přístupů k řešení problematiky šíření šíření ve vícevrstvých médiích.

První z nich je založen na teorii vlny interakce záření s látkou, která je založena na Maxwellových rovnicích a vlnové rovnici. Médium se vyznačuje rozptylu koeficienty a koeficienty absorpce částic, které jsou specifikovány ve formě náhodných proměnných z prostorových souřadnic. V důsledku toho se získají vhodné integrální nebo diferenciální rovnice pro tyto statistické hodnoty jako disperzní a korelační funkce. Takový přístup je matematicky přísný v tom smyslu, že je v zásadě možné vzít v úvahu účinky více rozptylu a vliv difrakce a interference. Nicméně, v takové výrobě společné rozhodnutí Dosud nebyly nalezeny, analytická řešení byla získána pouze pro velmi úzkou třídu úkolů souvisejících s poměru, zejména na silně vzácné média (biologické suspenze a řešení, mlha mraky v případě přímé viditelnosti objektu), což jasně komplikuje Možnost analyzování procesů vyskytujících se ve složitých vícevrstvých procesech. Prostředí

Alternativní přístup je založen na nejrozvinutější v současné době analytickou teorii přenosu (TP) záření (TP) záření, což jasně nevytváří z vlnové rovnice. Tato teorie pracuje přímo s přenosem energie v částic obsahujících médium. Předpokládá se, že každá rozptylová částice je dostatečně odstraněna ze svých sousedů, což eliminuje možnost interakce mezi konzistentní disperzní účinky, tj. Nepřítomnost korelace se předpokládá, že když pole jsou navíc, existují intenzity a ne samotné pole. Hlavní rovnicí TP je Radiační převodová rovnice:

kde - jas energie je rychlost pohybu fotonů, koeficient absorpce, koeficient rozptylu rozptylu, je fázová rozptylová funkce, photon zdrojová funkce je nekonečně malý prvek corngle.

Je ekvivalentní boltzmannské rovnici používané v kinetické teorii plynů a teorie neutronového přenosu. TP dobře popisuje mnoho fyzikálních jevů a úspěšně se používá v široké škále úkolů (viditelnost atmosférických a podvodních, mořských biologií, optika příspěvků a fotografických emulzí, při analýze šíření záření v atmosférách planet, hvězd a galaxií).

Doužívá se závěru, že teorie přenosu je nejvhodnější pro popis procesů spojených s množstvím optického záření ve vícevrstvých tkáních komplexní geometrie. Je možné řešit problémy optické difuzní tomografie a spektroskopie bio-objektů, aby se dosáhlo spolehlivé podvrstvy vrstvy vrstvy laserového záření uvnitř biologického vchodu. To však vyžaduje vývoj a vývoj nových metod pro řešení přímých a inverzních problémů pro přenos záření pro libovolné konfigurační prostředí a jakýchkoli okrajových podmínek. Je ukázáno, že pro řešení těchto úkolů je metoda Monte Carlo podporována, široce používaná numerické řešení Rovnice přenosu záření.

v druhý Kapitola, která je přezkumná analytická povaha, zvažována hlavní mechanismy pro interakci laserového záření s biologickými tkáněmi. Zvláštní pozornost je věnována zvážení tepelných účinků a ablaci biologických tkání.

Termín "tepelná interakce" popisuje velkou skupinu typů interakcí, kde je důležitý parametr lokální zvýšení teploty. Tepelný účinek laserového záření probíhá pouze v případě, že hustota výkonu je\u003e 10 w / cm2 pro kontinuální záření nebo pulzní záření s trváním pulsu více než 1 μs. Proto procesy způsobené fotochemickou reakcí záření s látkou vyskytující se při velmi nízkých hustotách výkonu (obvykle 1 W / cm2), a dlouhodobé doby expozice nejsou podrobně analyzovány.

V závislosti na délce účinku a maximální dosažené hodnoty teploty tkáně lze rozlišit různé tepelné účinky - jako je hypertermie, koagulace, odpařování, karbonizace (Charring) a tavení.

Teplota je Basic fyzická hodnotaCharakterizace všech tepelných interakcí světla s hadříkem. Pro předpovídání tepelné odezvy musí být vytvořen model distribuce teploty uvnitř tkáně. Často v biologických tkáních nejsou jedním, ale několik tepelných účinků (v závislosti na parametrech laseru). Přidělit reverzibilní a nevratné poškození tkáně. Vzhledem k tomu, že kritická teplota buněčné nekrózy je určena časem ozařování, neexistuje přesná hodnota teploty, při které lze reverzibilní účinek rozlišovat od nevratného. Stupeň poškození biativců je proto stanoveno energií, objemem a trváním ozáření. Možné tepelné procesy jsou znázorněny na OBR. 1. Lokalizace a prostorová délka jakéhokoliv tepelného účinku závisí na teplotě biotrubice během a po laserovém expozici.

Obr. 1. Lokalizace tepelných účinků uvnitř biologické tkáně.

Jedním z těchto procesů je fotoabulace, která spočívá v tom, že materiál se rozkládá pod působením vysoce intenzitního laserového záření (hustota výkonu - 107-108 W / cm2, pro nanosekundové laserové pulsy). Hloubka ablace, tj. Hloubka odstranění materiálu pro jeden puls, je určena pulzním energií až do určitého limitu sytosti. Geometrie vzorku během ablace je určena prostorovými charakteristikami laserového paprsku.

Vytvoření modelu, který popisuje závislost hloubky ablace z intenzity radiačního záření, většina skupin byla založena na předpokladu spolehlivosti zákona o bugger-lambertu, aby absorboval světlo.

Photoabulace nastane, pokud:

kde IPH-prahová hodnota radiační intenzita vedoucí k fotobanci. Tento stav ukazuje: Pro výrobu fotoabulace, určité množství energie by mělo být absorbováno v jednotce objemu na jednotku času. Prahová intenzita IPH je určena minimálním počtem spojení, které je třeba zničit, aby se rozdělily.

Ablační hloubka d, tj. Hloubka, při které jsem (z) \u003d IPH:

Tento jednoduchý model popisuje procesní proces dobře, s výjimkou prahových hodnot IPH na začátku fotoableace a IPL na začátku plazmové formace.

Analýza stávajících mechanismů pro interakci laserového záření s vícevrstvými biotiszemi umožnila dospět k závěru, že pro studium a hodnocení tepelných účinků je nutné vyřešit nestacionární rovnici přenosu tepla s přihlédnutím k podmínkám a konkrétní úkol. Jako takové problémy, v tomto článku se uvažuje: Teplotní reakce biotcinetů, s přihlédnutím k různým inkluzí a výpočet parametrů laserové ablace laserového vícevrstvého biologických tkání, které jsou řešeny ve 4. a 5. kapitolách.

Třetí hlava Je věnováno řešení problému konstrukce matematického modelu pro šíření optického záření v nehomogenním biologickém prostředí komplexní geometrie, s přihlédnutím k vícevrstvé struktuře reálného měřítka, určeného pro výpočet a analýzu distribuce hustoty absorbované lehké energie v různých vrstvách.

V rámci tohoto problému je věnována zvláštní pozornost vývoji dálkových optických metod pro diagnostiku vícevrstvých biologických prostředí. Nejznámější metody však neberou v úvahu změny v optických a geometrických parametrech předmětů, které jsou předmětem studia, především lokálními nehomogenitami. Z hlediska modelování vizualizace těchto objektů je nejvhodnější je použití statistické metody Monte-Carlo založená na šíření záření ve formě potoka modelových vlnových paketů, z nichž každá je tvořena Kombinace fotonů určité "odrůdy" s danou energií a směrem distribuce. To znamená, že modelový balíček nevykazuje takové vlastnosti jako fáze a polarizaci a je kvasiparticle, který je schopen vytvářet podobné energetické částice při interakci.

Rozložení intenzity uvnitř biotube je funkce absorpčního koeficientu A, rozptylový koeficient S, anizotropický parametr g, stejně jako velikost laserového paprsku. To vede k významným obtížím v kvantitativním radiací dozimetrii s laserovou terapií. Studie distribuce světla uvnitř biotube s komplexní vícevrstvou strukturou za účelem zjednodušení analýzy mohou být prováděny v rámci jednorozměrné teorie, která je platná, když jsou rozměry laserového paprsku mnohem větší než hloubka Penetrace světla do tkaniny, která je implementována pro mnoho typů fototerapie. Typické příklady Vícevrstvé bije jsou kůže, stěny močového měchýře, dělohy, cév.

Použití metody Monte Carlo je založeno na použití makroskopických optických vlastností média, které se předpokládá, že jsou homogenní v malých objemech tkáně. Modelování nebere v úvahu distribuci distribuce energie radiační energie uvnitř samostatné buňky. Známé algoritmy vám umožní vzít v úvahu několik vrstev biologické tkáně s různými optickými vlastnostmi, konečnou velikostí dopadajícího paprsku, odraz světla z hranic sekce vrstvy.

S vysokou přesností a univerzálností, hlavní nevýhodou metody Monte Carlo je vysoká doba stroje. Ačkoli vývoj hardwarových a softwarových nástrojů výpočetní techniky snižuje úlohu časového faktoru, vývoj nových prostředků laserové diagnostiky a terapie vyžaduje vytvoření účinných, relativně jednoduchých a spolehlivých algoritmů metody Monte Carlo. Například nová metoda kondenzovaného Monte Carlo umožňuje získat řešení pro jakýkoliv model albedu na základě modelování pro jednu konkrétní hodnotu albedo, což významně urychluje výpočty. Jsou také vyvinuty extrémně ekonomické hybridní modely, které kombinují přesnost metody Monte Carlo a rychlost difuzních teorií nebo aproximací analytických výrazů.

Teoretické modelování vám umožní prozkoumat soubor různých počátečních podmínek a volně interpretovat experimentální výsledky v reálném čase. To významně usnadňuje práci a snižuje náklady na dobu při plánování, připravit experimenty a analýzy získaných výsledků. Většina moderních studií v této oblasti je však založena na jednorozměrném nebo dvourozměrném znázornění mnohostranného prostředí rozptylu, které samozřejmě ukládá poměrně významná omezení použitelnosti získaných výsledků. V tomto článku je konstruován matematický model, což odráží proces trojrozměrné šíření optického záření v živým tkáním. Předpokládá se, že objem modelu modelu je sada adresovaných (indexovaných) objemových prvků trojrozměrného prostoru. Volba události možné pro modelový balíček se vypočítá, když je interakce nebo s elementárním objemem, nebo s povrchem, pokud je tato hrana průřezu mezi vrstvami s různými optickými vlastnostmi.

Model je založen na rovnici pro přenos radiace.

Uvažuje se o vícevrstvém biologickém médiu s neúplnými nehomogenitami libovolné formy, na kterém je tok fotonu směřován.

Simulované médium je nastaveno následujícími parametry: tlusté, rozptylové a absorpční koeficienty, středního cosinu úhlu rozptylu, relativní index lomu. Médium se zdá být kombinací náhodných rozptylu a absorpčních fotonů center (obr. 2).

Koncenční světelný paprsek (zdroj záření) se skládá z jednoho milionu balení fotonů vstupujících do média podél osy Z kolmenní k jeho povrchu (X, Y) v bodě s souřadnicemi (0, 0, 0). Počet fotonů v balení určuje energii dopadajícího paprsku. Všechny výpočty jsou vyrobeny v trojrozměrném kartézském souřadném systému.

Předpokládá se, že částice média, na kterém dochází ke rozptylu a absorpce jsou sféricky symetrické. Tato aproximace se běžně používají v takových případech a je založena na skutečnosti, že v procesu průchodu přes médium se silným rozptylem, foton interaguje s částicemi v různých úhlech. Proto je možné aplikovat průměrný indikátor rozptylu. Použití tohoto modelu a porovnávání numerických výpočtů s experimentálními výsledky ukázalo, že tato aproximace uspokojivě popisuje vlastnosti většiny biologických tkání.

Účet pro refrakci na hranici sekce dvou subdoméí, Fresnelova práva používá. Na Obr. 2 ukazuje příklad trajektorie fotonového pohybu v médiu. Funkce hustoty pravděpodobnosti volného kilometu fotonu před interakcí - - Je určeno ze zákona Bugra-Lambert-Bera takto:

tam, kde A je absorpční koeficient, S je rozptylový koeficient a T je kompletní útlumový koeficient rovný t \u003d A + S. Když foton odrazí úhel, předpokládá se, že oddoní směr individuálního distribučního směru na azimutální úhel, jejichž hodnota spočívá v intervalu. Asymetrický rozptyl není zvažován.

Chcete-li zohlednit absorpci, použije se metoda, nazvaný implicitní zachycení fotonů. Při modelování je pohyb non-každého fotonu zvažován odděleně, ale fotonový balíček. Photonový balíček (v budoucnu pro jednoduchost, balíček) simuluje pohyb sady fotonů podle podobné trajektorie, v důsledku toho, když interakce s médiem je absorbována pouze část fotonů z obalu a zbývající část pokračuje ve svém pohybu.

Obr. 2 je příklad trajektorie fotonového pohybu v médiu.

Vzhledem k tomu, že při popisu šíření laserového záření v biologicky s biologicky, je nutné vzít v úvahu skutečnou geometrii média, což může být poměrně složité, vícevrstvé, velikosti a úhlové rozložení inovačního záření Metoda Monte Carlo byla použita k implementaci modelu, který je dnes jedinou metodou, která vám umožní zvážit všechny výše uvedené vlastnosti dotčeného úkolu

Optické parametry biologického prostředí jsou komplexní funkce z prostorových souřadnic. Toto médium však lze rozdělit do dostatečně malých subdomén, ve kterých lze optické vlastnosti média zeptat přibližně, relativně jednoduché funkce, například konstantní, lineární a kvadratické funkce. Modelovat metodu Monte Carlo v trojrozměrný prostor Velmi důležitým faktorem je, jak se takový oddíl provádí.

Ukázalo se, že je prezentována metoda konečných prvků, které popisují komplexní prostředí. Střední geometrie je reprezentována jako síť, s pomocí aproximace odhadované plochy rozdělením na elementární buňky, jejichž prvky prvků jsou jedním z hlavních faktorů určujících přesnost a rychlost konvergence numerického roztoku problém. Snadnější forma dělení prvků, méně výpočtových zdrojů jsou vyžadovány pro výpočty.

Ukázalo se, že mřížky jsou považovány za vysokou kvalitu, kde každý prvek je správný nebo blízký správné tetrahedry. Použití takové aproximace simulovaného média významně zjednodušuje řešení přechodového úkolu mezi prvky (výstupem mimo prvek) a nalézt foton uvnitř prvku mřížky. Mřížka je považována za špatně, pokud obsahuje degenerované nebo blízké degeneračních prvků.

Dospěl k závěru, že s takovým oddílu může být počáteční geometrie vypočtené oblasti libovolná a simulované médium obsahuje vnitřní uzavřené nehomogenitě. Zkouška modelu se provádí na specifickém médiu (pokožce) sestávající z několika vrstev (nadržená vrstva, epidermis a dermis) se zavřeným nehomogenitou ve formě komplexního postavení ohraničeného dvěma elipsoidovými povrchy; Kromě toho, modelování vrstvy (obr. 3.). Centrum paprsku se posune vzhledem k počátečnímu souřadnicích podél osy ox o 0,001 cm a je směrován kolmo nahoru, jeho poloměr je 0,001 cm.

Zjednodušený schéma rozvinutého modelovacího algoritmu Monte Carlo je prezentován na obr.4. Foton je inicializován s jednou hmotností. Foton Step Velikost prvního obvodu interakce se nachází a foton se pohybuje. Pokud foton nechal hadřík, je zkontrolována možnost vnitřního odrazu. Pokud je foton interně odráží, jeho poloha se změnila a program pokračuje, jinak je foton odstraněn a zaznamenán případ odrazu (nebo propustnosti). S každým krokem se hmotnost fotonu klesá. Ztracená váha se přidá do lokálně přidruženého prvku pole v závislosti na poloze fotonu, která indikuje fotonovou energii absorbovanou tkaninou. Zbývající hmotnost fotonu se vypočítá statisticky, je vybrán nový směr a vypočítá se nový krok.

Obr. 3. Geometrie prostředí sídla.

Obr. 4. Modelovací algoritmus Monte Carlo.

Byla zohledněna úhlová divergence paprsku. Podle optických parametrů každé vrstvy známé z literatury, zejména absorpčního koeficienty, rozptylu a anizotropický parametr (střední cosinus úhlu rozptylu), byla vypočtena rozložení hustoty absorbované energie uvnitř média. Skok indexu lomu při hranici vzduchu je epidermis (n \u003d 1,5). Vzhledem k tomu, že index lomu zbývajícího bietitu je 1,4, a parametr anizotropie je větší než 0,9, tj. V každém kroku modelování fotonů jsou fotony rozptýleny pod nízkými úhly, pak Fresnel odrazy na hranicích biotanka - Bietan nebere v úvahu.

Výpočet distribuce hustoty absorbované energie umožňuje konstruovat diagnostickou mapu šíření laserového záření různého spektrálního rozsahu ve vícevrstvých médiích se zahrnutím uzavřených nehomogenitám podle známých optických parametrů. Jako příklad byly vybrány vlnové délky 400 a 800 nm.

Pro graficky představují propagaci záření v médiu, byla vybrána rovina sekce XOZ. Na Obr. 5 znázorňuje distribuci hustoty absorbované energie v těchto rovinách pro vlnovou délku 400 nm.

Obr. 5. Distribuce hustoty absorbované energie v rovině XZ průřezu pro vlnovou délku 400 nm.

Vzhledem k tomu, že pro infračervené záření (vlnová délka 800 nm) je koeficient absorpce kůže podstatně nižší než koeficient rozptylu, a médium silně se rozumí, hloubka penetrace záření ve srovnání s prvním úkolem by měla být větší. Proto byla přidána vrstva o tloušťce 0,5 mm do odhadované oblasti. Na Obr. 6 znázorňuje distribuci hustoty absorbované energie v rovině XZ pro vlnovou délku 800 nm.

V obou úkolech má laserové záření stejné výkony a energii. Pro záření s vlnovou délkou 400 nm bude většina energie absorbována v malém objemu. Hustota absorbované energie je proto mnohem větší než v případě vlnové délky 800 nm.

Obr.6. Distribuce hustoty absorbované energie v rovině XZ průřezu pro vlnovou délku 800 nm.

Základní rozdíl mezi modelem z dobře známých stávajících modelů (schránka S.R., Tuchin V.V., Prahl S.) V nezávislosti algoritmu z geometrie média. Pomocí řady nástrojů můžete vytvářet vypočtené oblasti sestávající z různých složek různých tvarů a velikostí. To významně rozlišuje tento model známý, s použitím rovinných paralelních a pevných homogenních vypočítaných oblastí. V výpočtech mohou být použity jakékoliv parametry média a různých inkluzí, jako jsou nanočástice.

Navrhovaný model tak umožňuje distribuci hustoty absorbované energie laserového záření ve vícevrstvých materiálech a může být použita při řešení problémů analyzujících tepelných polí vznikajících během ozáření.

V Čtvrtý Kapitola o příkladu vícevrstvé média (kůže) se zahrnutím náhodných nehomogenit, dynamika povrchových teplotních polí pod působením UV záření jsou zkoumána ve formě nanočástic. Je známo, že vrstvy kůže mají různé optické vlastnosti: rozptylu a absorpční koeficienty, indexy lomu () a faktory radiačního rozptylu, které byly zohledněny při modelování procesů interakce tohoto média s optickým zářením.

Pomocí vyvinutého modelu popsaného ve druhé kapitole byla stanovena hustota absorbované lehké energie na kožené oblasti obsahující nanočástice TiO2. Pro výpočty byly výsledky experimentů použity v literatuře, na lokalizaci částic v kůži. Podle výsledků těchto experimentů se většina sférických nanočástic lokalizuje v hloubce 0-3 um od povrchu kůže. Pro zvážení zvolených vlnových délek 310 a 400 nm. Vlnová délka 400 nm je umístěna na okraji mezi UV a viditelnou součástí spektra, částice TiO2 jsou praktické non-rigging (pouze rozptylování) pro takové záření. Linka 310 nm je centrální čára v UV-v části spektra. Je zodpovědný za eryymální vrchol citlivosti kůže, což více či méně koreluje s poškozením DNA buňkami; Dominantním mechanismem interakce záření s částicemi TiO2 je absorpcí.

V současné práci se vzorek považuje za superpozici rohové vrstvy (matrice) a částic tio2 v něm. To je možné, protože buňky vrstev mají tloušťku asi 0,5 um a průměr 30 - 40 mikronů, a proto,

významně překročí velikost částic TiO2 (průměr 25 - 200 nm). Tyto částice se předpokládají sféry velikosti nanometrů. Radiační rozptyl na takových částic je popsán fázovou funkcí. Pro modelování byl vybrán kus kůže o rozloze 1 cm2. Síla dopadajícího záření bylo 100 mW. Tloušťka simulované oblasti kůže je asi 600 μm, která dostatečně umožňuje představit obraz interakce UV záření s v blízkosti povrchových vrstev kůže.

Při modelování se používá kolimovaný paprsek fotonů, což odpovídá slunečním záření, povrch vzorku se předpokládá, že je nekonečný; Integrál (v celé oblasti vrstvy rohy) je charakteristika registrovaného záření.

V první fázi se modeluje šíření fotonů v médiu, jejich absorpce a rozptylování. Modelování je sníženo na začátek fotonových balíčků charakterizovaných funkcí tepelných zdrojů (Q) a zaregistrujte absorpci a rozptylování událostí jednotlivých fotonů. V důsledku toho se získají informace o parametrech osvětlení středního a absorbovaného výkonu.

Požadované distribuci tepelných polí na povrchu a v hloubce simulované struktury je definována jako roztok diferenciální rovnice nestacionálního přenosu tepla:

tam, kde koeficient tepelné vodivosti, T-teplota, funkce Q- funkce tepelného zdroje, je hustota, specifická tepelná kapacita, t-čas, R, Z jsou válcové souřadnice.

Je třeba poznamenat, že v tomto problému není zdroj tepla lokalizován na povrchu, jako obvykle v úkolech tepla a hmotnostního přenosu, a je objemný a distribuován v celém objemu média. Pro vyřešení rovnice (5) byla technika konečných prvků aplikována pomocí trojúhelníkových konečných prvků prvního řádu. Dostatečně velký počet trojúhelníkových konečných prvků prvního řádu, i když vede k určitému poklesu přesnosti a rychlosti výpočtů, nicméně, má následující výhody: velký počet uzlů umožňuje získat nejpřesnější rozložení absorbované energie hustota v médiu vypočtené v předchozím úkolu; Docela rychle a pohodlně, můžete zahustit a změnit specifikovanou mřížku podle požadavků úkolu, jakož i v případě potřeby se tyto prvky transformují na prvky vyššího řádu. Pro vyřešení časového úkolu byl použit implicitní schéma klikové-Nicholson s následující hranicí a počáteční podmínky. Na povrchu, kde výměna tepla s okolním prostředím, je uveden hraniční stav 3. rodu:

kde k, a - parametry přenosu tepla; Text - okolní teplota. Tato podmínka bere v úvahu tepelný proud na povrchu vrstvy rohy (povrchový tepelný tok).

Na dolní hranici, v hloubce Z1 je nastaven hraniční stav formuláře:

Jako studie ukazují, pro zdravý člověk, počínaje hloubkou asi 450 μm, teplota se stabilizuje. Kromě toho modelování bere v úvahu tepelný tok v důsledku krevního oběhu v malých kapilárních cévách. Na bočních limitech oblasti jsou nulové kanalizace:

Chcete-li eliminovat teplotní skoky na hranicích mezivrstvy, používají se následující podmínky:

Obr. 7 ukazuje získané distribuce hustoty absorbované energie v firemní vrstvě, s přihlédnutím k zahrnutému nehomogenitám ve formě nanočástic Ti02 různých koncentracích. Je vidět, že v nepřítomnosti částic UV záření při vlnové délce 310 nM zcela absorbuje v první vrstvě (hrůza).

Obr. 7. Rozložení absorbované hustoty energie v vrstvě rohy bez částic a za použití nanočástic TiO2 s velikostí 62 nm, \u003d 310 nm. Tloušťka v blízkosti povrchové vrstvy obsahující nanočástice je 1 μm. Tloušťka vrstvy roh je 20 mikronů.

Vložení nanočástic oxidu titaničitého titanu v nadržené vrstvě. Jako vysoké hodnoty součinitele rozptylu vložených částic vede k prudkému poklesu hustoty absorbované energie v vrstvě rohy.

Absorpce a rozptylové koeficienty rohové vrstvy a materiál nanočástic na vlnové délce 400 nm jsou podstatně nižší než při vlnové délce 310 nm. Díky tomu je hustota absorbované energie v vrstvě rohy jak s částicemi a bez částic je také významně nižší (obr. 8).

Obr. 8. Rozložení hustoty absorbované energie v vrstvě houkačky a epidermis na kožním úseku bez částic a za použití nanočástic ti02 s velikostí 122 nm, \u003d 400 nm. Tloušťka v blízkosti povrchové vrstvy obsahující nanočástice je 1 μm. Tloušťka vrstvy roh je 20 mikronů.

Na Obr. 9 ukazuje dynamiku změn teploty na povrchu kůže bez částic a za použití 1% a 5% oxidu titaničitého v vrstvě rohy. V tento případ Hraniční stav je zohledněn, poskytuje zásobu energie uvnitř tkáně, v důsledku průtoku krve v kapilárech (vnitřní tepelný průtok) a podpěrnou teplotní hodnotu - 37 ° C uvnitř kůže v hloubce 500 mikronů.

Je vidět, že již od 10. sekundy účinků záření na kůži se teplota stabilizuje, jako použití nanočástic oxidu titaničitého titanu v vrstvě houkačky a bez nich (obr. 9).

Obr. 9. Teplotní dynamika na povrchu kůže v nepřítomnosti částic a za použití nanočástic TiO2 s velikostí 62 nm v vrstvě houkačky \u003d 310 nm. Tloušťka v blízkosti povrchové vrstvy obsahující nanočástice je 1 μm. Průtok energie uvnitř kůže je přítomen.

Výsledky simulace ukázaly, že vysoké hodnoty hustoty absorbované energie v horních vrstev pokožky vedou k jejich významnému vytápění. Takže při použití 5% nečistot nanočástic oxidu titaničitého titanu v rohové vrstvě, hodnota absorbované hustoty energie na povrchu kůže dosáhne 1000 j / cm3 at \u003d 310 nm. Tloušťka této "horké" vrstvy je však pouze 1 μm; Ačkoliv je většina tepla zvýrazněna v této vrstvě, je rychle přenášena do jiných částí média a výsledná teplota se snižuje. Povrchová teplota kůže, jehož nadržený vrstva neobsahuje nanočástice, je vytvořena v důsledku tepla přicházejícího z hloubky tkáně, kde většina energie proniká a kde je množství absorbované energie vyšší. Podobný účinek, ale je podstatně méně pozorován na vlnové délce záření \u003d 400 nm, v blízkosti optického rozsahu (obr. 10).

Obr. 10. Teplotní dynamika na povrchu kůže v nepřítomnosti částic a za použití nanočástic TiO2 s velikostí 122 nm v vrstvě rohovky \u003d 400 nm. Tloušťka v blízkosti povrchové vrstvy obsahující nanočástice je 1 μm. Průtok energie uvnitř kůže je přítomen.

Vyvinutý model umožnil analyzovat účinek povrchového tepelného odtoku na teplotní pole povrchové vrstvy kůže.

Ukázalo se, že aniž by se otočila odtok na povrchu kůže, je teplota vytvořena převážně v důsledku energie absorbované v povrchové vrstvě. Když se dostatečně silný povrchový odtok zapne, teplota na povrchu tkáně vytváří teplo z podkladových vrstev; Zároveň se sníží maximální teplota.

Chyba získané výsledky byla vypočtena jako vážený rozdíl v maximálních hodnotách hustoty absorbované energie a teploty v celé oblasti a byl menší než jedno procento.

Analýza získaných výsledků modelování tepelné reakce kůže na UV expozici ukázala účinnost použití nanočástic ve vývoji fotostatických léčiv povrchu kůže.

Vyvinutý model výpočtu byl také použit ke studiu teplotních účinků IR laserového tedizátoru (\u003d 1064 nm) na červené krvinkové buňky - červené krvinky. Pro snadnou studii je buňka vážena ve vodě a je homogenní kouli o průměru 7 um, plně sestávající z hemoglobinu. Membránová membrána nebyla zohledněna v modelování díky své velmi malé tloušťce, asi 10 nm. Na buňce se pracuje zaměřená laserová svazek s průměrem 1 μm s výkonem 100 MW. Získané výsledky jsou v souladu s dobře známými experimentálními daty.

Pátý Kapitola je věnována použití vyvinutého modelu k řešení specifického problému, jmenovitě výpočtu tepelných polí v pevných tkáních, zejména dentinu a stanovení intenzity laserového záření pro získání kritických teplot vyžadovaných pro ablační proces v těchto prostředích.

Pro realizaci multidimenzionálního matematického modelu byla vybrána metodika konečných prvků.

Jako studium materiálu je vybrána hlavní zubní tkáň zubu. Ve své kompozici a síly je dentin v blízkosti kostní tkáně. Obsahuje 72% anorganických, 28% organické látky a voda.

Vzhledem k tomu, že je to přesné fyzikální vlastnosti Prezentované vrstvy nejsou stále definovány, pak se obouvrstvý model považuje za jednoduchost. Každá vrstva je definována trvalými nezávisle specifikovanými optickými fyzikálními vlastnostmi. Pro použití minimálního poranění je nutné použít laserové záření s nejmenší hloubkou penetrace. Experiment ukazuje, že tento problém je vyřešen při použití laserů s ozářením infračerveného sortimentu.

Budeme pokračovat z následujících předpokladů:

- termofyzikální charakteristiky pro různé části zubu (smalt, dentin, buničina) jsou konstantní a nezávisí na teplotě;

- Při popisu optických vlastností vezmeme, že každá část zubu se vyznačuje jeho optickými konstantními hodnotami (absorpční koeficient), nezávislý na intenzitě laserového záření.

Výpočet světelného pole vytvořeného během rozptylu laserového záření na nehomogenitě zubní tkaniny (mikrotlisters, proces odontoblastů atd.), A účetnictví pro modelování procesu zničení je komplexní multiprarametrový úkol. K dnešnímu výpočtu je takový výpočet velmi obtížný z důvodu nedostatku spolehlivých informací o optických konstantách pevných tkání a při modelování procesu destrukce tepla, nebude zohledněn

Proto se předpokládá, že světlo v biologickém vstupu je oslabeno zákonem chyby, zatímco příspěvek do konstantního procesu spouštění rozptylu, absorpce, vlnovodových účinků atd.

Pomocí algoritmů popsaných v kapitolách 2 a 4 bylo získáno rozložení teploty. Pak bylo stanoveno množství vzdálené látky. Podle zákona Arrheniusu:

kde w je frekvenční faktor;

EA - aktivační energie;

R je univerzální plynová konstanta.

Hodnota se liší od 0 do 1. IT fyzický význam - Měření zničení látky v okamžiku (X, Y, Z) v době (T-T0). Experiment ukazuje, že látka může být považována za vzdálenou.

Na Obr. 11 znázorňuje rozložení teploty na povrchu média, na Obr. 12 - Rozložení teploty v centrálním průřezu oblasti. Intenzita laserového záření je 5 kW · cm-2.

Obr. 11. Rozložení teploty na povrchu média v době t \u003d 70 ms.

Získané výsledky jsou dobře korelovány s dobře známými experimentálními daty. Je vidět, že zvýšení teploty není lokalizováno na povrchu: Uvnitř média je pozorován dostatečně silný nárůst teploty. Studie ukázaly, že proces laserového ablace začíná při teplotním prahu 320 ° C, a proto je udržována konstantní teplota na povrchu. Na Obr. 13 znázorňuje vývoj teploty v místě na povrchu.

Obr. 12. Rozdělení teploty v centrální části
oblasti v čase t \u003d 70 ms.

Obr. 13. Dočasná teplota Evoluce na povrchu
v úvahu.

Výsledky získané na objemu vzdálené látky jsou uvedeny na OBR. čtrnáct.

Obr. 14. Znázkou času vzdálené látky čas od času.

Ve vazbězobecněné hlavní výsledky.

Hlavním výsledkem práce je vytvořit nový fyzikálně-matematický model procesů interakce laserového záření s vícevrstvými biologickými materiály jakékoli geometrie, což umožňuje použití řady nástrojů pro vytváření vypočtených oblastí sestávajících z různých složek různých tvary a velikosti. To významně rozlišuje tento model známý, s použitím rovinných paralelních a pevných homogenních vypočítaných oblastí. V výpočtech mohou být použity jakékoliv parametry média a různých inkluzí, jako jsou nanočástice.

Bylo získáno řada základních teoretických výsledků, z něhož by mělo být zaznamenáno: \\ t

Fyzikální a matematický model šíření laserového záření v médiích s libovolnou asymetrickou geometrií, který zahrnuje uzavřené vnitřní nehomogenitosti složité formy.

Na základě tohoto modelu je vyvinut algoritmus pro výpočet distribuce hustoty absorbované energie pro různé rozsahy laserového záření, když je propagován ve vícevrstvých médiích s libovolnou asymetrickou geometrií vypočteného média se zahrnutím uzavřených vnitřních nehomogenitách složitého tvaru , pomocí trojrozměrné metody Monte Carlo a oddíl konečného prvku.

Algoritmus použitý v práci může být aplikován na diagnostiku strukturálních změn v biologické tkáni svévolné uzavřené geometrie, jakož i pro výpočet teplotních polí a hranic oblasti degradace během laserové terapie.

Hlavní mechanismy pro interakci laserového záření různých intenzit s vícevrstvými biologickými tkáněmi jsou zváženy a analyzovány. Na základě toho byla provedena teoretická analýza podmínek výskytu a tok tepelných procesů. Možnost použitelnosti vyvinutého modelu pro studium tepelných zátěží vícevrstvých tkání, charakteristické pro procesy fotografií a plazmové indukované ablace v nich.

Model určení teplotní reakce vícevrstvého měřítka je navržen se zahrnutím nanočástic do ozáření s UV zářením. Vývoj změn v hustotě absorbované lehké energie a teplotní pole se analyzuje v závislosti na vlnové délce incidentu záření, koncentrace a dislokace testovaných nanočástic, které jsou součástí kůže.

Tepelná pole byla vypočtena v pevných biologických tkáních vyplývajících z laserové expozice a intenzita laserového záření byla stanovena při kritických teplotách potřebných k implementaci ablačního procesu v těchto prostředích.

Citovaná literatura

1. Isimar A. Distribuce a rozptyl vln v náhodně nehomogenních médiích. - M.: Mir, 1981. - 280 s.
2. Srinivasan R., Mayne-Banton V. Samozvukový photosing poly (ethylentereftalátové) fólie dalekosáku ultrafialového excimeru laserového záření. // appl. Phys. Lett. - 1982. - Vol. 41. - P. 576-578
3. Shadurov v.v. Velké metody konečných prvků. - M.: Věda, 1989. - 288c.
4. Tuchin v.v. Optika tkáně - Bellingham: Spie Press, 2000.
5. Tuchin v.v. Příručka o optické biomedicínské diagnostiky- Bellingham: SPIE Press, 2002.
6. Shcherbakov yu.n., yakunin a.n., yaroslavsky i.v., tuchin v.v. Modelování tepelných procesů v interakci neučně slabém laserovém záření s vícevrstvou biotelfu. - Optika a spektroskopie. - 1994, Vol.76, č. 5, C. 845-850.

Seznam základních publikací

1. Nethekin A.yu., Gavrilenko V.N ., KROCHINA N.A. Dosimetrie laserových paprsků s nízkou intenzitou v biomateriálech. // bulletin amgu. - Blagoveshchensk. - 1999. - POS.6. - P. 24-27.
2. Nethekin A.yu., Gavrilenko V.N . Vlastnosti distribuce laserového záření ve vícevrstvých biomateriálech. Předtisk. - Blagoveshchensk: Amgu. - 2000. - 60 p.
3. Nethekin A.yu., Gavrilenko V.N . Automatizovaný dozimetrický systém laserových paprsků při interakci s vícevrstvými materiály // materiály III mezinárodní vědecká a technická konference "Quantum Electronics" - Minsk, 2000. - P. 193-194.
4. Nethekin A.yu., Gersehechich M.M. Simulace procesů šíření laserového záření ve vícevrstvých materiálech // Blagoveshchensk: Vestnik Amgu. - 2001. - № 11. - P. 26-28.
5. NETHEKIN A.YU., ERSHOV I.A. Model struktury transparentní čočky oka pro problém disperze laserového záření v transparentních biotiscích // Materiály první meziregionální Amur vědecká a praktická konference "Chemie a chemický vzdělání na přelomu století." - Blagoveshchensk: BSPU. - 2001. - P. 110-111.
6. NETHEKIN A.YU., ERSHOV I.A. Modelování světelného rozptylu v transparentních biotiscích se sférickými heterogenitami // AMGU Bulletin. - 2001. - 13. - P. 18-20.
7. NETHEKIN A.YU., ERSHOV I.A. Účinky vícenásobného rozptylu v průhledném očním čočku s laserovou diagnostikou // bulletin amgu. - 2001. - № 15. - P. 29-30.
8. NETHEKIN A.YU., ERSHOV I.A., GERSHECHICH M.M. Modelování interakčních procesů laserových paprsků s nízkou intenzitou s vícevrstvými biomateriály // Journal technické fyziky. - 2002. - T. 72. - Problém.1. - P. 110-114.
9. Nethekin A.yu. Použití metody MONTE CARLO pro simulaci spektra odrazu optického záření z náhodně nehomogenního vícevrstvého vrstveného silně rozptýlené a absorbujících média světel // Bulletin Amgu. - 2002. - № 19. - P. 24-27.
10. Nethekin A.yu. Modelování laserových disperzních procesů ve vícevrstvých biomateriálech Monte Carlo // Informatika a řídicí systémy. - 2003. - 2. - P. 31-37.
11. Nethekin A.yu. Analýza procesů šíření laserového záření ve vícevrstvých biomateriálech Monte Carlo // Bulletin vědecké komunikace. - Khabarovsk: Vydavatelství farmy. - 2004. - №8. - P. 22-28.
12. Nethekin A.yu. Použití metody Monte Carlo pro simulaci spektra odrazu optického záření z náhodně nehomogenních vícevrstvých difuzorů a absorbujících médií // kolekce vědecké práce "Optika krystalů." - Khabarovsk: Vydavatelství farmy. - 2004. - P. 34-43
13. Gavrilenko v.n., Nethekin A.yu. Účetnictví pro procesy disperze v interakci laserového záření s transparentními biologickými materiály // Materiály mezinárodní konference "Laser-optické technologie v biologii a medicíně" - Minsk: Ústav fyziky národní akademie věd Bělorusko, 2004. -s.245 -249.
14. Seteikin A.yu. Výpočet teplotních polí s ním laserové ozáření biomateriálů // Řízení základního problému OPTO a mikroelektroniky "(Apcom 2004). - DVGUPS: Khabarovsk. - 2004. - P. 459-464.
15. Nethekin A.yu. Analýza Monte Carlo Procesy propagace laserového záření ve vícevrstvých biomateriálech // Izvestia univerzity. Fyzika.- 2005. - №3.- S.53-57.
16. Nethekin A.yu. Model výpočtových teplotních polí vyplývajících z účinků laserového záření na vícevrstvé biotank // Optický časopis.- 2005. - T72. - №7. - str.42-47.
17. Nethekin A.yu. Optický termofyzikální model interakce laserového záření s vícevrstvými materiály // Zprávy o univerzitách. Fyzika.- 2005. - №6. Aplikace. - S.99-101.
18. Nethekin A.yu., Krasnikov I.v. Výpočet teplotních polí vyplývajících z interakce laserového záření s vícevrstvým biomateriálem // materiály zpráv o páté regionální vědecké konferenci "Fyzika: Základní a aplikované studium, vzdělávání". - Khabarovsk: Vydavatelství státu Pacifiku. Univerzita, 2005. - str.32-33.
19. Nethekin A.yu., Krasnikov I.v. Termofyzikální model interakce laserového záření s vícevrstvým biycle // Bulletin Amgu. Série "přírodních a ekonomických věd". - 2005. - Problém.31.- str.13-15.
20. Nethekin A.yu. Analýza podle Monte-Carlo metody propagace laserového záření ve vícevrstvých biomateriálech // Optika a spektroskopie.– 2005. - T 999. - Problém.4. - S.685-689.
21. Nethekin A.yu., Krasnikov I.v. Výpočet teplotních účinků laserového záření s nízkou intenzitou na vícevrstvé biologické vybavení // materiály mezinárodního sympozia "principy a procesy vytváření anorganických materiálů (třetí Samsonov čtení)". - Khabarovsk: Vydavatelství státu Pacifiku. un-ta. - 2006.- str.304-306.
22. Nethekin A.yu., Krasnikov I.v. Výpočet teplotních polí vyplývajících z interakce laserového záření s vícevrstvým biomateriálem // Optický časopis.- 2006. - T.73. - číslo 3. - str.31-34.
23. Nethekin A.yu., Krasnikov I.v. Analýza tepelných účinků vyplývajících z interakce laserového záření s vícevrstvým biomateriálem // Zprávy o univerzitách. Fyzika.– 2006. - №10. - P. 90-94.
24. Nethekin A.yu., Krasnikov I.v. O tepelných účincích, pokud jsou vystaveny laserovým zářením na biologickém tkaninám // materiály šesté regionální vědecké konference "Fyzika, základní a aplikované investice, vzdělávání." - Blagoveshchensk: Amgu. - 2006. - P. 104-106.
25. Nethekin A.yu., Krasnikov i.v., fogel n.i. Popis dopadu laserového záření na kůži pomocí MONTE-CARLO METODY // Řízení vědeckého zasedání MEFI-2007. - M.: Mafi. - 2007. - P. 117-118.
26. Seteikin A.yu., Krasnikov i.v. Reserch tepelný vliv laserového záření kůži s netriviální geometrií // Řízení SPIE. – 2007. - Vol. 6826. - P.127-131.
27. Nethekin A.yu., Krasnikov i.v., fogel n.i. Pole modelování teploty, s přihlédnutím k šíření světla v biologickém vstupu // Zprávy o univerzitách. Nástroje. -2007. -T.50. - №9. - str.24-28.
28. Nethekin A. Yu., Krivzun A. M. Simulace šíření optického záření v prostředí s prostorově proměnlivými parametry // Bulletin Amur State University. - 2008. - Vol. 41. - P. 12-13.
29. Minailov A.v., nethekin A. Yu. Na studium tekutých vícesložkových biologických médií s optickými akustickými metodami // Bulletin Amgu. - 2008. - Vol. 41. - P. 14-15.
30. Averyanov Yu. G., Nethekin A. Yu. Laserová ablace biologických tkání // Bulletin Amgu. - 2008. - Vol. 41. - P. 31-22.
31. Nethekin A. Yu, Krasnikov i.v., Foth H.-J. Analýza vznikajících tepelných zatížení v biologické tkáni ozařované laserovým zářením v infračerveném rozsahu // Sbírka děl mezinárodního optického kongresu "Optics -chi století". - T.1. "Základní problémy optiky -2008". - St. Petersburg., 2008. - str.119-120.
32. Pavlov M.S., Nethekin A. Yu. Použití trojrozměrné modifikace metody Monte Carlo pro simulaci propagace světla v biologických tkáních. // Profil práce mezinárodního optického kongresu "Optika -chi století". - T.1. "Základní problémy optiky -2008". - St. Petersburg., 2008. - C.120-121.
33. Khramtsov I.I., Nethekin A. Yu. Modelování procesu laserového ablačního zubu na základě tepelného modelu. // Profil práce mezinárodního optického kongresu "Optika -chi století". - T.1. "Základní problémy optiky -2008". - St. Petersburg., 2008. - C.248.
34. Nethekin A. Yu, Krasnikov i.v., Foth H.-J. Experimentální studie Teplotní účinky laserového záření na biologickou tkáň. // bulletin spo Ain. - SPB.: Ed. - Polytechnic. - 2008. - Vol. 4. - P.273-277.
35. Nethekin A. Yu., Krasnikov I.v., Pavlov M.S. Trojrozměrný model propagace světla v biologických tkáních. // Vědecká a technická prohlášení SPBGPU. Série fyzikálně matematických věd, 2008. -sp.6. - str.120-123.
36. Nethekin A.yu., Krivzun A.m. Studie procesu interakce záření s biologickými subjekty obsahujícími optické nehomogenitosti // sbírka zpráv o laserech 19. mezinárodní konference. Měření. Informace. 2009 ", SPB.: Polytechnická polytechnika. Univerzita, 2009. -t 1. - C.245-254.
37. Nethekin A.yu., Krasnikov I.v., Popov A.P. Studium tepelných účinků UV záření na kůži osoby s krytím oxidu titaničitého nanočástic // Sbírka zpráv o laserech 19. mezinárodní konference. Měření. Informace. 2009 ", SPB.: Polytechnická polytechnika. Univerzita, 2009. -t 1. - C.254-268.
38. Nethekin A.yu., Khramtsov I.I. Studium procesu laserové ablace biologické tkáně pod vlivem ultrazvukového laserového pulsu // materiály regionální vědecké konference VIII "Fyzika: Základní a aplikovaný výzkum, vzdělávání." - Blagoveshchensk: stát Amur. Univerzita, 2009 - C.250-253.
39. Nethekin A.yu., Pavlov M.S. Modelování laserového radiačního šíření Procesy v biologických vícesložkových tkáních // materiály regionální vědecké konference VIII "Fyzika: Základní a aplikované studium, vzdělávání". - Blagoveshchensk: stát Amur. Univerzita, 2009 - str. 307-310.
40. Nethekin A.yu., Krasnikov I.v., Popov A.P. Studium teplotních ochranných vlastností nanočástic TiO2 zavedené do kůže, když byla ozařována světla UV a UV-B pásma // materiály regionální vědecké konference VIII "Fyzika: Základní a aplikované studie, vzdělávání". - Blagoveshchensk: stát Amur. Un-t., 2009 - str.322-326.
41. Nethekin A.yu., Krasnikov I.v., Popov A.P. Způsob výpočtu teplotní reakce je rovnoměrný s použitím nanočástic při ozáření světla UV a UV-in Ranges // GSSD MRP 150-2009 technika. Ross. Vědecké a technické Centrum pro informace o standardizaci, metrologii a posuzování shody. - M., 2009. - 40 S.: IL. 18. Biblirograf. název 24 - Rus. název Dep. V FSUE "StandinForm".
42. Nethekin A. Yu, Krasnikov I. V., Popov A.P., Fotiadi A.E. Teplotní reakce nanočástic obsahující biotcakes k ozáření se světlem UV-A a UV-v rozsahy. // Vědecká a technická prohlášení SPBGPU, řada fyzikálních a matematiky.– 2009. - Problém. - str.113-118.
43. Krasnikov I.v., Nethekin A.yu., Popov A.P. Změny v suňanových a tepelných stínění vlastností lidské kůže zavedením nanočástic oxidu titaničitého /// Optika a spektroskopie.– 2010. - T. 109, №2. - P. 332-337.
44. Nethekin A.yu., Privalov v.e. Photoabulace biologických tkání // Bulletin univerzity St. Petersburg.– 2010. - Ser.11. Vol.2. - P. 225-237.
45. Fadeev D.A., Nethekin A.yu. Analýza vícenásobného rozptylu laserového záření v biologickém prostředí s prostorovými výkyvemi optických parametrů // Vědecká a technická prohlášení SPBGPU, Ser. "Fyzické a matematické vědy.– 2010. - Problém. - P. 102-106.
46. Krasnikov I., Seteikin A., Bernhardt I. Tepelné procesy v červených krvinkách vystavených infračerveným laserovým pinzetám (\u003d 1064 nm) // Journal of Biophotonics. -2011. - Vol. 4., Ne. 3. - P. 206-212.
47. Nethekin A. Yu., Krasnikov I.v., Pavlov M.S. Modelování šíření optického záření Monte Carlo v biologickém prostředí s uzavřenými vnitřními heterogenitami // Optický časopis - 2010. - POS.77., № 10. - P. 15-19.

49.Krasnikov I., Seteikin A., Bernhardt I. Simulace laserového světla Proropagace a tepelné procesy v červených krvinkách vystavených infračerveným laserovým pinzetám (\u003d 1064 nm) // Optická paměť a neuronové sítě (Informační optika) - 2010. - Vol. 19., № 4. - P. 330-337.

50. Krivzun A.m., Nethekin A.yu. Analýza procesů šíření optického záření v biologických prostředích s využitím výpočetní techniky na grafických procesorech // Vědecká a technická prohlášení SPBGPU, Série fyzikálně matematických věd, 2011, Issue.1, s. 55- 61.

51. Nethekin A.yu., Popov A.P. Interakce světla s biologickými tkáněmi a nanočásticemi // Lap Lambert Academic Publishing - 2011-212 S.

Podobné díla:

"01.04.08 - Plazmová fyzika A B t o r e e R a t Práce pro stupeň kandidáta fyzických a matematických věd Nižnij Novgorod - práce byla provedena v Ústavu aplikované fyziky Ruské akademie věd (Nižnij Novgorod). Vědecký ředitel: kandidát fyzikálních a matematických věd, V. G. Zorin Oficiální ... "

"Mukhin Dmitry Nikolaevich Statistický přístup k rekonstrukci dynamických systémů na roamingových datech 01.04.03 - radiofyzika a in t o disertační práci pro míru kandidáta fyzických a matematických věd Nižnij Novgorod - 2007, práce byla provedena v Ústavu aplikované fyziky ruské akademie věd (Nižnij Novgorod). Vědecký ředitel: Doktor fyzických a matematických věd, A.m. Faigin. Oficiální soupeři: Doktor fyzických a matematických věd, ... "

"Kononov Nikolai Kirillovlič vývoj metod pro získání a digitální zpracování rentgenových snímků. 04/01/01 - Nástroje a metody experimentální fyziky Abstrakt Autor disertační práce na soutěži vědeckého stupně kandidáta fyzických a matematických věd Moskva - 2006. Práce byla provedena v laboratoři fotonukčních reakcí Ústavu jaderný výzkum Rany Vědecký ředitel: D.F-M.N. V.G. Nedaleko, Jiai Ras. Oficiální ... "

"Denisov Andrei Nikolaevičový počítačový modelování stavových podmínek v experimentu Gerda a radiační situace na povrchu Měsíce 01.04.16 Fyzika atomových jádrů a elementárních částic Abstrakt Autor disertační práce na soutěži Ph.D. kandidátem fyzického a matematického Sciences Moskva 2010 Práce byla provedena v zřizování Ruské akademie věd v oblasti jaderného výzkumu Ruské akademie věd, Moskevského vědeckého ředitele: Doktor fyzických a matematických věd N.M. Sobolevsky (Iyai Ras) Profesor ... "

"..04.16 - §, | -2013 ... () Avagyan ARUTYUN Robertovich" Výzkum spin a azimutální asymetrie během elektřiny "Abstrakt Autor disertační práce na stupni lékaře fyzikálně matematických věd na 01.04.16 "Fyzika jádra, ..."

Materiály používané v energetické a kosmické technologii. 01.04.01 - Nástroje a metody experimentální fyziky Abstrakt Autor disertační práce na soutěži vědeckého stupně kandidáta fyzikálně matematických věd Moskva -2007. Práce byla prováděna v laboratoři iontu a ... "

"Knyazeva Tatiana Nikolaevna metody pro zpracování nestacionárních experimentálních dat pomocí Waveletovy transformace 01.04.01 - přístroje a metody experimentální fyziky Abstrakt disertační práce pro míru kandidáta fyzikálních a matematických věd St. Petersburg 2010 byla provedena práce OJSC "Scientific Engineering Center of St. Petersburg Electrotechnické univerzity" Scientific Director: Doktor fyzických a matematických věd Novikov Lev Vasilyevich oficiální ... "

"Goshokov Ruslan Muhamedovich parametrické rentgenové záření protonů v křemíku monokrystalů a jeho použití pro tvorbu rentgenového paprsku na protonové akcelerátory 01.04.07 - Fyzika kondenzovaného stavu disertační práce autora Abstrakt na soutěži vědeckého stupně kandidáta fyziky A matematické vědy Nalchik- 2010 Práce v Gou VPO Karachay-Cherkess State Technological Academy Vědecký ředitel: Doktor fyzických a matematických věd, ... "

"Shibkov Sergey Viktorovich Model nelineární iontové drift ve spektrometrii přírůstku iontové mobility 01.04.01 - přístroje a metody experimentální fyziky autora Abstrakt disertační práce pro míru kandidáta fyzických a matematických věd Moskva - 2007 Práce byla provedena Ústav kryptografie, komunikace a informatiky Akademie FSB Ruska Scientific Scientific Doctor of Fyzické a matematické vědy, S. D. Benešlavsky ... "

"Kianovsky Stanislav Vladimirovič studium pozadí v experimentech na hledání dvojitého non-tuhého beta rozpadu 76ge od kosmického záření a přírodní radioaktivity pomocí experimentálních úseků tvorby radioaktivních izotopů 74A, 68ge, 65zn a 60CO pod působením vysokého Energie protony 01.04.16. - Fyzika atomových jádrů a elementárních částic Abstrakt Autor disertační práce na stupni kandidáta fyzikálně matematických věd Moskva 2010 Práce ... "

"Kasherininov Peter Georgievich optické registrace média na bázi polovodičů M (Ti) S-struktur s tunelově tenkým dielektrickým (TI). 04/01 / 10- Fyzika polovodičů Disertační autora Abstrakt na míru lékaře fyzických a matematických věd St. Petersburg 2011. Práce byla prováděna v zřízení Ruské akademie věd ve fyzikálním technickém ústavu. A.f. Ioffe ras oficiální oponenti: lékař fyzického a matematického ... "

"Klechchenkov Anatoly Borisovich Electrodynamic metody pro analýzu vibračních zářičů ve vícevrstvých médiích 01.04.03 Radiofyzika Abstrakt Autor disertační práce na soutěži kandidáta fyzických a matematických věd Rostov-on-Don 2007 byla provedena na katedře aplikované elektrodynamiky a počítačového modelování Fakulta fakulty federální Státní vzdělávací instituce vyššího odborného vzdělávání Jižní federální univerzita .... »

"Mironova Tatiana Vasilyevna funkce interakce Fe, Ni, Ti, Cu s atomy zavádění C, N, O s impulzními efekty Speciality 01.04.07 - Fyzika kondenzovaného stavu Abstrakt Autor disertační práce na soutěži vědeckého stupně Kandidát fyzických a matematických věd Samara - 2011 Práce v FGBOU VPO Samara Stát Technický univerzita Scientific Director: Doktor fyzických a matematických věd, profesor Stenenberg A.m. Oficiální soupeři: Doktor ... "

"KUDRIN ALEKSEY MIKHAILOVICH Transportní vlastnosti některých nanoterogenních systémů Metal-dielektrický a metal-polovodičová specialita: 01.04.07 - Fyzika kondenzovaného stavu Abstrakt Autor disertační práce na soutěži vědeckého stupně kandidáta fyzických a matematických věd Voronezh - 2010 V Gou VPO VORONEZH STÁT TECHNIKA VEŘEJNOSTI Vědeckým lékařem fyzických a matematických věd, profesor Kalinin Yuri Egorovich oficiální oponenti: ... "

"Rudenko Aleksey Ivanovich nelineární stacionární vlny na smykovém horizontálním toku kapaliny 01.04.02- Teoretická fyzika Autor Abstrakt disertační práce pro míru kandidáta fyzikálních a matematických věd Kaliningrad - 2007 Práce byla provedena v FGou VPO Kaliningrad State Technické univerzity Scientific Režisér: kandidát fyzických a matematických věd, docenta profesor Zaitsev Anatoly Alekseevich oficiální oponenti: lékař fyzikálních a matematických věd, ... "

"Chernov Vitaly Vladislavavovich Warehouse a smáčení vodivými kapalnými fázemi pevných ploch v magnetických polích 01.04.14 -PLOFSICS a teoretická tepelná inženýrská disertační autora Abstrakt na soutěži Ph.D. Kandidát fyziky a matematiky Nalchik 2006 Práce byla provedena Katedra fyzikálních nanosystémů Kabardino-Balkarské státní univerzity. Hm. Berbekova Scientific Režie: Doktor fyzických a matematických věd, profesor Sosaev Victor ... "

"Glavian Leonid Zavenovich generace pozitronů a quasimochromatických fotonů z zničení pozitronů v létě pro výzkum obřích rezonancí v atomových jaderách 01.04.01 - zařízení a metody experimentální fyziky Abstrakt disertační práce na soutěži pro vědecký stupeň kandidáta fyzického A Matematika Moskva Moskva - 2011 byla provedena v založení Ústavu vědeckého výzkumu Ruské akademie v oblasti jaderného výzkumu Ruské akademie věd. Vědecký ředitel: oficiální oponenti: vedoucí ... "

"Chagayev Vladimir Vasilyevich Magnitodipol Fluktuace a vlny v planárních feritech: Strukturně určené vlastnosti charakteristik speciality 01/01/11 - Fyzika magnetických jevů Disertační autorka Abstract na soutěži vědeckého stupně lékaře fyzických a matematických věd Moskva - 2009 Práce Byl proveden ve státní výzkumné instituci Výzkumný ústav perspektivních materiálů a technologií Moskevského státního institutu elektroniky a matematiky ... "

Jmenování optických systémů v laserových instalacích je následující:

- výroba optických rezonátorů a získání laserového záření,

- přenos laserové radiační energie na místo zpracování, \\ t

- regulace radiačních parametrů,

- tvorba světelného paprsku s vysokou hustotou výkonu (zaostření),

- Radiační lis na zpracovaném bodě,

- Kontrola procesu zpracování a hodnocení jeho výsledků.

Optické systémy obsahují následující hlavní prvky:

- zaostřování - čočky, čočky,

- reflexní prvky - zrcadla, skenery,

- lomu - hranol úplného odrazu, optické deflektory (zařízení umožňující rozdělit jeden paprsek pro několik paprsků),

- regulační záření - optické rolety atd.,

- Přenos světelných vodítek.

Zaměření prvků Slouží ke změně průměru nosníku laserového emitoru, aby se změnila hustota záření. V technologických instalacích je zpravidla nutné snížit průměr nosníku a zvýšit hustotu výkonu záření, tj. Zaměření záření.

Nejjednodušší a nejrozšířenější metodou zaostřovacího záření je použití jedné čočky (obr.), Kde f je ohnisková vzdálenost, f je ohnisková rovina optického systému.

Vzhledem k tomu, že laserové záření má určitou divergenci (i když velmi malá), může být zaměřena (snížena) na zcela definovanou velikost. Průměr radiační světelné skvrny je nejmenší hodnoty v ohniskové rovině f a je určen vzorcem:

Nahrazení výrazu θ dostaneme

(2.38)

V praxi existuje zkreslení zaostřování (aberace)

S ohledem na sférické odchylky

, (2.39)

kde p * je vypočtený parametr (určený rozměrem a formou čočky).

Znát energii nebo sílu laserového záření W a, P a, je možné vypočítat hustotu energie nebo výkon v zaměřeném místě:

; . (2.40)

Dříve (viz vlastnosti laserového záření), tato množství byla odhadnuta na základě průměru laserového záření. Při zaostřování se tyto parametry zvýší o několik objednávek. V praxi se obvykle snaží snížit průměr radiační skvrny.

Z vzorce (2,39) lze vidět, že ke snížení průměru cíleného radiačního střetu, je nutné snížit ohniskovou vzdálenost. Může se však provádět pouze určitým limitům, protože Při dlouhé vzdálenosti mezi čočkou a povrchovým povrchem je riziko poškození čoček (například páry a kapalné částice materiálu zpracovávány).

Proto se používá další metoda pro získání skvrny o průměru několika mikronů - zvýšit Průměr nosníku s teleskopickým systémem - viz (2,39).

Průměr světla v tomto případě je určen s přihlédnutím k (2.39) podle následujícího vzorce:

,

kde R\u003e 1 je zvýšení teleskopického systému.

Optimální ohnisková vzdálenost čočky (při které je dosaženo nejmenšího průměru zaměřeného bodu), může být stanoven vzorcem:

(2.41)

Při průchodu laserového záření se čočky optického systému zahřívá v důsledku částečné absorpce záření. To může vést k tepelným deformacím a poškození optického systému. Hustota záření by proto neměla překročit určité hodnoty, které umožňují dlouhodobý normální provoz částí optického systému.

Přípustná hustota výkonu závisí na materiálu, ze kterého jsou vyráběny pletací jehly a vlnové délky záření.

- Pro zaostřování záření s vlnovou délkou 0,4 - 2 μm (viditelné a blízké infračervené spektrum) se používají čočky vyrobené z různých odrůd optického skla. Přípustná hustota výkonu je ~ 10 3 w / cm 2.

- pro záření s vlnovou délkou 10,6 μm

(CO 2 - lasery) Obyčejné optické materiály jsou neprůhledné. Materiály pro výrobu čoček slouží:

- Jednorázové krystaly solí halogenového chovu kyselin - NaCl, KBr, KCl, atd.

Přípustná hustota výkonu ~ 10 3 w / cm 2. Mají vysokou hygroskopičnost a nízkou životnost.

- polovodičové krystaly - germanium, arzenid gallium atd. Přípustná hustota výkonu je 100 w / cm 2.

S výkonem záření přesahující přípustný, buď nucený vzduch nebo kapalný chlazení čoček nebo zaostřovacích systémů ze zrcadel s kovovými povlaky na kovovém základě (za účelem lepšího chlazení). Základna je sklo, měď, křemík. Povlak - zlato, stříbro, měď, nikl, molybden, hliník, atd.

Odrážející a refrakční prvkyoptické systémy slouží ke změně směru laserového záření. Používá se v optických rezonátorech a laserových radiačních systémech.

S vlnovou délkou laserového záření 0,4 - 2 μm pro tento účel se pro tento účel používají hranoly kompletní vnitřní odrazy a zrcátka s vícevrstvým dielektrickým povlakem (pro zvýšení koeficientu odrazu a snížení vzdálenosti).

S vlnovou délkou záření 10,6 μm. Aplikujte ploché, konvexní zrcadla, konkávní s kovovým povlakem (zlata a hliníku), které mají vysoký koeficient odrazu (~ 1). Změna hustoty povlaků lze změnit koeficient odrazu, tj Produkují průsvitná zrcadla.

V praxi je úkol často vyplývající pro pohyb laserového paprsku podél libovolného obrysu. Za tímto účelem se používá systém pohyblivých plochých zrcátek (viz obr.).

1 - Laserový emitor

2.3 - Movná zrcátka

4 - Lens.

5 - Materiál

Na ose x, zrcadla 2 a 3 a čočky 4 se pohybují společně, a na ose se mohou pohybovat pouze zrcadlo 3 a čočky 4.

Simultánní pohyb podél os X a Y umožňuje přijímat jakoukoliv trajektorii paprsku.

S použitím zrcadel jsou vyráběny skenovací systémy laserového paprsku, tj. Periodický pohyb na stejné trajektorii.

Regulační prvky Optické systémy jsou navrženy tak, aby změnily energii, laserové záření, jeho prostorové a časové vlastnosti. Tyto zahrnují

- Optické kvantové zesilovače - zařízení ke zvýšení energie laserového pulsního záření. Ve skutečnosti se jedná o lasery, ve kterých nejsou generovány spontánně, ale pod působením záření jiného laseru. V důsledku toho se energie optické zesilovače radiační energie přidá k energii iniciačního záření pulsu.

- Zařízení pro nastavení výkonu záření z nuly do nominální hodnoty - diagramy s průměrem variabilního otvoru, vyměnitelné světelné filtry s různými absorpčními koeficienty, optickými ventily, modulátory, tlumiče.

Jako modulátory se používají následující typy žaluzií

- Elektro-optické (účinek poncelů), je založen na fenoménu roviny polarizace některými látkami pod účinkem vysokého stálého napětí na 5kV.

- Mechanické uzávěry - rotační zrcadla do 30000 ot / min.

- Okenice na nasycených roletách jsou založeny na jevu: s určitou hodnotou intenzity záření se některá organická barviva stanou transparentní.

- Acousto-optické ventily, křemenné sklo a germanium (pro IR rozsah), když jsou vystaveny ultrazvukovým vlnámům doprovázeno velkými ztrátami (rozptyl) pro laserové záření a její generace je ukončena.

Okenice jsou instalovány v rezonátoru. Kromě toho jsou mechanické ventily aplikovány na výstupu laserového záření od rezonátoru.

Přenosové prvky Optické systémy jsou navrženy tak, aby přenášely laserové záření ve vzdálenosti až několik desítek kilometrů. - Pro toto aplikovat vlákno svetovoda.

V současné době je známo velké množství světelných vodítek. Nejrozšířenější využití světelných stráží následující konstrukce

Vodítko Light Guide se skládá z jádra 1 s indexem lomu n 1, skořepin 2 s indexem lomu n 2\u003e n 1 a ochranný plášť 3. Materiály používané pro výrobu: jádro, například z křemene s přísadou titania pro zvýšení Index lomu, čisté křemenné skořápky. Obecně platí, že pro výrobu těchto prvků světelných vodítek se v současné době používá velký počet různých odrůd brýlí a polymerů; Pro ochrannou skořápku se používají různé laky, polymery, kovy, zajišťuje ochranu vlákna z účinků vnějšího prostředí (vlhkosti), zvyšuje mechanickou pevnost, zlepšuje optické vlastnosti. Průměr vlákniny se liší od několika desítek do několika set mkm. Jádro má průměr v limitu několika mikronů. Až 1000 mikronů. (1 mm.).

Ve vláknech se používá fenomén vnitřního úplného odrazu (obr.). Na rozhraní 2. prostředí se vyskytuje fenomén lomu a odrazu světla. Při pohybu světelného toku z média s velkým indexem lomu n 1 do středy s n 2

. (2.42)

Pokud tedy u vchodu do světelného toku v jádru vlákna klesne na hranici sekce s plášťem pod úhlem ≥ θ θ Kyrgyzské republiky, pak je tento průtok distribuován pouze v jádru.

Důležitá vlastnost vlákna je - útlum účinnosti toku tažení, když je distribuován přes vlákno. V současné době byly vedení světla vytvořeny s útlumem ~ 1 dB / km.

Otázka, kterou ochutneme po celou dobu, je: Je možné modifikovat v prostředí Comsol Multifysics topné látky v důsledku jejich interakce s laserovým zářením? Odpověď samozřejmě závisí na tom, jaký druh úkolu se rozhodnete, protože různé metody modelování jsou vhodné pro různé úkoly. Dnes budeme diskutovat o různých přístupech modelu vytápění látek osvětlených laserovým zářením.

Úvod do modelování interakce laserového záření s látkou

Navzdory skutečnosti, že existuje mnoho různých typů zdrojů laserového záření, jsou všechny podobné vzájemně, pokud je považujeme za z hlediska, že jsou vydávány na výstupu. Laserové záření se koncentruje v blízkosti jedné vlnové délky a koherentního. Zpravidla se zpravidla zaměřuje také na úzký řezný paprsek. Tento cholerovaný, koherentní a monochromatický zdroj světla mohou být použity jako extrémně přesný zdroj tepla v širokém rozsahu aplikací, včetně a.

Když laserový záření vstupuje do pevné látky, část jeho energie je absorbována, což vede k místním vytápění. Kapaliny a plyny (a plazma), samozřejmě, mohou také léčit s lasery, ale ohřev kapalin je téměř vždy doprovázeno silnými konvekčními účinky. V tomto článku jsme ignorovali konvekci a zaměřujeme se na ohřev pevných látek.

Pevná tělesa mohou být částečně nebo zcela neprůhledná pro záření na laserové vlnové délce. V závislosti na stupni transparentnosti budou různé přístupy použitelné pro modelování zdroje laserového tepla. Kromě toho je nutné si uvědomit, že všechny váhy musí být porovnávány s vlnovou délkou záření. Pro popis soustředeného záření se vyžadují různé přístupy a pro relativně široký nosník. Pokud se v materiálu interagujícím s incidentovým paprskem, existují geometrické znaky srovnatelné s vlnovou délkou, je nutné přesně zvážit, jak bude nosník interagovat s těmito menšími strukturami.

Než začnete modelovat jakékoli interakce laserového záření s látkou, musíte nejprve určit optické vlastnosti materiálu, a to jak na délku laserových vodičů a v infračerveném rozsahu. Musíte také vědět, jak relativní rozměry objektů, které jsou vystaveny vytápění a parametry laserové vlnové délky a paprsku paprsku. Tyto informace budou pro vás užitečné při výběru vhodného přístupu k simulaci vašeho úkolu.

Povrchové zdroje tepla

V případě neprůhledné vlnové délky materiálů nebo blízko k němu můžete zvážit laserové záření jako zdrojový zdroj tepla. Nejjednodušší s funkcí Uložená výkonová výkon (přidělená děrování) (Zobrazeno níže), který je k dispozici v modulu přenosu tepla verze 5.1 balíčku Comsol Multiphysics (modul přenosu tepla). Kromě toho můžete také jednoduše nastavit zdrojový zdroj tepla ručně pomocí jádra balíčku Comsol MultiPhysics, as.

Zdroj povrchového tepla naznačuje, že energie paprsku je absorbována ve vrstvě zanedbatelné tloušťky tloušťky ve srovnání s velikostí vyhřívaného objektu. Krok dělení plášťové elementární sítě by měl být dostatečný pouze k tomu, aby se zohlednily změny teploty pole a rozměry laserového bodu. Samotné laserové záření není výslovně modelováno a předpokládá se, že část laserového záření odráží od materiálu se nevrátí zpět. Při použití zdroje povrchu tepla musíte ručně nastavit absorpční koeficient materiálu na laserové vlnové délce, a proto přejíždět generovaný výkon nosníku.

Vložená funkce nosného paprsku v modulu přenosu tepla použitý pro simulaci dvou zkřížených laserových paprsků. Zobrazí se výsledný zdroj povrchu tepla.

Volumetrické zdroje tepla

V případě částečně transparentních materiálů bude většina laserové energie uvolněna v rámci regionu, a nikoliv na povrchu, a nikdo by měl být vhodně vázán na relativní geometrické velikosti předmětů a vlnové délky.

Geometrická optika

Pokud je velikost vyhřívaných předmětů mnohem větší než vlnová délka, ale laserové záření se konverguje a liší, když jsou optické prvky distribuovány a mohou se odrazit v zrcadlech, pak bude funkce nejlepší volbou. V tomto přístupu je světlo považováno za paprsek rozmnožování absorbujícím, homogenním a nehomogenním médiem.
Jako záření je šířen absorbujícími materiály (tj. Optickými sklo) a průsečíkem povrchů sekce, část energie bude vynaložena na ohřev materiálu. Absorpce v objemu oblasti je modelována pomocí komplexního indexu lomu. Na povrchu sekce lze použít úvah nebo absorpční koeficient. Všechny tyto vlastnosti mohou být závislé na teplotě. Pro zájemce o tento přístup, z našich aplikací galerie poskytne dobrý výchozí bod.

Laserový svazek se zaměřil systémem dvou čoček. Topné čočky Vzhledem k propagaci laserového záření velké intenzity posune bod zaostřování.

Bueger zákon - Lambert - Bera

Pokud je velikost vyhřívaných předmětů a laserového bodu mnohem větší než vlnová délka, pak je buger - Lambert vhodný pro modelování absorpce radiace v materiálu. Tento přístup naznačuje, že paprsek laserového záření je zcela rovnoběžný a jednosměrný.

Při použití zákona Bugega-Lamberta - Bera musí být známo koeficient absorpce materiálu a koeficient odrazu z povrchu. Obě tyto koeficienty mohou být teplotní funkce. Příslušné nastavení parametrů takového modelu je dříve popsáno v našem blogu článku "Modelování interakce laserového záření s látkou založenou na zákoně Bugger - Lambert - Bera."

Můžete použít přístup založený na zákonu Bugger - Lambert - Bera, pokud je známa intenzita dopadajícího laserového záření a neexistují žádné odrazy světla uvnitř materiálu a / nebo z hranic objektu.

Laser ohřev průsvitných pevných těles modelovaných pomocí aktu Bugger - Lambert - Bera.

Metoda obálky nosníku

Pokud je vyhřívaná oblast velká, ale laserový paprsek je ostře zaměřen na něj, ani geometrickou optiku, ani přístup založený na zákonu o bugertu - Lambert-Bera nemůže pečlivě vypočítat pole a ztráty energie v blízkosti fokusu. Tyto metody nejsou přímo vyřešit rovnici Maxwell a jsou interpretovány jako sada paprsků. Dostupná v tomto případě je nejvhodnější volbou.

Metoda obálky paprsku vyřeší systém Maxwell Equations systém pro případ, kdy je amplituda vlnového balení pomalu měnící se funkce souřadnic. Přístup funguje, pokud je přibližně znám hodnotu vlnového vektoru v simulovaném médiu a přibližného směru šíření šíření. Tento případ odpovídá modelování, stejně jako vlnovodových struktur, jako je nebo resonátor kruhu. Vzhledem k tomu, že směr paprsku je znám, může být síť konečných prvků dostatečně hrubé ve směru šíření, čímž se snižuje výpočetní náklady.

Zaměřil laserový paprsek rozmnožující v oblasti látky s válcovou symetrií. Intenzita na vstupním povrchu a podél optické osy uvnitř oblasti je graficky zobrazena v souladu s rozdělovací mřížkou.

Metoda obálky paprsku lze kombinovat s rozhraním Pomocí vícefyzikálních spojení Elektromagnetický zdroj tepla (elektromagnetický zdroj tepla). Toto připojení je instalováno automaticky při přidávání rozhraní v menu Přidat fyziku (přidat fyziku).

Rozhraní Laserové topení (laserové topení) přidá rozhraní Envelopes trám (obálka) a Přenos tepla v pevných látkách (přenos tepla v pevných látkách) a stanoví mezi nimi multi-fyzikální spojení.

Full-Wave přístup

Konečně, pokud je vyhřívaná struktura srovnatelná s vlnovou délkou, je nutné vyřešit systém Maxwell rovnice bez jakýchkoliv předpokladů týkajících se směru šíření laserového záření v simulovaném prostoru. V tomto případě potřebujeme rozhraní Elektromagnetické vlny, frekvenční doména (elektromagnetické vlny, frekvenční doména)který je také v modulu vlny optika modulu a in. Modul rádiové frekvence navíc obsahuje rozhraní Mikrovlnné vytápění (mikrovlnné vytápění) (Podobné rozhraní Laserové topení (laserové topení) výše) a spojuje rozhraní s rozhraním Přenos tepla v pevných látkách (přenos tepla v pevných látkách). Navzdory názvu, rádiové frekvenční modul a rozhraní Mikrovlnné vytápění (mikrovlnné vytápění) Vhodné pro modelování.

Průběh full-vlnového přístupu vyžaduje rozdělení síťoviny, které je nezbytné pro vyřešení vlnové délky laserového záření. Protože paprsek může rozptýlit v libovolném směru, mřížka musí být poměrně homogenní vzhledem k velikosti buněk. Dobrý příklad pomocí rozhraní Elektromagnetické vlny, frekvenční doména (elektromagnetické vlny, frekvenční doména) je:, jak bylo prokázáno níže.

Zahřívání zlatých nanosphere laserového záření. Ztráta záření v sféře a velikost okolního elektrického pole je zobrazena v souladu s rozdělovací mřížkou.

Modelování přenosu tepla, konvekce a re-energizace uvnitř a kolem materiálu

Můžete použít některou z pěti předchozích přístupů k simulaci emisí energie z laserového zdroje v pevném stavu materiálu. Modelování teploty a tepla uvnitř a kolem materiálu navíc vyžaduje rozhraní Přenos tepla v pevných látkách (přenos tepla v pevných látkách). K dispozici v jádru softwarového balíčku, toto rozhraní je určeno pro modelování přenosu tepla v pevných látkách a úkolů odpovídajících okrajových podmínek: pevnou teplotu, tepelně izolovanou hranici nebo přítomnost tepelného průtoku. Rozhraní zahrnuje také různé okrajové podmínky pro modelování konvekčního přenosu tepla do okolní atmosféry nebo kapaliny, stejně jako radiační chlazení (v důsledku záření) do prostředí se známou teplotou.

Pokud je v úvahu materiál transparentní pro laserové záření, je nejpravděpodobnější, že je také částečně transparentní pro tepelné záření (infračervené). Toto infračervené záření nebude koherentní, ani skromné, takže nemůžeme použít žádnou z výše uvedených přístupů k popisu re-energizace v průsvitných médiích. Místo toho můžeme použít přístup k záření v distribuovaných prostředích. Tato metoda je navržena tak, aby simulovala výměnu tepla v materiálech, ve kterých dochází k výraznému tepelnému proudění uvnitř materiálu v důsledku procesu záření. Příkladem takového přístupu z našich aplikací galerie může být.

Závěr

V tomto článku jsme považovali za různé metody existující v prostředí Comsol MultiPhysics environmentu pro simulaci laserového ohřevu materiálů s pevným stavem. Byly prezentovány povrchové a objemové přístupy spolu se stručným přehledem možností modelování výměny tepla. Zatím jsme považovali pouze ohřev pevného stavu materiálu, který nepodstupuje změnou stavu fáze. Topné kapaliny a plyny - a fázové přechodové modelování - budou zvažovány v následujících výrobcích tohoto blogu. Zůstaňte naladěni!