Impactul radiației laser asupra materialelor. Interacțiunea radiației laser cu o substanță de aproximare a modelului termic al radiației laser

Laser (din engleză. "Amplificarea luminii prin emisia stimulată de radiații "-" câștigul luminos prin stimularea radiației ") sau un generator cuantum optic este un tip special de sursă de radiații de referință, corpul emitent în care este mediul invers și populat. Principiile laserului se bazează pe proprietățiradiația laser: Coerența monocromatică și înaltă (spațială și temporară). T.de asemenea, o mică divergență unghiulară este adesea atribuită numărului de caracteristici de radiații (uneori vă puteți întâlni termenul "direcție ridicată de radiație"), care, la rândul său, ne permite să vorbim despre intensitatea ridicată a radiației laser. Astfel, pentru a înțelege principiile operațiunii laserului, este necesar să vorbim despre proprietățile caracteristice ale radiației laser și a mediului invers și populat - una dintre cele trei componente principale ale laserului.

Spectrul de radiații laser. Monocromatism.

Una dintre caracteristicile radiației oricărei surse este spectrul său. Soarele, dispozitivele de iluminat de uz casnic au o gamă largă de radiații, în care există componente cu lungimi de undă diferite. Ochiul nostru percepe o astfel de radiație ca lumină albă, dacă există intensitate a diferitelor componente în aproximativ aceeași, sau ca o lumină cu o anumită nuanță (de exemplu, în lumina soarelui, a componentelor noastre verzi și galbene domină).

Sursele laser de radiație, dimpotrivă, au un spectru foarte îngust. Într-o anumită aproximare, se poate spune că toți fotonii radiațiilor cu laser au aceleași lungimi de undă (sau aproape). Astfel, radiația laserului Ruby, de exemplu, are o lungime de undă de 694,3 nm, care corespunde lumii umbra roșie. Lungimea de undă relativ apropiată (632,8 nm) are primul laser cu gaz - Helium-Neon. Laserul de gaze cu argon, dimpotrivă, are o lungime de undă de 488,0 nm, care este percepută de ochiul nostru ca culoare turcoaz (intermediar între verde și albastru). Laserele pe bază de safir dopate cu ioni de titan are o lungime de undă situată în zona infraroșu (de obicei, aproape de lungimea de undă de 800 nm), astfel încât radiația sa este invizibilă pentru oameni. Unele lasere (de exemplu, semiconductor cu o grilă de difracție rotativă ca o oglindă de ieșire) pot reconstrui lungimea de undă a radiației sale. Comun pentru toate laserele este totuși că cea mai mare parte a energiei lor de radiații este concentrată într-o regiune spectrală îngustă. Această proprietate a radiației laser se numește monocromatică (din limba greacă "o culoare"). În fig. 1 Pentru a ilustra această proprietate, spectrele de radiație Sun (la nivelul straturilor externe ale atmosferei și nivelul mării) și producția laser semiconductor a companieiThorlabs.

Smochin. 1. Spectre de radiație Sun și laser semiconductor.

Gradul de radiație laser monocromatic poate fi caracterizat prin lățimea spectrală a liniei laser (lățimea poate fi administrată ca detunând lungimea de undă sau frecvența de la intensitatea maximă). În mod tipic, lățimea spectrală este stabilită de nivelul 1/2 (Fwhm), 1 / e sau 1/10 de la maximul de intensitate. În unele instalații moderne laser, se realizează lățimea vârfului de radiație în mai multe khz, ceea ce corespunde lățimii liniei laser în mai puțin de un miliard de nanometru. Pentru specialiști, observăm că lățimea liniei laserului poate fi ordonată lățimea liniei de radiații spontane, care este, de asemenea, una dintre caracteristicile distinctive ale laserului (comparativ, de exemplu, cu surse luminescente și superlyuminescente).

Coerența radiației laser

Monochromatismul este important, dar nu și singura proprietate a radiației laser. O altă proprietate determinantă a radiației laser este coerența sa. Vorbește de obicei despre coerența spațială și temporală.

Imaginați-vă că fasciculul laser este împărțit la o oglindă translucidă în jumătate: jumătate din energia fasciculului a trecut prin oglindă, cealaltă jumătate a fost reflectată și a intrat în sistemul oglinzilor de ghidare (figura 2). După aceea, al doilea fascicul este redus din nou la primul, dar cu o întârziere de timp. Timpul maxim de întârziere în care pachetele pot interfera (adică să interacționeze cu faza radiației și nu numai intensitatea sa) și se numește timpul de coerență al radiației laser și lungimea căii de extensie pe care a doua fasciculul trecut datorită abaterii sale - coerența lungimii longitudinale. Lungimea coerenței longitudinale a laserelor moderne poate depăși un kilometru, deși pentru majoritatea aplicațiilor (de exemplu, pentru laserele de prelucrare industrială) nu este necesară o coerență spațială ridicată a fasciculului laser.

Puteți împărți fasciculul laser și în mod diferit: în loc de o oglindă translucidă, puneți o suprafață complet reflectorizantă, dar nu este un pachet de a se suprapune, ci doar o parte din ea (figura 2). Apoi se observă interacțiunea radiației, care a fost distribuită în părți diferite Fascicul. Distanța maximă dintre punctele fasciculului, radiația în care va fi interfera se numește lungimea coerenței transversale a fasciculului laser. Desigur, pentru multe lasere, lungimea coerenței transversale este pur și simplu egală cu diametrul fasciculului de radiații laser.

Smochin. 2. Pentru a explica conceptele de coerență temporară și spațială

Divergența colțului radiației laser. Parametru M. 2 .

Indiferent de modul în care am căutat să facem un fascicul de radiații laser paralel, va avea întotdeauna o divergență unghiulară nonzero. Unghi minim de divergență laser cu laserα D. ("Limita de difracție") în ordinea mărimii este determinată de expresie:

α D ~ λ / D, (1)

unde λ - lungimea de undă a radiației laserului șiD. - Lățimea fasciculului eliberat din laser. Este ușor de calculat faptul că cu o lungime de undă de 0,5 μm (radiație verde) și lățimea fasciculului laser 5 mm, unghiul de divergență va fi de ~ 10 -4 rad, sau gradul 1/200. În ciuda valorii parcelei, divergența unghiulară poate fi critică pentru unele aplicații (de exemplu, să utilizeze lasere în sistemele de satelit de luptă), deoarece stabilește limita superioară a densității realizabile a puterii radiației laser.

În general, calitatea fasciculului laser poate fi setată de parametruM 2. . Lăsați minimul să ajungă la zona de pete creată de lentila perfectă atunci când se concentrează pe fasciculul Gaussian, este egală cuS. . Apoi, dacă aceleași obiective focalizează fasciculul din acest laser din pata de zonăS 1\u003e s, parametru m 2 Radiația laser este:

M 2 \u003d s 1 / s (2)

Pentru parametrul sistemelor laser de cea mai bună calitateM 2. Aproape de unitate (în special, există lasere cu un parametruM 2. egală cu 1,05). Este totuși necesar să rețineți că nu pentru toate clasele de lasere astăzi este realizabilă valoarea scăzută a acestui parametru, care trebuie luată în considerare atunci când alegeți o clasă laser pentru o anumită sarcină.

Am condus pe scurt proprietățile de bază ale radiației laser. Descriem acum principalele componente ale laserului: mediu cu populație inversă, rezonator laser, pomparea laserului, precum și o schemă laser.

Miercuri cu populația inversă. Diagrama nivelului laser. Ieșire cuantum.

Elementul principal care transformă energia unei surse externe (energie electrică, non-clizer, energia unui laser suplimentar de pompă) la lumină, este mediul în care este creată o populație inversă a unei perechi de niveluri. Termenul "populație inversă" înseamnă că o anumită proporție de particule structurale ale mediului (molecule, atomi sau ioni) este tradusă într-o stare excitată și pentru o anumită pereche de nivele de energie ale acestor particule (nivelurile laser superioare și inferioare) Pe nivelul energiei superioare sunt mai multe particule decât în \u200b\u200bpartea de jos.

Cu o trecere printr-un mediu cu o populație inversă, radiația a cărei cantitate are o energie egală cu diferența de energii a două niveluri laser, poate crește, în timp ce elimină excitația unei părți a centrelor active (atomi / molecule / ioni ). Câștigul are loc datorită formării de cantități noi de radiații electromagnetice având aceeași lungime de undă, direcția de propagare, faza și starea polarizării ca cuantum original. Astfel, laserul ia generarea de pachete de aceleași (egale în energie, coerentă și se deplasează într-o direcție) de fotoni (figura 3), care determină proprietățile de bază ale radiației laser.

Smochin. 3. Generarea de fotoni coerenți cu radiații forțate.

Creați un mediu invers populat într-un sistem constând din doar două nivele, totuși este imposibil în aproximarea clasică. Laserele moderne au de obicei un sistem de niveluri de trei niveluri sau pe patru niveluri implicate în generarea laserului. În acest caz, excitația traduce unitatea structurală a mediului la nivelul celui mai înalt, din care particulele într-un timp scurt se relaxează la o valoare mai mică a energiei - nivelul laser superior. Unul dintre nivelurile de bază este, de asemenea, implicat în generarea cu laser - starea principală a atomului în schema cu trei niveluri sau intermediar - în patru niveluri (figura 4). Schema cu patru niveluri se dovedește a fi mai preferabilă datorită faptului că nivelul intermediar este de obicei locuit de un număr mult mai mic de particule decât de starea solului, pentru a crea o populație inversă (exces de numărul de particule excitate deasupra numărului de atomi de pe nivelul laserului inferior) se dovedește a fi mult mai simplu (pentru a începe generația laserului de care aveți nevoie pentru a raporta mai puține energie mai mică).

Smochin. 4. Niveluri de nivel de trei niveluri și patru niveluri.

Astfel, cu generarea laserului, valoarea minimă a mediului de lucru raportat de energie este egală cu energia inițierii celui mai înalt nivel al sistemului, iar generarea are loc între cele două nivele de bază. Acest lucru determină faptul că PDA-ul laserului este inițial limitat de raportul dintre energia de excitație la energia tranziției laser. Acest raport se numește ieșire cu laser cuantic. Este demn de remarcat faptul că, de obicei, PDD-ul laserului de la rețea de mai multe ori (și, în unele cazuri, chiar și câteva zeci de ori) sub ieșirea cuantică.

Laserele semiconductoare au o structură specială de niveluri de energie. În procesul de generare a radiațiilor în laserele semiconductoare, sunt implicate electroni de două zone semiconductoare, dar datorită impurităților care formează o emisie de luminăp - N. tranziția, limitele acestor zone în diferite părți ale diodei sunt deplasate reciproc. Populația inversă în zonăp - N. tranziția în astfel de lasere este creată datorită fluxului de electroni la zona de tranziție din zona de conduceren. -Post și găuri din zona de valențăp. - Gata gata. Citiți mai multe despre laserele semiconductoare pot fi găsite în literatura specială.

În laserele moderne, se aplică diverse metode de creare a unei populații inverse sau o pompare cu laser.

Pompând laserul. Metode de pompare.

Pentru ca laserul să înceapă să genereze radiații, este necesar să se aducă energie la mijlocul său activ pentru a crea o populație inversă în ea. Acest proces este numit laserul de pompare. Există mai multe metode de pompare de bază, aplicabilitatea cărora într-un anumit laser depinde de tipul de mediu activ. Deci, pentru excitant și unele lasere de gaz care operează în modul puls (de exemplu,CO 2. - Laser) Este posibil să excitați moleculele laser cu o descărcare electrică. În laserele de gaze continue pentru pompare, puteți utiliza o descărcare strălucitoare. Pomparea laserelor semiconductoare se efectuează datorită aplicației de tensiunep - N. laser de tranziție. Pentru laserele solide, este posibil să se utilizeze o sursă de radiație non-mai fierbinte (bliț lampă, un conducător sau o serie de diode de lumină) sau un alt laser, a căror lungime de undă corespunde diferenței de energie Stările principale și excitate ale atomului de impuritate (în lasere solide, de regulă, generarea laserului apare pe atomi sau impuritățile de ioni dizolvate în grila matricei - de exemplu, pentru un laser de rubin, ionii de crom sunt activi).

Rezumând, se poate spune că metoda de pompare a laserului este determinată de tipul și caracteristicile centrului activ al mediului generativ. De regulă, pentru fiecare tip specific de lasere există cea mai eficientă metodă de pompare, care determină tipul și proiectarea sistemului de alimentare cu energie la mediul activ.

Rezonator laser. Starea generației laser. Rezonatorii durabili și instabili.

Mediul activ și sistemul de livrare la acesta nu este încă suficient pentru a apărea la generarea laserului, deși pot construi deja unele dispozitive (de exemplu, un amplificator sau o sursă de radiație super aluminiu). Generarea laser, adică Emisia de lumină coerentă monocromatică apare numai în prezența feedback-ului sau a unui rezonator laser.

În cel mai simplu caz, rezonatorul este o pereche de oglinzi, dintre care una (oglinda de ieșire laser) este translucidă. Ca o altă oglindă, de regulă, un reflector cu coeficient de reflexie la o lungime de undă de generație, aproape de 100% ("oglindă surdă") pentru a evita generarea unui laser "în două părți" și pierderea excesivă de energie.

Rezonatorul laser asigură că radiația este returnată la mediul activ. Această condiție este importantă pentru apariția radiațiilor coerente și monocromatice, deoarece fotonii returnați la mediu vor cauza radiații aceleași cu ele însele în ceea ce privește frecvența și faza fotonilor. În consecință, rezultatul nou în mediul activ al cuanțelor de radiații va fi coerent cu rezonatorul deja eliberat. Astfel, proprietățile caracteristice ale radiației laser sunt asigurate în multe privințe, este proiectarea și calitatea unui rezonator laser.

Coeficientul de reflexie al oglinzii translucide de ieșire a rezonatorului laser este selectat astfel încât să asigure o putere maximă de ieșire laser sau pe baza ușurinței tehnologice de fabricație. Astfel, în unele lasere de fibre, exact fibra fibră de fibră opacă poate fi utilizată ca oglindă de ieșire.

O condiție evidentă pentru generarea laser stabilă este condiția egalității pierderilor optice într-un rezonator laser (inclusiv pierderile la ieșirea de radiație prin intermivorile de rezonanță) și coeficientul de creștere a radiațiilor în mediul activ:

exp ( a.× 2L) \u003d R 1 × R2. × exp ( g.× 2L) × X, (3)

unde L. \u003d lungimea medie mediea. - Obțineți coeficient într-un mediu activ,R1 și R 2 - coeficienții de reflexie al oglinzilor rezonatorului șig. - pierderile "gri" într-un mediu activ (adică pierderea radiației asociate cu fluctuațiile densității, defectele cu laser, dispersarea dispersiei și alte tipuri de pierderi optice care sunt slăbite prin slăbirea radiației în timpul trecerii prin mediu, cu excepția absorbției de atomi cuanta de radiatii). Ultimul factor "X. »Indică toate celelalte pierderi prezente în laser (de exemplu, un element special de absorbție poate fi introdus în laser, astfel încât laserul să poată genera impulsuri cu o durată mică), dacă acestea sunt absente, este egală cu 1. Pentru a obține Dezvoltarea generației laser de la fotoni emise spontan, evident egalitate este necesară înlocuirea semnului "\u003e".

Din egalitatea (3), următoarea regulă urmează pentru a selecta oglinda laserului de ieșire: dacă coeficientul de creștere a radiațiilor este activ cu pierderi gri (a.- g.) × L. MAL, coeficient de reflecție al oglinzii de ieșireR 1 Trebuie să fie ales mare, astfel încât generarea laserului să nu se estompeze datorită eliberării radiației de la rezonator. Dacă coeficientul de câștig este destul de mare, de obicei are sens să alegeți mai puținR 1 Deoarece coeficientul de reflecție ridicat va duce la o creștere a intensității radiațiilor din interiorul rezonatorului, care poate afecta durata de viață a laserului.

Cu toate acestea, rezonatorul laser are nevoie de o ajustare. Să presupunem că rezonatorul este alcătuit din două oglinzi paralele, dar nu detașate (de exemplu, situate într-un unghi reciproc). Într-un astfel de rezonator, radiații, trecând prin mediul activ de mai multe ori, depășește limitele laserului (figura 5). Rezonatorii în care radiația în timpul ultimului timp depășește limitele sale se numește instabil. Astfel de rezonatoare sunt utilizați în unele sisteme (de exemplu, în laserele puternice ale unui design special), totuși, de regulă, instabilitatea rezonatorului în aplicațiile practice încearcă să evite.

Smochin. 5. Rezonator instabil cu oglinzi supradimensionate; Rezonator durabil I.

Radiația staționară în ea.

Pentru a crește stabilitatea rezonatorului, suprafețele reflectorizante curbate sunt utilizate ca oglinzi. Cu anumite valori ale razei suprafețelor reflectorizante, acest rezonator este insensibil la mici tulburări de ajustare, ceea ce face posibilă simplificarea semnificativă a lucrării cu laserul.

Am descris pe scurt setul minim necesar de elemente pentru a crea un laser și principalele caracteristici ale radiației laser.

Transcriere.

1 Ministerul Educației și Științei Federația Rusă Moscova Universitatea de Stat de Geodezie și Cartografie Interacțiune de radiație laser cu substanța Moscova 2014

2 Ministerul Educației și Științei din Federația Rusă Moscova Universitatea de Stat din Geodezyia și Cartografie Yu.M. Klimkov, vs. Majorov, M.V. O bună interacțiune a radiației laser cu o substanță Moscova 2014

3 recenzenți UDC: Dr. Fiz.-Mat. Științe, profesorul IPLOT RAN F.V. Lebedev; Profesor al Departamentului de Fizică Mei E.f. Ishchenko compilatoare: yu.m. Klimkov, vs. Majorov, M.V. O bună interacțiune a radiației laser cu o substanță: tutorial. M.: MIGAIK, p. Acest curs a fost pregătit în conformitate cu programul de disciplină aproximativ aprobat de Ministerul Educației și Științei din Federația Rusă pentru Direcția "Tehnică laser și Tehnologia Laser". Recomandat de Departamentul de Proiectare și Tehnologie a instrumentului optic și aprobat la publicarea comisiei de publicare editorială a Facultății de Sisteme și Tehnologii Informaționale Optice. Manualul de instruire își propune să ajute studenții V cursurile de fisură în dezvoltarea materialului teoretic la rata "interacțiunea radiației laser cu substanța", precum și în implementarea lucrărilor practice și de laborator la acest curs de schimb. Versiune electronica tutorial Postat pe biblioteca Bibliotecă Miigaik

4 Introducere Interacțiunea radiației laser cu o substanță este una dintre cele mai importante direcții științifice ale opticii moderne și a fizicii laser. Această direcție a permis suplimentarea necesară și substanțială pentru a suplimenta ideile despre procesele fotofizice fundamentale care apar în substanță (în principal în medii condensate) atunci când sunt expuse fluxurilor luminoase intense de diverse durate și lungimi de undă. De asemenea, a făcut posibilă dezvoltarea fundamentelor fizice ale numeroaselor direcții aplicate asociate cu laserele și aplicațiile lor în tehnologie. Prin urmare, cunoașterea principalelor mecanisme și modele de influență laser asupra substanței este necesară pentru o universitate cu drepturi depline și educație de inginerie Tehnologie și tehnologie laser. Scopul disciplinei este formarea de idei privind interacțiunea radiației intensive cu o substanță a celei mai importante secțiuni științifice a fizicii optice. Sarcina disciplinei pentru a oferi studenților cunoștințe speciale moderne, ținând cont de cele mai recente realizări științifice din domeniul influențelor laser asupra substanței și leagă aceste cunoștințe cu alte discipline de specialitate și discipline de advocacy. Cursul se bazează pe cunoașterea prevederilor de bază și a terminologiei cursurilor "fizica", "fundamentale ale opticii", "chimie", "studii metalice și tehnologie a materialelor structurale", "tehnica laser", "fundamentele fizice ale cuantice Electronică "," dispozitive opto-electronice și sisteme "și este de bază pentru a explora cursul" tehnologie laser ". Lista de denumiri adoptate O capacitate de absorbție a mediului B Inducție magnetică C Capacitate de căldură specific D Inducție electrică E Câmp electric câmp H Tensiune câmp magnetic I Intensitate de radiație incidentă M Masa de substanță N număr de fotoni, particule excitate, nivelul populației q a sursei termice r Coeficientul de reflexie 3

5 s zona de interacțiune T Temperatură A Rezoluție de temperatură B Grid de relief C Grid C Viteza luminii sau rezistența la căldură specific D Grid Vector E Gradul Negru H Adâncimea penetrării J Dysity K Număr Miminare Partea N Indicator de refracție Q Densitatea suprafeței Sursa de căldură R radius-vectorial coordonate spațiale r, D dimensiuni Secțiuni ale fasciculului laser t timp v Viteza de mișcare x, y, z coordonatele spațiale α Coeficientul de absorbție în mediu β Coeficientul de împrăștiere γ Frecvența coliziunii electronilor liberi Δ Densitatea suprafeței încărcării ε Constant dielectric ζ Grosimea stratului η vâscozitate cinematică θ valoarea unghiulară λ este lungimea de undă de radiație sau conductivitatea termică μ Permeabilitatea magnetică ρ densitatea substanței Σ Conductivitate specifică sau coeficientul de tensionare a suprafeței τ τ Timp de expunere sau durata coeficientului χ χ χ os os os oscilație electromagnetică Faza ω Ω Frecvența oscilațiilor electromagnetice ħ Plank permanent 4

6 1. Mecanisme de absorbție și disipare a energiei în miercuri 1.1. Absorbția undelor electromagnetice în radiația cu laser medie este una dintre tipurile de energie electromagnetică și, prin urmare, interacțiunea radiației laser cu substanța este interacțiunea cu substanța unui val electromagnetic cu proprietățile și caracteristicile sale specifice (ca coerență, monocromatism etc.). Materialele de prelucrare tehnologice laser sunt asociate în primul rând cu încălzirea locală, adică Cu transmiterea energiei din valul electromagnetic din substanță. În toate modelele fizice ale tehnologiei laser includ expresia legii conservării energiei. Cel mai adesea este ecuația conductivității termice în diferite formulări, care pentru medii izotropice este înregistrată în general: t ρ C + V Grad () t div λ grad () () t \u003d qr, t, t (1.1.1 ) în cazul în care densitatea ρ; c căldură specifică; λ conductivitatea termică; V () RT, vector de câmp de viteză; QRT (), densitatea volumetrică a surselor de căldură. Condițiile inițiale și limită ale unei anumite probleme termice sunt puse pe baza specificului procesului în cauză. Sursa termică volumetrică laser QRT () apare în mediul condensat, în multe cazuri poate fi considerată superficială. Coeficienții termofizici care sunt funcții funcții în calculele inginerești sunt de obicei considerate constante și utilizează valorile lor medii. Pentru a estima valorile parametrilor multor sarcini termice, este adesea utilizată o ecuație liniară de conductivitate termică liniară, descriind încălzirea mediului semifinit (Z\u003e 0) cu o sursă de suprafață omogenă nelimitată: AI ZT ( ) z, t \u003d 0 4 la Ierf, (1.1.2) λ 4at unde și capacitatea de absorbție a mediului; I 0 Intensitatea radiației incidente; A \u003d λ / ρc Teterolution. cinci

7 Funcția Integrală Funcția Integrală a IERF (X) ERF (Y) este diabela Y x 2 2 T. Funcția de eroare ERF (Y) E DT π este, de asemenea, o funcție de calcul a foii de calcul (sau calculată prin metode numerice). Tac ca IERF () 0 \u003d 1 / π, conform formulei (1.1.2), o estimare a temperaturii de pe suprafață este adesea realizată și, în general, găsiți valoarea uneia dintre valorile lui T, I 0, T la alte două. De exemplu, conform formulei, ïëλtïëë i \u003d (1.1.3) 4AT se face o evaluare a densității critice a puterii, absorbită pe suprafață și necesară pentru a începe materialul de topire în timpul T. Sau, de exemplu, adâncimea H, care pătrunde în timpul perioadei τ este estimată de expresia H 2 Aτ (1.1.4) Aproximarea unidimensională este adevărată dacă dimensiunea fasciculului laser pe suprafața materialului semnificativ depășește adâncimea de penetrare a căldurii din material. În orice caz, expunerea laser termică la materiale este importantă nu doar puterea radiației laser și puterea absorbită de material și venind pentru a obține un rezultat util. Capacitatea de absorbție A, care reprezintă coeficientul la I 0 în expresia (1.1.2), într-o formă sau altul apare în toate procesele tehnologice laser. Există multe procese fizice și fizico-chimice diferite care afectează capacitatea de absorbție. Intensitatea undelor electromagnetice se propagă în materialul prelucrat în direcția axei Z variază de legea Lambertului 6 0 () () IZ \u003d AI0 EXP α Z, (1.1.5) unde am căderea intensității suprafața secțiunii media a undelor; Și capacitatea de absorbție pentru care A \u003d E \u003d 1 r (e grad de negru, coeficient de reflexie); α Coeficient de absorbție a energiei electromagnetice în mediu. Intensitatea valului electromagnetic se încadrează în 2,73 ori la o distanță δ \u003d 1 / α.

8 Capacitatea de absorbție A prezintă proporția fluxului (energiei) absorbită și a coeficientului de absorbție a luminii în mediu α la fel de rapid absoarbe radiațiile în timpul distribuției. Sursa termică Q, care apare în materialul sub acțiunea radiației laser, este caracterizată de o putere totală proporțională cu a și localizarea într-un volum în funcție de α. Absorbția luminii de către conductori (metale) în metale (conductori) Valul electromagnetic se estompează exponențial într-un strat de suprafață foarte subțire al așa-numitului. "Strat de piele" (δ ~ cm, adică α ~ cm-1), iar absorbția are loc pe electroni de conductivitate. Cu prelucrarea laser a materialelor, adâncimea de penetrare a căldurii în adâncimea metalului, deși mai multe ordine de mărime depășesc grosimea stratului de piele, aproape adiacentă suprafeței materialului și, prin urmare, în toate calculele, sursa termică poate să fie considerat superficial. Interacțiunea luminii cu metale (conductor) este determinată de prezența unui număr mare de electroni în ele, atât de slab asociat cu zăbrele cu cristal pe care acești electroni pot fi considerați practic liberi. Taxa pozitivă electrostatică a ionilor metalici de metal compensează încărcarea negativă a acestor electroni. Setul de electroni liberi (electroni de conductivitate) se numește electronică. Concentrația electronilor liberi în metale este foarte semnificativă (~ cm -3). În domeniul valului electromagnetic incident, electronii liberi fluctuează și emit valuri secundare, care, atunci când adăugați, dau un val puternic reflectat. Absorbția luminii de către electroni de conductivitate este posibilă numai cu interacțiunea lor cu grila metalică și, prin urmare, se duce parțial în căldură. În conductorul perfect, unde pierderile din căldura Jowlezo sunt în general absente, absorbția este zero, deoarece lumina incidentă este complet reflectată. Absorbția luminii duce la o creștere a energiei electronilor liberi. Deoarece timpul de stabilire a echilibrului în gazul electronic este semnificativ mai mic decât timpul de stabilire a echilibrului dintre electroni și grila de atomi, două subsisteme termodinamice cu temperaturi diferite apar electronice și fonon. O parte din electronii de energie absorbită transmite la lattice, dar eficiența de transmisie este mică datorită diferenței mari în masele de electroni și ioni. Prin urmare, în primul moment, electronica este supraîncălzită în mod semnificativ în comparație cu grila. Cu toate acestea, o creștere a temperaturii gazului de electroni apare numai până când cantitatea de energie transmisă de lattice nu se compară cu cantitatea de 7

9 Energia obținută de electroni dintr-un val electromagnetic. Datorită faptului că timpul caracteristic pentru schimbul energiei între aceste subsisteme τ ~ C, și timpul de expunere a radiației asupra substanței în timpul procesării laser a materialelor aproape întotdeauna câteva ordine de mărime, apoi în viitor vom folosi totalul temperatura metalelor. Pentru conductorii buni, coeficientul de reflexie R este de obicei aproape de 1 și, în consecință, capacitatea de absorbție este mică. Prezentăm valorile capacității de absorbție a unor metale (curate; la 20 ° C): lasers tabel 8 metal AR + λ ~ 0,488 pm rubin λ ~ 0,69 μm AIG λ ~ 1,06 μm CO 2 λ ~ 10,6 pm al Aluminiu 0, 19 0,11 0.08 0,019 W Tungsten 0.55 0,50 0,41 0,026 FE Feron 0,68 0,45 0.35 0,076 Cu cupru 0,56 0.17 0,10 0,015 Ni Nickel 0.40 0.32 0,26 0.03 Ag Silver 0.05 0.04 0.04 0,014 Ti Titan 0,48 0,45 0,42 0,08 Aceste date sunt valabile pentru metalele în vid, iar în cele mai multe cazuri practice încetează să corespundă realității (de exemplu, datorită oxidării suprafeței, crește capacitatea de absorbție). Absorbția luminii prin dielectrică Absorbția luminii de către dielectrică depinde puternic de lungimea de undă. În regiunea IR, absorbția este determinată de stările oscilative ale laticii cristale și în compuși organici oscilații moleculare. Pentru această zonă, valorile coeficientului de absorbție a α cm-1 sunt tipice. În regiunea vizibilă, absorbția poate fi cauzată de impurități (de exemplu, de ioni de metale de tranziție, defecte ale laticii de cristal etc.) sau "coada" benzilor puternice de absorbție UV. De asemenea, se poate numi tranziții electronice discrete în cristale moleculare (de exemplu, în mulți compuși organici). Coeficienții tipici din banda de absorbție ~ cm -1. Coeficientul α poate fi corelat cu o grosime a stratului H cu raportul

10 (I / I 0) 100 \u003d Capacitate de transmisie (%) \u003d 100 E -ah, sau (I / I 0) \u003d E -ah, unde i 0 intensitatea radiației incidente; Intensitatea radiațiilor trecute. Măsura utilă de grosime, pe care apare o slăbire semnificativă a radiației incidente, este L \u003d 1 / α, unde am slăbit. Pentru absorbanții puternici α \u003d 10 6 cm -1 și L \u003d 10-6 cm, pentru relativ slab α \u003d 10 cm-1 și L \u003d 10-1 cm. Raportul dintre α și indicele de refracție este de formă α \u003d 4π m / λ, unde m imaginar parte a indicelui complex de refracție este ñ \u003d n im; λ Lungimea de undă ușoară. Intervalul lungimii de undă de masă, pe care capacitatea de îndoire este redusă la 10%, MKM AL203 0,15,6,5 ca 2 s 3 0,6 13 CDSE 0,14 15 CDS 0,5 16 CDTE 0,3 30 CAF 2 0,13 12 CSBR 0,2 45 CUCL 0,4 19 DIAMOND (tip IIA) 0.225 2.5; GAAS 1 15 GE 1.8 23 INAS 3.8 7 PBS 3 7 MGO 0,25 8,5 SE 1 20 Si02, (topit) 0,2 4,5 si 1.2 15 TiO 2 0.43 6, 2 ZNS 0.5 22 ZNS 0,

11 în regiunea vizibilă pentru materiale minunate transparente, de obicei K ~ 10-5 sau ~ 10 cm -1. Tabelul indică intervalele valurilor din regiunea IR, în care dielectrice și semiconductori sunt transparente în mod nominal. În intervalul de transparență al acestor materiale α poate fi de 1 10 cm -1. Majoritatea materialelor cu conexiuni SI sunt relativ transparente în regiunea vizibilă a spectrului, dar sunt puternic absorbite în cartierul λ \u003d 10 pm. Prin urmare, pentru procesarea mineralelor de cuarț, sticlă și silicat, este cel mai bine să se utilizeze cu 2 laser. Compușii solizi organici sunt puternic absorbiți în regiunea IR, dar pot fi transparente pe lungimi de undă mai scurte (de exemplu, polietilenă). Astfel, laserul CO 2 este ideal pentru prelucrarea acestor materiale. Spre deosebire de metalele în care absorbția de radiații apare la suprafața în stratul de piele, absorbția în dielectrică și majoritatea semiconductorilor are loc într-un strat, determinată de lungimea de slăbire L, care poate depăși în mod semnificativ grosimea obișnuită a pielii. În regiunea IR L\u003e 10-4 cm și, astfel, în multe cazuri, încălzirea poate fi considerată voluminoasă. În particular, aceasta se referă la încălzirea filmelor subțiri, unde pot depăși grosimea filmului. Deși coeficienții de reflexie de lumină polarizată depind de unghiul de cădere și de direcția de polarizare, la fel ca în metale, atunci când prelucrarea, permeabilitatea dielectrică ε este aproape egală cu cea și fenomenul observat în timpul procesării metalelor folosind raze polarizate, în timpul Prelucrarea dielectricilor nu este detectată. Absorbția luminii prin semiconductori. Proprietățile electrice și optice ale semiconductorilor sunt asociate cu faptul că nivelurile de energie umplute cu electroni în zona de valență sunt separate de zona interzisă a zonei de conducere. În consecință, ar trebui utilizată o abordare cuantică, având în vedere lumina ca un flux de fotoni cu o energie ħΩ. Semiconductorii au o concentrație scăzută de electroni liberi și dacă energia cuantului de lumină este mai mică decât lățimea zonei interzise (ħΩ

12 taxe spațiale, care se datorează existenței centrelor locale de suprafață. Astfel de centre pot fi asociate direct cu defalcarea frecvenței, cât și cu atomi adsorbiți și molecule. Când se analizează acțiunea termică a radiației pe semiconductori, se disting următoarele mecanisme de absorbție a radiației electromagnetice: 1. Absorbția proprie (interbansă) a luminii. Dacă energia cuantică este mai mare decât lățimea zonei interzise (Ω\u003e ECS), apoi datorită fotofice interne, electronii din zona de valență sunt transferați în zona de conductivitate. Timpul vieții lor până la recombinarea cu gaura electronică cu eliberarea de căldură în zăbrele este aproximativ cu. Semiconductorul începe să se apropie de metale, iar reflexia sa crește. În același timp, atunci când absorbția radiației cu transportatorii liberi este așa-numita. "Căldura" (accelerarea mișcării) a numărului inițial de electroni din zona de conducere, ceea ce duce la o creștere a concentrației electronilor ca urmare a ionizării termale a zonei de valență, adică Poate lua un proces de auto-estessing de încălzire a unei substanțe. Coeficientul de absorbție α1 este o absorbție preparată cm (absorbție de către purtători liberi de către electroni și găuri). În esență, în mod analog, absorbția electronilor liberi în metale, dar diferă în concentrația de purtători liberi, care este mică în statul de echilibru (CM -3). Coeficientul acestei absorbție a absorbției impurității α 2 ic cm. Aceasta implică transportatori cu stări de energie situate în zona interzisă (ħΩ

13 se efectuează o conducție electronică și fac o contribuție semnificativă la conductivitatea termică totală. Transferul de energie în semiconductori poate fi efectuat, de asemenea, utilizând radiații de recombinare. Pe baza celor de mai sus, se poate concluziona că, prin natura susceptibilității la radiațiile laser, semiconductorii ocupă o poziție intermediară între metale și materiale transparente. Ca urmare a absorbției radiației laser cu semiconductori, se formează perechi de orificii electronice, care transmit energie de radiație cu o latură cristalină în timpul recombinării. Prin urmare, cu o putere crescândă de radiație laser, deteriorarea materialului va avea loc ca urmare a încălzirii. Un astfel de proces de deteriorare este caracteristic siliciului slab aliat. Cu toate acestea, cu o dopaj puternică a semiconductorului, daunele sunt similare cu deteriorarea metalelor. Calitatea tratamentului de suprafață a semiconductorului are, de asemenea, un impact mare asupra pragului de deteriorare din material. Etching-ul crește pragul relativ de șlefuire a cristalelor de mai mult de 3 ori, și pentru o șlefuire produsă sau chimică de 10 15%. Zgârieturile au o influență minoră, deși reflexia și absorbția radiației cu o suprafață plană cu o suprafață plană în secțiunea 1.1 a spus că eficiența utilizării energiei cu radiații laser în timpul procesării materialelor depinde în mod direct de capacitatea lor de absorbție A. Având în vedere că mediul absoarbe Întregul val electromagnetic rafinat (adică, având în vedere grosimea mediului \u003e\u003e 1 / a), ia în considerare capacitatea de absorbție a (sau echivalentă cu coeficientul de reflexie r \u003d 1 a) din materialul cu o suprafață netedă ideală. Dacă suprafața este imperfectă, de exemplu, apar efecte dur, noi și foarte nontriviale, dintre care unele vor fi spuse în viitor. Amintiți conceptele de bază și proprietățile câmpului electromagnetic. Câmpul electromagnetic este reprezentat de doi vectori: E B Forța de câmp electric; E B Inducția magnetică. Pentru a descrie efectul câmpului pe obiecte materiale, trebuie să introduceți al doilea grup de vectori: d inducție heeltric; D h tensiunea câmpului magnetic. Derivații spațiali și temporari ai acestor vectori sunt asociați cu ecuațiile Maxwell: 12

14 B rote + \u003d 0; T D D 4π Roth \u003d J t C (prima pereche de ecuații Vector Maxwell) și Divd \u003d ρ; Divb \u003d 0 (1.2.1) (1.2.2) (1.2.3) (1.2.4) (a doua pereche de ecuații scalare ale lui Maxwell). Din ecuațiile (1.2.2) și (1.2.3), (amintirea faptului că DIV () ROT) curge ecuația de continuitate, care reflectă legea conservării încărcării: ρ + Divj \u003d 0, (1.2.5) t Aceasta este, taxele ρ și curenții j sunt asociate cu această ecuație și nu pot fi stabilite în mod arbitrar, independent unul de celălalt. Pentru a se asigura că ecuația Maxwell al Maxwell este o distribuție dată de încărcări și curenți, este necesar să se adauge rapoarte care descriu comportamentul substanțelor sub influența câmpului. Astfel de rapoarte sunt numite ecuații materiale. Pentru substanțele izotropice, ecuațiile materiale sunt înregistrate în forma D \u003d εε0 E; (1.2.6) b \u003d μμ 0 h; (1.2.7) J \u003d σe, (1.2.8) unde ε Constant dielectric; μ permeabilitatea magnetică; Σ Conductivitate specifică. Ecuația (1.2.8) este o formă diferențială a Legii Ohm. Pentru optică, situația este caracteristică atunci când există limite între medii, pe care proprietățile fizice sunt vaccționate. Luați în considerare (fără ieșire) condiții limită de pe suprafața secțiunii a două medii. Componenta normală a vectorului de inducție magnetică este continuă pe suprafața secțiunii: 13

15 14 B N2 BN 1 \u003d 0. (1.2.9) Componenta normală a vectorului de inducție electrică de pe suprafața cu densitatea de suprafață a încărcăturilor ρ * se confruntă cu un salt egal cu 4πρ *: DN2 DN 1 \u003d 4 πρ *. (1.2.10) Dacă există curent cu o densitate de suprafață J *, componenta tangențială a tensiunii câmpului magnetic se confruntă cu un salt egal cu 4 π J *: C 4π HT2 HT1 \u003d J *. (1.2.11) C Componenta tangențială a tensiunii câmpului electric este continuă pe suprafața secțiunii: E E \u003d (1.2.12) T2 T1 0. Reflecție și refracție a undelor electromagnetice plate. Lăsați ca undă electromagnetică polarizată liniară să scadă la un unghi θ 1 la suprafața materialului (fig.). Este împărțită în două valuri: trecând în cel de-al doilea mediu și reflectat. Existența a două valuri rezultă din rezolvarea problemei cu aceste condiții de graniță, deoarece nu pot fi satisfăcute dacă nu de a postula prezența unor valuri de trecere și reflectare. Unghiul de refracție este determinat din expresia cunoscută: păcatul θ1 SIN θ 2 \u003d (1.2.13) N reflecție de orez și refracție a undelor electromagnetice plate din limita partiției a două unde n \u003d εμ este indicele de refracție. Din ecuațiile maxwell și condițiile limită pentru componenta câmpurilor electrice și magnetice există o soluție de ecuație a undelor pentru valuri reflectate și refratete (formule Freelle)

16 () r () (i tg θ1 θ2) // \u003d //; (θ 1 + θ2) e e tg e () r () I păcat (θ1 θ2) \u003d E; Păcat (θ + θ) 1 2 (1.2.14) ee () t () i // \u003d e // () t () i \u003d e păcat 2 păcat θ Cosθ 2 1 (θ + θ) (cos θ θ ) SIN θ2 COSθ1. păcat (θ + θ) 1 2; (1.2.15) În cazul general al mediului de absorbție, indicele de refracție este integrat: () 1, n \u003d n x i (1.2.16) unde χ se numește coeficientul de extincție (slăbirea fasciculului în timpul distribuției sale Mediu. Frenelly urmează expresiile direct coeficienți de reflecție R. pentru medii transparente (χ \u003d 0), dacă vectorul valului incident se află în planul de cădere (Polarizarea P), apoi (θ1 θ2), (θ + θ) 2 tg R // \u003d (1.2.17) 2 Tg 1 2 și dacă vectorul este perpendicular pe planul de cădere (polarizarea S), apoi 2 păcat R \u003d (1.2.18) 2 păcat 1 2 π la Coal Brupener θ 2 \u003d θ 1 pentru componentele polarizării P - 2 () R E din valul reflectat devine egal zero (Fig, A) în acel (θ1 θ2). (θ + θ) // Cazul unui mediu transparent și are o valoare minimă pentru un mediu de absorbție. Pentru absorbția unghiului θ 2 în expresie (1,2.13) datorită complexității indicelui de refracție, acesta va fi, de asemenea, cuprinzător și acest lucru trebuie luat în considerare la înlocuirea acestuia în formula (1.2.14), (1.2 .15). În scădere normală (θ 1 \u003d 0), coeficientul de reflexie 15

17 A B 16 Figura dependenței coeficientului de reflexie R din unghiul toamnei θ pentru E // (Polarizarea P, curbele 1) și E (Polarizarea, curbele 2) pentru cazuri: și un mediu transparent la n \u003d 1,5 ; B mediu de absorbție la n \u003d 1,5 și χ \u003d 1 r \u003d () n 1 n () n 1 n x χ. (1.2.19) dacă nch \u003e\u003e (n + 1), atunci R1; Astfel, sub picătură normală, o reflecție puternică este asociată cu o absorbție mare de radiații în mediu. Cu scădere înclinată, expresiile obținute sunt destul de complexe; Dacă n 2 + n2 x 2 \u003e\u003e 1, atunci următoarele rapoarte: RR () () N 1 + χ COS θ 1 2N COSθ + 1 1 \u003d (Polarizarea P), (1.2.20) n 1 + χ COS θ + 2N COSθ + 1 // () N () N 1 1 N 1 + χ 2 COSθ + COS θ \u003d N 1 + χ + 2 COSθ + COS θ (S polarizarea). (1.2.21) Componenta vectorului electric al valului reflectat pentru polarizare situată în planul de cădere (Polarizarea P) atinge un minim la un anumit unghi de venit (figura 1.2.2, b). Prezentăm dependențele reale ale reflexității coeficientului de reflexie) din unghiul de cădere pentru fier și cupru (figura 1.2.3, A, B). 2 4σ pentru metale n \u003d ε 1 i (1.2.22) εω 0

18 și în cele mai multe cazuri 4σ / Ω \u003e\u003e 1 (în intervalul optic μ 1), prin urmare (1.2.19) ia forma (pentru căderea normală): în cazul în care ω \u003d 2πν frecvența circulară a luminii. 2Ω R \u003d 1 A \u003d 1, (1.2.23) πσ A B Figura dependența coeficientului de reflexie R din unghiul toamnei θ pentru E // (Polarizarea P, Curbele 1) și E (polarizarea S, curbele 2 ) pentru fier (A) și cupru (b): linii solide la o temperatură de 20 ° C, bar la 1000 cu raportul dintre Khagen Rubens (1.2.23) pentru valoarea statică a conductivității coordonate cu date experimentale pentru IR Lungimi de undă cu λ\u003e 5 μm. Metalele sunt conductoare bune, prin urmare, în conformitate cu (1.2.23), capacitatea lor de absorbție A la lungimea de undă a radiațiilor (λ \u003d 10,6 μm) este mică (vezi Tabelul 1.1.1). Este deosebit de scăzut pentru metalele neferoase (Al, CU) și în special pentru metale nobile (AG, AU). Acesta este motivul pentru care prelucrarea laser a acestor materiale este sau dificilă sau aproape imposibilă de radiație a gazului cu 2 -Lazer. În plus, acoperirea aurului (mai puțin adesea argint datorată oxidării) este adesea utilizată pentru fabricarea oglinzilor pentru aceste lasere. Tratamentul cu laser al metalelor neferoase este mult mai eficient pentru a radia laserele AIG AIG Solid (λ \u003d 1,06 pm), unde absorbția este mult mai mare. Dependența capacității de absorbție și a unghiului de incidență și polarizare este puternic afectată de tăierea cu laser și sudarea cu laser cu penetrare profundă și ar trebui, de asemenea, luate în considerare la proiectarea diferitelor senzori de radiații laser (de exemplu, descărcători). 17.

19 18 2. Undele electromagnetice de suprafață (PEV) și absorbția radiației laser Suprafețele reale ale materialelor nu sunt absolut netede, prezența unei reliefuri minore și microclorozități poate schimba radical natura descrisă anterior a interacțiunii și absorbției radiației laser cu o substanță. Când valul electromagnetic cade pe o suprafață aspră în detrimentul difracției, apar undele electromagnetice de suprafață ale PEV (sau în alt mod a polaritonilor de suprafață) (sau în alt mod polaritonii de suprafață). PEV se aplică de-a lungul frontierei secțiunii a două medii și ambele sunt ambele în același timp. Interesul pentru studiul intervalului optic PEV se datorează faptului că pot excita în mod eficient radiațiile pe o suprafață reală și pot influența semnificativ diferite procese. Printre aceste procese: împrăștierea luminii adsorbită pe suprafață prin particule; generarea de armonici mai mari atunci când reflectă radiația laserului din metale; Schimbarea absorbției; Reacții fotochimice; Formarea structurilor periodice de suprafață. PEV este localizat lângă suprafață și se estompează exponențial de-a lungul ambelor părți ale acesteia. 2.1: () a \u003d a0 exp (± ψ12z) exp_ kx s ωt. (2.1) Localizarea Riga a PEV-ului pe interfața secțiunii PEV nu este strict valuri electromagnetice transversale, dar sunt valuri electromagnetice parțial longitudinale TM: vector magnetic h, perpendicular pe direcția de propagare a PEV (vector de valuri k S) , se află în planul de suprafață. Vectorul electric are două componente: e Z perpendicular pe suprafață și E x de-a lungul vectorului de valuri K S. Interferența de orez PEV cu cădere, reflectată și pre-

20 cu valuri sparte determină natura câmpului electromagnetic la suprafață și disiparea acesteia (absorbție). Ca rezultat, orice suprafață curată și nexidată poate avea o capacitate de absorbție foarte mare A 1, dacă relieful suprafeței are o anumită periodicitate, adâncimea modulației și orientării. Deoarece rugozitatea arbitrară poate fi supusă spectrului său spațial Fourier, în principiu, problema difracției la rugozitatea suprafeței este redusă la sarcina de difracție a reliefului sinusoidal. Câmpurile electromagnetice rezultate sunt obținute prin suprapunerea incidentului și a tuturor difracției pe laturile Fourier ale valurilor. Luați în considerare căderea valului electromagnetic plat E (X, Y, Z, T) \u003d EXP (IKX + IK z Ω) + êîëïïïïïи. Iitz pe suprafața mediului cu componente constante dielectrice ale câmpurilor electrice și magnetice ale PEV (2.2) 2 ε (ω) \u003d ε (ω) + i ε (ω) \u003d (n + im) (2.3) și permeabilitate magnetică μ \u003d 1, umplerea jumătății de spațiu Z ξ (x, y) \u003d 2 aq COS (QR + φ) \u003d ξq Exp (iqr) + êîììïïïïïïï. ñü x; (2.5.a) kz \u003d k0 cos θ ï ð "z, (2.5.b) în cazul în care Q2π Wave Vector Grila Q \u003d; R \u003d () XY, Radius-Vector, D situată în planul Z \u003d 0; θ unghiul de incidență a unui val electromagnetic. nouăsprezece

21 Ca rezultat al difracției de radiație de difracție (2.2) la limita modulată (2.4), se produce un set de câmpuri de difracție în afara mediului E \u003d E EXP (IK R + Zi ω T) + êî ïï 20 20 pppp γ \u003d KKPP 0 și în interiorul mediu E \u003d E Exp (IKR γ Zi ω T) + êîëïïïï. pppp γ \u003d kk ε, pp 0 unde indicele P (p \u003d 0; ± 1; ± 2;) înseamnă ordinea difracției ; k \u003d k p q p t (2.6) (2.7) (2.8) Valoarea p \u003d 0 corespunde oglinzii reflectate și a refractat undele Frenelly. Expresiile pentru amplitudinile câmpurilor și în interiorul mediului sunt determinate din soluția ecuațiilor Maxwell și a condițiilor de graniță pentru componenta câmpului electromagnetic total. Ele sunt declarate în literatură specială și sunt destul de complexe. În același timp, unele caracteristici PEV pot fi obținute din momente simple comune, de exemplu, folosind diagramele vectoriale ale legii de conservare a impulsului. Luați în considerare valurile difuzate ale ordinului 1 (p \u003d ± 1). Ca urmare a difracției asupra reliefului sinusoidal, aceste două valuri au vectorii de val K1 \u003d K t Q (ñò ê Â Â à à); (2.9) K \u003d 1 K + T Q (à ê ê ê â â à à), (2.10) Ce poate fi reprezentat ca o diagramă vectorială. În fig. 2.3 Un cerc cu o rază R \u003d K 0 egal cu magnitudinea vectorului de undă a valului de cădere este efectuată. În mod natural, valul polarizat al incidentului va excita în mod eficient valul de suprafață (cazul rezonantului) atunci când vectorul de undă al stokes și / sau valul anti-accident vascular cerebral este egal cu vectorul valului valului de cădere: KP K (2.11) 0,

Prelegere 11 Planul 1. Fenomenele optice pe interfața de interfață: Reflecția și refracția luminii polarizate pe marginea secțiunii. Formule Frenelly. 3. Efectul de bere. 4. Schimbarea fazei de val de lumină când

W09 undele electromagnetice. Polaritonii. Să ne întoarcem la luarea în considerare a caracteristicilor undelor electromagnetice în diferite medii. Toate ecuațiile cunoscute ale lui Maxwell vor fi utilizate sub formă de 1 b div d 0 rot e t (1)

3 3. Oscilator armonic, primăvara, pendul fizic și matematic. Pendul fizic. Pendulul fizic este numit un corp solid, care este sub influența gravitației de ezitare în jur

Absorbția luminii prin fonoane optice. Spectroscopie IR. Cuprins Considerații calitative ... 1 Raportul dintre telefoanele Leeddein-Sax ... 2 Punerea experimentului și exemple de date experimentale ... 6 listă

1 studiu al absorbției optice a semiconductorilor Scopul lucrării: Familiarizarea cu fenomenul de absorbție a oxigenului cu un semiconductor, măsurarea spectrelor de absorbție a cristalelor CD-uri și GaAs la cameră

Undele electromagnetice de suprafață în optică. Excitația Plasmon-Polont asupra limitei secțiunii a două medii Verkoprov AO, Eremeeva A.a. Optica modernă, schimbată puternic după apariția laserelor

Curs 6 fenomene termooptice cu intensități ultra-ridicate de întrebări de lumină: 1. Defalcarea optică a mediului. Impactul și efectele neliniare termice. Conceptul de forță optică. Rezistență la înălțime. Efectiv

) La modul în care unghiul ar trebui să cadă un fascicul de lumină din aer până la suprafața lichidului, astfel încât atunci când partea inferioară a vasului de sticlă este reflectată (n \u003d, 5) umplută cu apă (N2 \u003d, 33), Lumina a fost complet polarizată. 2) Ce

13 "Generarea și recombinarea transportatorilor de încărcare" Formarea de electroni liberi și găuri Generarea de purtători de încărcare apare atunci când mișcarea haotică termică a atomilor de lattice cristaline

Dispersia ușoară este cunoscută că pentru un mediu izotropic homogen (\u003d origos) non-magnetic (\u003d) în absența încărcărilor și curenților (\u003d; j \u003d) din ecuațiile Maxwell, se poate obține o ecuație de undă: e e t

Întrebări tipice de testare (parte) Maxwell Equene 1. Sistemul total al ecuațiilor Maxwell pentru câmpul electromagnetic are forma: indicați consecința cărora ecuațiile sunt următoarele afirmații: în natură

I..3 Proprietățile principale ale undelor electromagnetice. 1. Trecerea și ortogonalitatea vectorilor E R și HR Sistemul de ecuații Maxwell vă permite să descrieți corect apariția și distribuția electromagnetică

Lucrul 5.9 Studierea echipamentului laser cu gaz: Laser, difracție și interferență set, conducător de măsurare, ecran. Introducere Fenomenul interacțiunii luminii cu o substanță cu termodinamică normală

Capitolul Optica Wave. Interferențe și difracție ... Interferența valurilor coerente .... condiții pentru manifestarea interferențelor. Interferența valurilor - adăugarea în spațiul a două sau mai multe valuri, în care

Wave Optics Light este un fenomen complex: În unele cazuri, lumina se comportă ca un val electromagnetic, în altele - ca un flux de particule speciale. Vom studia mai întâi Optica Wave - un cerc de fenomene, bazat pe

Curs 14 Interacțiunea luminii cu o substanță astăzi: Marți, 12 noiembrie 2013 Conținutul de curs: Dispersie ușoară Grup de viteză Teoria elementară Teoria absorbției Lumină de împrăștiere Lumină 1. Dispersie

Proprietățile de lumină ale luminii natura ușoară (dualistă). Aceasta înseamnă că lumina se manifestă atât ca un val electromagnetic, cât și ca un flux de particule fotonice. Photon Energy ε: Unde H este o scânteie constantă,

Decembrie 1992 Volumul 162, 12 succese de științe fizice Note metodice Interferența componentei jetului a câmpului electromagnetic a.a. Bells, Institutul de Fizică și Tehnologie din Moscova, Moskovsky Stankoinstrumental

Lecția 1 Subiect: Echilibrare termică Radiație cuantum Natură: Legi Stephen-Boltzmann, Fotoni de vin Formula Planck Flux debitat debit debit debit de densitate Teoria scurtă Încălzit

Interferențe ușoare. Lukyanov i.v. Cuprins: 1. Conceptul de intensitate a fluxului de lumină .. Teoria electronică a durătorilor de metal. 3. Presiune ușoară. 4. Valurile monocromatice de interferență. Conceptul de intensitate

Instituția de învățământ superior de stat "Universitatea Tehnică Națională Donetsk" Departamentul de Fizică Raport privind munca de laborator 95 îndeplinește lucrarea lui NEON Laser Helium și studiul proprietăților laserului

Departamentul de Fizică Experimentală SPBGPU Lucrări de laborator 202 Dependența de temperatură a rezistenței metalice și a semiconductorului Obiectiv Definiția rezistenței coeficientului de temperatură

Lucrări de laborator 17. Polarizare. Legile lui Malyus și Brewer. Birefringența. Scopul lucrării: verificarea legilor lui Malyus și Brewster. Obținerea luminii polarizate eliptic din polarizarea liniară

Examen Model Thomson Atom Polarizabilitatea complexă a atomilor (continuare) 4πρq q ɺɺ R + γRɺ + R \u003d E 3 În această ecuație a mișcării centrului cochiliei electronice, introducem denumirea 4πρq 3 ρq (sistem

Subiect 3. Undele electromagnetice în substanță. P.1. EMV în substanță P.2. Dispersie. P.3. EMV în substanța conductivă P.4. Dispersia și atenuarea EMV în dielectric p.5. Polarizarea 1 p.1. EMV în problema substanței:

Universitatea de Stat Nizhny Novgorod. N. I. LOBACHEVSKY Facultatea de Radiofizică a Departamentului de Electronică Raport privind lucrarea de laborator: Măsurarea duratei de viață și lungimea difuziei transportatorilor non-echilibru

Starea examenului de sincronism de fază (o continuare a acestui obstacol se poate datora birefringenței (două indice de refracție diferit în cristal este faptul că două sunt distribuite în cristal

Dispersia de dispersie ușoară Vade Optica Dispersie a luminii Dependența indicelui de refracție n substanță din frecvența ν (lungime de undă λ) de lumină sau dependența de fază a valurilor de lumină V de la frecvența sa

Optica Interference Light Leation -3 PostNikov Ekaterina Ivanovna, Profesor asociat al Departamentului de Fizica Experimentara 5 Valuri de lumina interferu lumina Fenomenul luminos complicat: in unele conditii se comporte ca

Întrebări generale 1. Ce este Elllipsometria spectrală (fără matematică)? Ellipsometria spectrală este o metodă optică nedistructivă, non-contact și neinvazivă, care se bazează pe punctul de schimbare

67 Capitolul 8. Interacțiunea de valuri de lumină cu electroni liberi în capitolele anterioare este cel mai adesea presupusă că electronii cu care interacționează valul de lumină este în starea asociată.

Reducere: OPR F-QA F-LA - PR - Definiția formulării Exemplul de formula 1. Câmpul electric 1) Proprietăți de taxare fundamentală (listă) 2) Legea rece (F-LA, Fig) 3) Vector de tensiune electrică

Opțiunea 1. 1. a) Sursa de lumină cu luminozitatea L \u003d 200 CD / M2 este la o distanță de S 1 \u003d 20 cm de lentila fină cu o lungime focală \u003d 10 cm. Construiți cursul razelor, pentru a găsi , la ce distanță este situată

Determinarea lucrărilor de laborator a filmelor subțiri subțiri subțiri optice prin rezonanță de plasmon de Kononov Ma Nai Ek. Model de calculator "Proprietăți optice ale filmelor metalice" în

Optica optică se numește secțiunea de fizică, care studiază fenomene și legi asociate cu apariția, propagarea și interacțiunea undelor electromagnetice ușoare (390 nm λ 750 nm). Geometric

1 presiune și puls de unde electromagnetice presiunea valului electromagnetic la suprafața conductorului perfect 1. Undele electromagnetice, reflectând sau absorbția în corpuri, au pus presiune asupra lor. aceasta

Cercetarea difracției luminii Lipovskaya M.Yu., Yashin Yu.P. Introducere Lumina se poate manifesta fie ca un val, fie ca un flux de particule care poartă numele dualismului carpuscular - valul. Interferența I.

Dispersie a luminii. Radiația termică Prelegere 7 PostNikov Ekaterina Ivanovna Profesor asociat al Departamentului de Fizică Experimentală Dispersia de Dispersie Lumină Lumină dependența de viteza de fază C (indicele de refracție

Lucrări 5.10 Determinarea lățimii zonei semiconductoare interzise pe marginea propriului echipament de absorbție: monocromatorul protejat UM-2, lampă incandescentă, galvanometru, fotorezistența de sulf-cadmiu,

Optica optică Această secțiune de fizică în care sunt studiate modelele de fenomene ușoare, natura luminii și interacțiunea acestuia cu substanța. Fasciculul luminos este o linie, de-a lungul căreia se răspândește lumina. Lege

Principiile fizice ale screeningului consideră principiile fizice calitative ale ecranului. Analiza va fi efectuată pentru un ecran conductiv plat. În fig. Xx este reprezentat de metal plat infinit extins

Freel Frell Examum Rezultatele amuzante ale reflecției și de a trece găsiți amplitudinile de valuri reflectate și refractate din condițiile de graniță, luând în considerare transversalul valurilor luminoase și luând în considerare legile de reflecție

Examinarea refracției (Legea lui Snellius și Legea Reflecției Legea Snellulus se poate dovedi cu ajutorul construcțiilor de ghigende pe care le vom face atunci când luăm în considerare cristalopters, iar acum vom dovedi altfel

4. Reflecția completă externă a radiațiilor cu raze X considerate în secțiunea anterioară Unghiul minim de aliniere (O) min în care radiația cu raze X penetrează de la un vid în unele miercuri,

Întrebări pentru a testa 1 "Optics" 1. Listați legile de reflecție a luminii. Cum primește în principiu o imagine într-o oglindă plată? 2. Listați legile de refracție a luminii. 3. Cum de a explica faptul de refracție a luminii?

Test În grupurile MP 0 MP 5 conține întrebări și sarcini de testare pe teme:. Inductie electromagnetica. Inducția de auto-inducție 3. Energia câmpului magnetic 4. oscilațiile electrice alternative

Semiconductori Semiconductori Corpuri solide, în care la t \u003d 0, zona de valență este complet umplută și separată de zona de conducere îngustă, comparativ cu dielectricile, zona interzisă se presupune că lățimea

Polarizarea undelor electromagnetice. (Conform descrierilor sarcinilor atelierului 47 și 4 din teoria electromagnetică a luminii pe baza sistemului de ecuații Maxwell, rezultă că valurile ușoare sunt transversale. Acest lucru înseamnă acest lucru

Interferența luminii de lucru laborator. Fresnel biprism. Scopul lucrării este de a studia interferența luminii pe exemplul experienței cu biprismul Fresnelului, determină unghiul de refracție al biprismelor pentru a devia fasciculului laser

Polarizare Light Dispersion Wave Optica Polarizare Lumină Fenomenul Organizației Supuri E E E E E E E E R E Vector Electrice Vector de tensiune, polarizare ușoară

Lucrări de laborator 9A Studiul fenomenelor de difracție utilizând un principiu fizic laser de funcționare a generatoarelor cuantice optice. Laser (Generator OCG OCG optic) este un dispozitiv,

"Calculul concentrației purtătorilor de încărcare într-un cristal" conducerea oricăror corpuri solide este determinată în primul rând prin concentrația de electroni și găuri care pot tolera încărcătura. Concentrarea transportatorilor de încărcare

Lucrări de laborator 10 Determinarea pierderilor de materiale în fibre de film Scopul lucrării Calcularea coeficientului de extincție pentru un ghid de lumină de film utilizând valorile constantei sale optice, măsurate

Examenul de colț de bere și tuburile laser colț π ia în considerare condiția α + α \u003d, în cazul în care α unghi de cădere a luminii pe marginea secțiunii a două suporturi, unghiul de refractare π dacă α α tg α α este expresia r \u003d Tg α +.

3. Difracția de difracție a luminii este un set de fenomene observate în propagarea luminii într-un mediu cu eterogenități ascuțite și asociate cu abaterile de la legile opticii geometrice. Difracţie,

Prelegerea materialelor fizice 11 Mecanisme de conductivitate electrică de conductivitate electrică. Măsurătorile conductivității electrice, conductivitatea electrică volumetrică și de suprafață. Emisiile: termoelectronice, auto-electronice,

Tipuri de emisii electronice Procese fizice în dispozitive și dispozitive electronice în vid: Emisii de electroni de la catozi incandescenți, rece și plasmei; Formarea (Focus) și

Lucrări de laborator 19 Phootff interne. Studiul caracteristicilor fotorezistorului Scopul lucrării: investighează experimental caracteristicile de volumator, lumină și spectrală ale rezistenței la fotografie.

Pentru drepturile manuscrise

Nethekin Alexey Youryevich.

Interacțiunea radiației laser

Cu materiale multistrat

01.04.21 - Fizica laser

pentru o diplomă științifică

medicii de științe fizice și matematice

St. Petersburg - 2011

Lucrarea a fost efectuată în instituția de învățământ bugetar de stat federal de învățământ profesional superior "Universitatea Politehnică de Stat din St. Petersburg"

(FGBOU VPO "SPBGPU")

Consultant științific:

PRIVALOV VADIM EVGENIVICH.

Oponenții oficiali: Doctor în științe fizice și matematice, profesor

Aksenov Evgeny Timofeevich.

doctor în științe fizice și matematice, profesor

Tolmachev Yuriy Alexandrovich.

doctor în științe fizice și matematice, profesor

Fedortsov Alexander Borisovich.

Organizația de conducere: Universitatea Tehnică de Stat din Baltic "Milnamekh". D.f. Ustinov.

Protecția va fi "" 2011 în _______

la reuniunea Consiliului de Disertație D 212.229.01 cu FGBou VPO "Universitatea Politehnică de Stat din St. Petersburg" 195251, Rusia, St. Petersburg, ul. Politehnică, d. 29, k. 2, A.470.

Disertația poate fi găsită în biblioteca fundamentală.

FGBou VPO "Universitatea Politehnică de Stament St. Petersburg"

Secretarul științific

consiliul de disertație

d.T., profesorul Korotkov A.S.

Descrierea generală a muncii

Lucrările de disertație este dedicată analizei proceselor de interacțiune a radiației laser în materialele multistrat utilizând metode de modelare matematică.

Relevanța subiectului. În ultimii ani, metodele bazate pe utilizarea radiațiilor laser au devenit răspândite pentru a diagnostica structura internă a diferitelor obiecte optic neomogene, în special ei găsesc aplicații în medicină, biologie, științe despre materiale, fizică atmosferică și oceanică și alte zone ale Știința modernă.

De interes deosebit este interacțiunea radiației laser cu materiale biologice multistrat. În funcție de densitatea puterii, trei tipuri de efecte de interacțiune cu radiații laser se disting cu biologitate: fotochimică, cu valori relativ mici ale densității de putere; Thermal, cu valori medii ale densității de putere și fotomecanice (neliniare), cu valori foarte mari ale densității energetice și timp de livrare foarte scurte la radiații. Cu o creștere a densității energiei de radiație livrate într-un interval de timp scurt, apare o îndepărtare explozivă a materialului (fotoulabulare).

Datorită structurii multi-strat și multicomponente a biotiziei, interacțiunea radiației cu acesta este foarte complexă. De exemplu, stratul excitat al pielii reflectă radiația incidentă, în timp ce fasciculul colimat al luminii este transformat în difuz din cauza heterogenităților microscopice la limita aerului - stratul excitat. Cea mai mare parte a pielii reflectate a luminii este formată din dispersarea inversă prin diferite straturi de țesătură (strat excitat, epidermă, dermă, sistem microvascular). Absorbția pigmenților luminoși ai pielii dă informații cantitative despre concentrația de bilirubină, saturația hemoglobinei oxigenului și conținutul de medicamente în țesut și sânge, care este baza metodelor de diagnosticare a unui număr de boli.

Pentru a îmbunătăți eficacitatea metodelor moderne de diagnosticare laser, precum și a dezvolta noi metode, un studiu detaliat al caracteristicilor procesului de răspândire a luminii în mass-media multistrat, inclusiv entitățile biologice. Cu toate acestea, în prezent nu există o teorie exactă pentru a descrie propagarea luminii în mass-media neomogene din punct de vedere structural, iar studiile experimentale sunt complicate de dificultățile de menținere a constanței parametrilor dinamici structurali. În acest sens, rolul tot mai mare este achiziționat prin simularea calculatoarelor a proceselor de propagare a radiațiilor cu laser. Vă permite să examinați mai atent caracteristicile procesului de propagare a fasciculului laser în mediul media, precum și investigarea dependenței rezultatelor obținute din diferiți parametri ai sistemului de măsurare și a obiectului studiat, ceea ce este foarte dificil experimentul. Acest lucru vă permite să dezvoltați recomandări privind cea mai eficientă măsurătoare de diagnosticare.

Pentru a interpreta rezultatele rezultate și diagnosticarea corectă a obiectului studiat, este necesar să se cunoască parametrii de propagare a luminii în ea, care se realizează prin compararea datelor experimentale și a rezultatelor modelare a computerului sau a calculelor teoretice dacă Acestea sunt aplicabile în cazul în cauză. Una dintre principalele probleme la calcularea răspândirii radiațiilor în obiectele biologice este alegerea metodei. Datorită dezvoltării rapide a echipamentelor informatice, metoda de testare statistică Monte Carlo este adesea utilizată. În ceea ce privește propagarea radiațiilor în mass-media multistrat, această metodă se bazează pe o repetare multiplă a unui experiment numeric prin calcularea traiectoriei aleatorie a fotonilor din mediul sub studiu, urmată de generalizarea rezultatelor obținute. Când acumulați un număr suficient de mare de date statistice, metoda permite comparații cu rezultate experimentale, precum și prezice rezultatele experimentelor. Precizia unei astfel de modelare este determinată de costul timpului mașinii, precum și corespondența modelului la obiectul simulat.

O problemă importantă în modelarea este selecția corectă a valorilor parametrilor modelului utilizat pentru a calcula care nu poate fi măsurată în mod explicit. Trebuie remarcat faptul că, în unele cazuri, în special, pentru multe bietiste, există o discrepanță semnificativă între valorile proprietăților lor optice obținute de diferiți autori.

Toate cele de mai sus confirmă relevanța subiectului și ne permite să formulăm scopul acestei lucrări de disertație.

Scopul disertației a fost:

Studiul proceselor care stau la baza interacțiunii radiației laser a diferitelor intensități cu medii biologice multistrat, crearea modelelor acestor procese, pe o parte a soluției din punct de vedere al soluției problemei generale a interacțiunii laserului Radiația cu o substanță și, pe de altă parte, reflectând specificul materialelor biologice multistrat.

Realizarea obiectivului necesar:

1. Dezvoltarea metodelor teoretice pentru studierea și analizarea mediilor biologice, ceea ce implică o analiză critică a teoriilor și modelelor existente pentru propagarea luminii în medii biologice și luarea în considerare a mecanismelor de interacțiune a radiației laser cu țesuturile biologice de geometrie complexă.

2. Crearea fizică model matematic Propagarea radiației laser în medii cu o geometrie asimetrică arbitrară, care include inomogenități interne închise ale formei complexe și metode de evaluare a gradului de adecvare.

3. Analizarea posibilităților de utilizare a modelului dezvoltat pentru a rezolva sarcini pur practice și pentru a crea noi tehnici de diagnosticare bazate pe aceasta.

Noutate științifică

În lucrări, al cărei generalizare este teza actuală, autorul pentru prima dată:

1. Creată conceptul științific și metodele de studiere a interacțiunii radiației laser cu țesuturi biologice, geometria asimetrică arbitrară, inclusiv neomogenitățile interne închise ale formei complexe.
2. A fost propusă o nouă zonă de design de modelare, reprezentată sub forma unei rețele cu elemente de tetrahedron, care oferă modelarea tridimensională a procesului de propagare a radiațiilor în structurile multistrat, ceea ce permite lucrul cu medii biologice de geometrie arbitrară.
3. Reacția de temperatură este detectată prin reacția de temperatură cu includerea nanoparticulelor pentru iradiere cu radiații ultraviolete. O modificare a densității energiei și a câmpurilor de temperatură a luminii absorbite este calculată în funcție de lungimea de undă a radiației incidente, concentrația și dislocarea nanoparticulelor de testare pe mediu.

4. Modelul original de ablație cu laser a țesuturilor biologice solide, luând în considerare materialele biologice cu mai multe straturi, este dezvoltată și fundamentată teoretic. Se demonstrează aplicabilitatea acestui model care descrie datele experimentale existente privind ablația cu laser a țesuturilor biologice multistrat.

Fiabilitatea rezultatelor

Precizia rezultatelor obținute și concluziile este asigurată de adecvarea modelelor fizice utilizate și a metodelor matematice, corectitudinea aproximărilor utilizate, reproductibilitatea datelor de decontare și experimentale, precum și respectarea rezultatelor obținute de alți autori.

Semnificație științifică și practică

A fost rezolvată o sarcină științifică mare în interacțiunea radiației laser cu materiale multistrat de orice geometrie. Acest lucru vă permite să rezumați toate rezultatele enumerate și mărește semnificația științifică și practică a nu numai rezultatele date în disertație, ci și să obțină rezultate mai utile obținute.

Rezultatele obținute pot fi utilizate ca metode de diagnosticare optică a țesuturilor biologice - de exemplu, în tomografie coerentă optică.

Metoda de calculare a reacției de temperatură a bioTCakes utilizând nanoparticulele atunci când este iradiată cu intervalele UV și UV-B de lumină este certificată ca o metodologie a serviciului de stat al datelor de referință standard (GSSD), certificat nr. 150.

Marea aplicație practică are calcule ale parametrilor de ablație cu laser a țesuturilor biologice solide. Acestea pot fi utilizate în chirurgia cu laser și stomatologie.

Rezultatele obținute în disertație pot fi, de asemenea, aplicate în procesul educațional - în pregătirea studenților, studenți absolvenți, în prelegeri în prelegeri în "fizica laserului" de specialitate.

Principalele prevederi înzestrate

1. Conceptul și metodele de studiere a interacțiunii radiației cu laser cu țesuturi multicomponente inhomogene și medii cu geometrie complexă, permițând descrierea proceselor de interacțiune a radiațiilor cu materialele multistrat și angajații pentru a crea software sistemic pentru tehnicile, dispozitivele și dispozitivele de diagnosticare reale.

2. Modelul distribuției densității energiei absorbite pentru diferite intervale de radiații din medii multistrat, cu un design asimetric arbitrar al mediului calculat, cu includerea neomogenelor interne interne închise ale formei complexe, utilizând metoda tridimensională a Monte Carlo și finit - Partiția de bază.

3. Principalele mecanisme de interacțiune a radiației laser a diferitelor intensități cu țesuturi multistrat, care permit stabilirea condițiilor de apariție a proceselor termice și evaluarea posibilităților de aplicabilitate a modelului dezvoltat pentru studiul încărcăturilor termice ale țesuturilor multistrat de procese de ablație în ele.

4. Reacția de temperatură este bietară cu includerea nanoparticulelor pe iradierea cu radiație ultravioletă, ceea ce face posibilă luarea în considerare a lungimii de undă a radiației incidente, concentrația și dislocarea nanoparticulelor de testare incluse pe mediu.

5. Modelul de ablație laser a țesuturilor biologice solide, luând în considerare materialele biologice cu mai multe straturi.

Publicații și aprobarea rezultatelor

Principalele rezultate ale cercetării prezentate în disertațiile raportate și discutate la următoarele conferințe științifice:

I Conferința de Est de Est cu participare internațională și all-rusă. "Noile tehnologii medicale din Orientul Îndepărtat" (Khabarovsk, 1996); Simpozionul științific regional "Ecologia și bolile organelor respiratorii, aplicarea în tratamentul noilor tehnologii" (Birobidzhan, 1997); II Conferința științifică de extremă "Tehnologii medicale noi în Orientul Îndepărtat" (Vladivostok, 1998); III Conferința Regională de Est "Noi tehnologii științifice în regiunea de est de est" (Blagoveshchensk, 1999); III Conferința științifică și tehnică internațională "Electronică cuantică" (Minsk, 2000); III Conferința științifică regională "Fizică: studii fundamentale și aplicate, educație" (Blagoveshchensk, 2002); Simpozionul de școală regională "Fizică și chimie a unui corp solid" (Blagoveshchensk, 2003); Conferința internațională "Tehnologii optice laser în biologie și medicină" (Minsk, 2004; Conferința a patra Asia-Pacific "Problemă fundamentală a Opto-și Microelectronicii (APCOM 2004) (Khabarovsk, 2004); Conferința internațională IV a tinerilor oameni de știință și specialiști" Optics 2005 "(St. Petersburg, 2005); Conferința științifică regională" Fizică: studii fundamentale și aplicate, educație "(Khabarovsk, 2005); Simpozionul internațional" Principiile și procesele de creare a materialelor anorganice (a treia lecturi Samsonovsky) "(Khabarovsk, 2006) ; Conferința științifică regională "Fizică, studii fundamentale și aplicate, educație" (Blagoveshchensk, AMSU, 2006); Sesiunea științifică a MEFI-2007 (Moscova, 2007); Conferința internațională "Tehnologii avansate laser" (ALT) (Levi, Finlanda , 2007); Conferința Internațională "Lasere. Măsurători. Informații. Congresul optic "Optica-Hhi" (St. Petersburg, 2008); XVI Conferința Științifică Internațională "Tehnologii informaționale cu laser în medicină, biologie și geoecologie" (Novorossiysk, 2008); Conferința internațională "Lasere. Măsurători. Informație. 2009 "(St. Petersburg, 2009); VIII Conferința științifică regională "Fizică: studii fundamentale și aplicate, educație" (Blagoveshchensk, 2009); Conferința internațională privind tehnologiile avansate laser (ALT 09) (Antalya, Turcia, 2009); XX Simpozion Internațional privind Bioelectrochemistrii și Bioelergetice (Sibiu, România, 2009); Conferința internațională "Lasere. Măsurători. Informații "(St. Petersburg, 2010); Conferința internațională "Aplicații laser în Științe Life" (Lals 2010) (Oulu, Finlanda, 2010).

Toate rezultatele originale descrise în teză sunt obținute de autor personal sau sub conducerea sa științifică.

Structura și domeniul de aplicare al disertației

Teza constă în introducerea, cinci capitole și concluzii. Conține 262 de pagini de text scrise, inclusiv 105 desene și o listă de surse utilizate, numerotarea a 214 de articole, inclusiv 35 de referințe la principalele publicații ale autorului pe tema Tezei.

Rezumatul disertației

În introducerearelevanța subiectului tezei este justificată, sunt formulate obiectivele și obiectivele lucrărilor, principalele dispoziții prezentate pentru protecție sunt enumerate, noutatea științifică a rezultatelor obținute, valoarea practică și fiabilitatea acestora sunt respectate. Principalele caracteristici ale interacțiunii radiației laser cu țesuturi multistrat sunt prezentate.

În primul capitolo scurtă trecere în revistă a teoriilor existente utilizate pentru a descrie propagarea radiației laser în țesuturile multistrat, pentru a alege cea mai optimă abordare matematică pentru a analiza aceste procese.

Accentul a fost pus pe analiza a două abordări principale pentru rezolvarea problemelor de propagare a radiațiilor în mass-media multistrat.

Primul dintre ele se bazează pe teoria valurilor de interacțiune a radiației cu o substanță, care se bazează pe ecuațiile Maxwell și pe ecuația valului. Mediul este caracterizat prin coeficienți de împrăștiere și coeficienți de absorbție a particulelor, care sunt specificate sub forma unor variabile aleatorii din coordonatele spațiale. Ca rezultat, se obțin ecuații adecvate integrale sau diferențiale pentru astfel de valori statistice ca și funcțiile de dispersie și corelare. O astfel de abordare este semnificativă din punct de vedere matematic în sensul că este posibil, în principiu, să se țină seama atât de efectele împrăștiere multiple, cât și de influența difracției și interferențelor. Cu toate acestea, într-o astfel de formulare, decizia generală nu a fost încă găsită, soluțiile analitice au fost obținute doar pentru o clasă foarte îngustă de sarcini legate de un mediu puternic rare (suspensii biologice și soluții, nori de ceață în cazul unui domeniu de aplicare directă Obiectul), care face în mod clar o analiză dificilă a proceselor care apar în medii complexe multistrat.

O abordare alternativă se bazează pe cea mai dezvoltată teorie analitică a transferului (TP) a radiației, care în mod clar nu rezultă din ecuația valului. Această teorie funcționează direct cu transferul energiei în mediul care conține particule. Se presupune că fiecare particulă de împrăștiere este suficient de îndepărtată de la vecinii săi, ceea ce elimină posibilitatea interacțiunii între efectele coerente de dispersie, adică. Este asumată o absență a corelației atunci când câmpurile sunt adăugate, există intensități și nu câmpurile în sine. Principala ecuație a TP este ecuația de transfer de radiații:

În cazul în care - luminozitatea energetică este viteza de mișcare a fotonilor, coeficientul de absorbție, coeficientul de împrăștiere, este funcția de împrăștiere a fazei, funcția sursă fotonică este un element infinit de mic al corglei.

Este echivalentă cu ecuația Boltzmann utilizat în teoria cinetică a gazelor și teoria transferului de neutroni. TP Bine descrie multe fenomene fizice și este utilizat cu succes într-o mare varietate de sarcini (vizibilitate atmosferică și subacvatică, biologie marină, optică de hârtii și emulsii fotografice, atunci când analizează răspândirea radiației în atmosferele planetelor, stelelor și galaxiilor).

Se concluzionează că teoria transferului este cea mai potrivită pentru descrierea proceselor asociate cu propagarea radiației optice în țesuturile multistrat de geometrie complexă. Este posibilă rezolvarea problemelor de tomografie și spectroscopie difuză optică a bio-obiecte, pentru a realiza o dozimetrie fiabilă de strat de radiație laser în interiorul intrării biologice. Cu toate acestea, aceasta necesită dezvoltarea și dezvoltarea de noi metode de soluționare a problemelor de transfer de radiații directe și inverse pentru medii de configurare arbitrară și orice condiții de limită. Se demonstrează că pentru rezolvarea unor astfel de probleme, metoda Monte Carlo este promovată, utilizat pe scară largă pentru soluția numerică a ecuației transferului de radiații.

În al doilea Capitolul, care este o caracteristică analitică, a considerat principalele mecanisme de interacțiune a radiației laser cu țesuturile biologice. O atenție deosebită este acordată examinării efectelor termice și ablației țesuturilor biologice.

Termenul "interacțiune termică" descrie un grup mare de tipuri de interacțiune, unde un parametru important este o creștere locală a temperaturii. Efectul termic al radiației laserului are loc numai dacă densitatea de putere este\u003e 10 W / cm2 pentru radiații continue sau radiații pulsate cu o durată a impulsului de mai mult de 1 μs. Prin urmare, procesele cauzate de reacția fotochimică a radiației cu o substanță care apare la densități de putere foarte scăzute (de obicei 1 W / cm2) și timp de expunere pe termen lung nu sunt analizate în detaliu.

În funcție de durata efectului și de valoarea maximă obținută a temperaturii țesutului, pot fi distinse diferite efecte termice - cum ar fi hipertermia, coagularea, evaporarea, carbonizarea (carry) și topirea.

Temperatura este de bază valoarea fizicăCaracterizarea tuturor interacțiunilor termice ale luminii cu o cârpă. Pentru a prezice răspunsul la căldură, trebuie creat un model de distribuție a temperaturii în interiorul țesutului. Adesea, în țesuturile biologice nu sunt una, ci mai multe efecte termice (în funcție de parametrii laserului). Alocă deteriorarea țesutului reversibil și ireversibil. Deoarece temperatura critică a necrozei celulare este determinată de timpul de iradiere, nu există o valoare precisă a temperaturii la care efectul reversibil poate fi distins de ireversibil. Prin urmare, gradul de deteriorare a biților este determinat de energia, volumul și durata iradierii. Posibilele procese termice sunt prezentate în fig. 1. Localizarea și lungimea spațială a oricărui efect termic depinde de temperatura biotubeului în timpul și după expunerea laser.

Smochin. 1. Localizarea efectelor termice în interiorul țesutului biologic.

Unul dintre aceste procese este fotoularea, care constă în faptul că materialul se descompune sub acțiunea radiației cu laser cu intensitate (densitate de putere - 107-108 g / cm2, pentru impulsurile laser Nanosecond). Adâncimea ablației, adică adâncimea de îndepărtare a materialului pentru un impuls, este determinată de energia pulsului până la o anumită limită de saturație. Geometria eșantionului în timpul ablației este determinată de caracteristicile spațiale ale fasciculului laser.

Pentru a crea un model care descrie dependența adâncimii de ablație din intensitatea radiației incidente, majoritatea grupurilor s-au bazat pe presupunerea fiabilității legii Bugger-Lambert pentru a absorbi lumina.

PhotoBularea va apărea dacă:

unde intensitatea radiației IPH-prag care duce la fotocalarea. Această condiție indică: Pentru a face o fotocalizare, o anumită cantitate de energie trebuie absorbită într-o unitate de volum pe unitate de timp. Intensitatea pragului IPH este determinată de numărul minim de conexiuni care trebuie distruse pentru a se desprinde.

Adâncimea de ablație d, adică adâncimea la care i (z) \u003d IPP:

Acest model simplu descrie bine procesul de fotocare, cu excepția pragurilor IPH la începutul fotoulablației și IPL la începutul formării plasmei.

Analiza mecanismelor existente pentru interacțiunea radiației laser cu biotizări multistrat a făcut posibilă concluzionarea faptului că, pentru studiul și evaluarea efectelor termice, este necesar să se rezolve ecuația non-staționară a transferului de căldură, luând în considerare condițiile unui a sarcină particulară. Ca astfel de probleme, în această lucrare se ia în considerare: reacția de temperatură a biotcinetelor, luând în considerare diferitele incluziuni și calcularea parametrilor ablației laser a țesuturilor biologice multistrat masive, care sunt rezolvate în capitolele 4 și 5.

Al treilea cap. Acesta este dedicat rezolvării problemei construirii unui model matematic pentru propagarea radiației optice în medii biologice neomogene de geometrie complexă, ținând seama de structura multistrat a bietului real, destinată calculării și analizării distribuției densității energiei luminoase absorbite în diferitele sale straturi.

Ca parte a acestei probleme, se acordă o atenție deosebită dezvoltării metodelor optice la distanță pentru diagnosticarea mediilor biologice multistrat. Cu toate acestea, cele mai cunoscute metode nu iau în considerare modificările parametrilor optici și geometrici ai obiectelor studiate, în primul rând de neomogenități locale. Din punctul de vedere al modelării vizualizării unor astfel de obiecte, cea mai adecvată este utilizarea metodei statistice Monte-Carlo bazate pe propagarea radiației sub forma unui flux de pachete de undă de model, fiecare dintre care este format din combinație de fotoni ai unei anumite "varietăți" cu o anumită energie și direcția de distribuție. Aceasta înseamnă că pachetul model nu prezintă astfel de proprietăți ca fază și polarizare și este un cvasiparticule, care este capabil să formeze particule de energie similare atunci când interacționează.

Distribuția intensității din cadrul Biotubului este funcția coeficientului de absorbție A, coeficientul de împrăștiere S, parametrul anizotropiei G, precum și dimensiunea fasciculului laser. Aceasta duce la dificultăți semnificative în dozimetria cantitativă de radiație cu terapia cu laser. Studiile privind distribuția luminii în interiorul biotubului cu o structură multistrat complexă pentru simplificarea analizei pot fi efectuate în cadrul unei teorii unic dimensionale, care este valabilă atunci când dimensiunile fasciculului laser sunt mult mai mari decât adâncimea Penetrarea luminii în țesătură, care este implementată pentru multe tipuri de fototerapie. Exemple tipice de biotizări multistrat sunt piele, pereții vezicii urinare, uterul, vasele de sânge.

Utilizarea metodei Monte Carlo se bazează pe utilizarea proprietăților optice macroscopice ale mediului, care se presupune a fi omogenă în volumele mici de țesut. Modelarea nu ia în considerare detaliile de distribuție a energiei de radiație în interiorul unei celule separate. Algoritmii cunoscuți vă permit să luați în considerare mai multe straturi de țesut biologic cu proprietăți optice diferite, dimensiunea finală a fasciculului incident, reflexia luminii din limitele secțiunii stratului.

Cu o precizie ridicată și o versatilitate, principalul dezavantaj al metodei Monte Carlo este costurile ridicate de timp al mașinii. Deși dezvoltarea instrumentelor hardware și software a tehnologiei de calcul reduc rolul factorului de timp, dezvoltarea de noi mijloace de diagnosticare și terapie cu laser necesită crearea algoritmilor eficienți, relativ simpli și fiabili ai metodei Monte Carlo. De exemplu, o nouă metodă condensată de Monte Carlo vă permite să obțineți o soluție pentru orice model al lui Albedo pe baza modelării pentru o anumită valoare albedo, care accelerează semnificativ calculele. Modelele hibride extrem de economice, care combină acuratețea metodei Monte Carlo și viteza teoriilor de difuzie sau a expresiilor analitice aproximatoare.

Modelarea teoretică vă permite să investigăm setul de condiții inițiale diferite și să interpretați liber rezultate experimentale în timp real. Acest lucru facilitează în mod semnificativ lucrările și reduce costurile de timp la planificarea, pregătirea experimentelor și analizarea rezultatelor obținute. Cu toate acestea, cele mai multe studii moderne din această zonă se bazează pe o reprezentare unidimensională sau bidimensională a unui mediu de împrăștiere multiplă care, evident, impune restricții destul de semnificative asupra aplicabilității rezultatelor obținute. În această lucrare este construită un model matematic, reflectând procesul de propagare tridimensională a radiației optice în țesuturile vii. Se presupune că volumul mediului de model este un set de elemente volumetrice adresate (indexate) ale spațiului tridimensional. Alegerea unui eveniment posibil pentru un pachet model este calculată atunci când este interacționată sau cu un volum elementar, sau cu suprafața sa, dacă acesta din urmă este limita secțiunii dintre straturile cu caracteristici optice diferite.

Modelul se bazează pe ecuația transferului de radiații.

Se ia în considerare un mediu biologic multistrat cu neomogenități incomplete ale unui formular arbitrar, pe care se îndreaptă fluxul fotonic.

Mediul simulat este setat de următorii parametri: coeficienți groși, de împrăștiere și absorbție, cosinus mijlociu al unghiului de împrăștiere, indicele relativ de refracție. Mediul pare a fi o combinație de împrăștierea aleatorie și absorbția fotonilor de centre (figura 2).

Fasciculul de lumină incidentă (sursa de radiații) constă dintr-un milion de pachete de fotoni care intră în mediul de-a lungul axei Z perpendicular pe suprafața sa (x, y) la punctul cu coordonatele (0, 0, 0). Numărul de fotoni din pachet determină energia fasciculului incident. Toate calculele sunt realizate într-un sistem de coordonate cartesian tridimensional.

Se crede că particulele mediului pe care apare împrăștierea și absorbția sunt simbolice simetrice. Această aproximare este utilizată în mod obișnuit în astfel de cazuri și se bazează pe faptul că, în procesul de trecere printr-un mediu cu împrăștierea puternică, fotonul interacționează cu particule în diferite unghiuri. Prin urmare, este posibil să se aplice indicator de împrăștiere medie. Utilizarea acestui model și compararea calculelor numerice cu rezultate experimentale a arătat că această aproximare descrie în mod satisfăcător proprietățile celor mai multe țesuturi biologice.

Pentru a ține cont de refracția la granița dintre secțiunea a două subdomenii, legea Fresnel utilizează. În fig. 2 prezintă un exemplu de traiectorie de mișcare fotonică în mediu. Funcția de densitate de probabilitate a kilometrajului gratuit al fotonului înainte de interacțiune - - este determinată de legea Bugra-Lambert-Bera după cum urmează:

În cazul în care A este coeficientul de absorbție, S este coeficientul de împrăștiere și T este un coeficient de atenuare completă egal cu T \u003d A + S. Atunci când fotonul deflectă un unghi, se presupune că deviază direcția de distribuție unică la unghiul azimuthal, valoarea căreia se află în interval. Amestecarea asimetrică nu este luată în considerare.

Pentru a ține cont de absorbție, se utilizează o metodă, numită Captură fotonică implicită. La modelare, mișcarea fotonului non-fiecare este considerată separat, dar pachetul foton. Pachetul fotonic (în viitor pentru simplitate, pachetul) simulează mișcarea setului de fotoni în funcție de traiectoria similară, ca rezultat, atunci când interacționează cu mediul, doar o parte din fotonii din ambalaj este absorbită și restul parte continuă mișcarea.

Smochin. 2 este un exemplu de traiectorie de mișcare fotonică în mediu.

Deoarece, atunci când descriem propagarea radiației laser în biologici, este necesar să se țină seama de geometria reală a mediului, care poate fi destul de complexă, multi-stratia bietară, dimensiunile și distribuția unghiulară a radiației incidente , Metoda Monte Carlo a fost utilizată pentru a implementa modelul, care astăzi este singura metodă care vă permite să luați în considerare toate caracteristicile de mai sus ale sarcinii în cauză

Parametrii optici ai mediului biologic sunt funcții complexe din coordonatele spațiale. Cu toate acestea, acest mediu poate fi împărțit în subdomenii suficient de mici, în cadrul căruia proprietățile optice ale mediului pot fi întreprinse aproximativ, funcții relativ simple, de exemplu, constantă, liniară și funcții patrate. Pentru a modela metoda Monte Carlo în spațiu tridimensional Un factor foarte important este modul în care se efectuează o astfel de partiție.

Se arată că este prezentată o metodă cu elemente finite pentru a descrie medii complexe. Geometria medie este reprezentată ca o plasă, cu ajutorul unei aproximări a zonei estimate prin împărțirea către celulele elementare, formele elementelor sunt unul dintre principalii factori care determină acuratețea și rata de convergență a soluției numerice a problemei. Cu cât este mai ușor forma unor elemente de partiție, cele mai puține resurse computaționale sunt necesare pentru calcule.

Se arată că grilajele sunt considerate de înaltă calitate, unde fiecare element este corect sau aproape de tetraedra corectă. Utilizarea unei astfel de aproximări a mediului simulat simplifică în mod semnificativ soluția sarcinii de tranziție între elementele (ieșirea din afara elementului) și găsirea unui foton în interiorul elementului de rețea. Grila este considerată prost, dacă conține degenerate sau aproape de elementele de degenerare.

Se concluzionează că, cu o astfel de partiție, geometria inițială a regiunii calculate poate fi arbitrară, iar mediul simulat conține neomogenități interne închise. Testul modelului a fost efectuat pe un mediu specific (piele) constând din mai multe straturi (strat excitat, epidermă și dermă) cu neomogenitate închisă sub forma unei figuri complexe limitate de două suprafețe elipsoidale; În plus, un aer de modelare a stratului (figura 3.). Centrul de fascicule este deplasat în raport cu începutul coordonatelor de-a lungul axei Ox cu 0,001 cm și este îndreptat perpendicular în sus, raza sa este de 0,001 cm.

Schema simplificată a algoritmului de modelare dezvoltată de Monte Carlo este prezentată în Fig.4. Fotonul este inițializat cu o singură greutate. Se găsește dimensiunea pasului fotonului pentru primul circuit al interacțiunii, iar fotonul este mutat. Dacă fotonul a părăsit pânza, atunci este verificată posibilitatea unei reflecții interne. Dacă fotonul este reflectat intern, poziția sa este schimbată, iar programul continuă, altfel fotonul este îndepărtat, iar carcasa de reflecție (sau transmiterea) este înregistrată. Cu fiecare pas, greutatea fotonului scade. Greutatea pierdută este adăugată la elementul asociat local al matricei, în funcție de poziția fotonului, ceea ce indică energia fotonică absorbită de țesătură. Greutatea fotonului rămasă este calculată statistic, este selectată o nouă direcție și se calculează un nou pas.

Smochin. 3. Geometria mediului de decontare.

Smochin. 4. Algoritmul de modelare de către Monte Carlo.

Divergența unghiulară a fasciculului a fost luată în considerare. În conformitate cu parametrii optici ai fiecărui strat cunoscut din literatură, în special coeficienții de absorbție, împrăștierea și parametrul anizotropiei (cosinus mediu al unghiului de împrăștiere), a fost calculată distribuția densității energiei absorbite în interiorul mediului. În același timp, saltul indicelui de refracție la limita aerului este epiderma (n \u003d 1,5). Deoarece indicele de refracție al părții rămase este de 1,4, iar parametrul anizotropiei este mai mare de 0,9, adică. La fiecare etapă de modelare fotoni, fotonii sunt împrăștiați sub unghiuri mici, apoi reflexiile Fresnel asupra granițelor Biotankan - Bietan nu au luat în considerare.

Calculul distribuției densității energiei absorbite ne permite să construim o hartă de diagnosticare a propagării radiației laser a diferitelor domenii spectrale în medii multistrat, cu includerea de neomogenități închise conform parametrilor optici cunoscuți. De exemplu, au fost selectate lungimi de undă 400 și 800 nm.

Pentru a reprezenta grafic propagarea radiației în mediu, a fost selectat planul secțiunii Xoz. În fig. 5 prezintă distribuția densității energiei absorbite în aceste planuri pentru lungimea de undă de 400 nm.

Smochin. 5. Distribuția densității energiei absorbite în planul secțiunii transversale XZ pentru lungimea de undă de 400 nm.

Deoarece pentru radiațiile infraroșii (lungime de undă 800 nm) Coeficientul de absorbție a pielii este semnificativ mai mic decât coeficientul de împrăștiere, iar mediul este puternic soluționat, adâncimea de penetrare a radiațiilor comparativ cu prima sarcină ar trebui să fie mai mare. Prin urmare, la zona estimată a fost adăugată un strat de grosime de 0,5 mm grosime. În fig. 6 prezintă distribuția densității energiei absorbite în planul XZ pentru lungimea de undă de 800 nm.

În ambele sarcini, radiația laser are aceeași putere și energie. Pentru radiații cu o lungime de undă de 400 nm, cea mai mare parte a energiei vor fi absorbite în volumul mic. Prin urmare, densitatea energiei absorbite este mult mai mare decât în \u200b\u200bcazul unei lungimi de undă de 800 nm.

Fig.6. Distribuția densității energiei absorbite în planul secțiunii transversale XZ pentru lungimea de undă de 800 nm.

Diferența fundamentală dintre modelul de la modelele bine cunoscute (Arrige S.R., Tuchin V.V., Prahl S.) în independența algoritmului din geometria mediului. Folosind o serie de instrumente, puteți crea zone calculate constând dintr-o varietate de componente de diferite forme și dimensiuni. Acest lucru distinge semnificativ acest model din partea cunoscută, utilizând zone calculate balogene plane și solide. În calcule, pot fi utilizate orice parametri ai mediului și a diferitelor incluziuni, cum ar fi nanoparticulele, pot fi utilizate.

Astfel, modelul propus permite distribuirea densității energiei absorbite a radiației laser în materialele multistrat și poate fi utilizată în rezolvarea problemelor de analiză a câmpurilor termice apărute în timpul iradierii.

ÎN al patrulea Capitolul privind exemplul unui mediu multistrat (piele) Odată cu includerea de neomogenități aleatorii, dinamica câmpurilor de temperatură a suprafeței sub acțiunea radiației UV sunt investigate sub formă de nanoparticule. Se știe că straturile de piele au caracteristici optice diferite: coeficienți de împrăștiere și absorbție, indicatori de refracție () și factori de împrăștiere a radiațiilor, care au fost luate în considerare la modelarea proceselor interacțiunii acestui mediu cu radiații optice.

Folosind modelul dezvoltat descris în capitolul al doilea, a fost stabilită densitatea energiei luminoase absorbite pe suprafața din piele care conține nanoparticulele TiO2. Pentru calcule, rezultatele experimentelor au fost utilizate în literatură, pe localizarea particulelor în piele. Conform rezultatelor acestor experimente, cele mai multe nanoparticule sfericale sunt localizate la o adâncime de 0-3 pm de pe suprafața pielii. Pentru examinare, sunt selectate lungimi de undă 310 și 400 nm. Lungimea de undă de 400 nm este amplasată pe marginea dintre UV și partea vizibilă a spectrului, particulele TiO2 sunt practice non-rigging (numai disiparea) pentru o astfel de radiație. Linia 310 nm este o linie centrală în partea UV-parte a spectrului. Este responsabil pentru vârful eriymal al susceptibilității pielii, care mai mult sau mai puțin se corelează cu deteriorarea ADN-ului la celule; Mecanismul dominant pentru interacțiunea radiației cu particulele TiO2 este absorbția.

În lucrarea de față, eșantionul este considerat o suprapunere a unui strat de corn (Matrix) și TiO2 particule în ea. Acest lucru este posibil deoarece celulele stratului au o grosime de aproximativ 0,5 pm și diametrul de 30-40 microni și, prin urmare,

depășesc semnificativ dimensiunea particulelor TiO2 (25 - 200 nm în diametru). Aceste particule sunt asumate în sferele dimensiunii nanometrului. Radiația împrăștiată pe astfel de particule este descrisă de funcția de fază. Pentru modelare, o bucată de piele a fost aleasă cu o suprafață de 1 cm2. Puterea radiației incidentelor a fost de 100 MW. Grosimea zonei simulate a pielii este de aproximativ 600 μm, care vă permite suficient să prezentați o imagine a interacțiunii radiației UV cu straturile de suprafață apropiate de piele.

La modelarea, se utilizează o fază colimată de fotoni, ceea ce corespunde radiației solare, se presupune că suprafața probei este infinită; Integral (în întreaga zonă a stratului cornului) este caracteristicile radiației înregistrate.

În prima etapă, răspândirea fotonilor în mediu, absorbția și împrăștierea lor este modelată. Modelarea este redusă la începutul pachetelor fotonice caracterizate de funcția surselor de căldură (Q) și înregistrați absorbția și împrăștierea evenimentelor de fotoni individuali. Ca urmare, se obțin informații privind parametrii de iluminare ai puterii medii și absorbite.

Distribuția dorită a câmpurilor termice de pe suprafață și în adâncimea structurii simulate este definită ca soluție a ecuației diferențiale a transferului de căldură non-staționară:

În cazul în care coeficientul conductivității termice, temperatura T, funcția Q-Funcția de sursă termică este densitatea, capacitatea de căldură specifică, T-Time, Z sunt coordonate cilindrice.

Trebuie remarcat faptul că, în această problemă, sursa de căldură nu este localizată pe suprafață, ca de obicei în sarcinile de căldură și transfer de masă și este voluminoasă și distribuită pe tot parcursul volumului mediu. Pentru a rezolva ecuația (5), a fost aplicată o tehnică de elemente finite utilizând elemente finale triunghiulare ale primei ordini. Un număr suficient de mare de elemente finite triunghiulare ale primului ordin, deși conduce la o anumită scădere a acurateței, iar rata de calcule are totuși următoarele avantaje: un număr mare de noduri permite obținerea celei mai exacte distribuții ale energiei absorbite densitatea în mediul calculată în sarcina anterioară; Destul și convenabil, puteți îngroșa și schimba grila specificată în conformitate cu cerințele sarcinii, precum și dacă este necesar, aceste elemente sunt transformate în elemente ale unei ordini mai mari. Pentru a rezolva sarcina de timp, a fost utilizată o schemă implicită de Crank-Nicholson cu următoarele condiții inițiale. Pe suprafața în care schimbul de căldură cu mediul, se dă condiția de graniță a genului 3:

unde k, și - parametrii transferului de căldură; Temperatura ambiantă. Această condiție ia în considerare fluxul de căldură de pe suprafața stratului corn (fluxul de căldură superficial).

La limita inferioară, la adâncimea Z1, starea limită a formei este setată:

Așa cum arată studiile, pentru o persoană sănătoasă, pornind de la adâncimea de aproximativ 450 μm, temperatura se stabilizează. În plus, modelul ia în considerare fluxul de căldură datorită fluxului sanguin în recipientele mici capilare. Pe limitele laterale ale regiunii sunt scurgerile zero:

Pentru a elimina scăzutele de temperatură pe limitele intermediarului, se utilizează următoarele condiții:

Figura 7 prezintă distribuțiile obținute ale densității energiei absorbite în stratul corporativ, ținând cont de neomogenitățile incluse sub formă de nanoparticule tiO2, de diferite concentrații. Se poate observa că în absența particulelor radiații UV la o lungime de undă de 310 nm absorbită complet în primul strat (groază).

Smochin. 7. Distribuția densității energetice absorbite în stratul de corn fără particule și folosind nanoparticulele TiO2 cu o dimensiune de 62 nm, \u003d 310 nm. Grosimea stratului de suprafață apropiată conținând nanoparticulele este de 1 μm. Grosimea stratului de corn este de 20 microni.

Introducerea nanoparticulelor de dioxid de titan tio2 în stratul excitat. Deoarece valorile ridicate ale coeficientului de împrăștiere a particulelor încorporate, conduc la o scădere accentuată a densității energiei absorbite în stratul Corn.

Coeficienții de absorbție și împrăștiere a stratului cornului și materialul nanoparticulelor la o lungime de undă de 400 nm sunt semnificativ mai mici decât la o lungime de undă de 310 nm. Datorită acestui fapt, densitatea energiei absorbite în stratul de corn atât cu particule, cât și fără particule este, de asemenea, semnificativ mai mică (figura 8).

Smochin. 8. Distribuția densității energiei absorbite în stratul cornului și epidermisul de pe secțiunea pielii fără particule și folosind nanoparticulele TiO2 cu o dimensiune de 122 nm, \u003d 400 nm. Grosimea stratului de suprafață apropiată conținând nanoparticulele este de 1 μm. Grosimea stratului de corn este de 20 microni.

În fig. 9 prezintă dinamica modificărilor la temperatura de pe suprafața pielii fără particule și utilizând 1% și 5% dioxid de titan în stratul Corn. În acest caz, este luată în considerare o condiție limită, oferind un stoc de energie în interiorul țesutului, datorită fluxului sanguin în capilare (debitul intern de căldură) și valoarea temperaturii de susținere - 37 ° C în interiorul pielii la o adâncime de 500 microni.

Se poate observa că deja din a 10-a secundă a efectelor radiației pe piele, temperatura este stabilizată, sub formă de nanoparticule de dioxid de titan TiO2 în stratul cornului și fără ele (figura 9).

Smochin. 9. Dinamica temperaturii de pe suprafața pielii în absența particulelor și utilizarea nanoparticulelor TiO2 cu o dimensiune de 62 nm în stratul Corn, \u003d 310 nm. Grosimea stratului de suprafață apropiată conținând nanoparticulele este de 1 μm. Fluxul de energie în interiorul pielii este prezent.

Rezultatele simulării au arătat că valorile ridicate ale densității energiei absorbite în straturile superioare ale pielii conduc la încălzirea lor semnificativă. Astfel, atunci când se utilizează impurități de 5% din nanoparticulele de dioxid de titan TiO2 într-un strat de corn, valoarea densității energetice absorbite la suprafața pielii atinge 1000 J / cm3 la \u003d 310 nm. Cu toate acestea, grosimea acestui strat "fierbinte" este de numai 1 μm; Deși cea mai mare parte a căldurii este evidențiată în acest strat, acesta este transmis rapid la alte secțiuni ale mediului, iar temperatura rezultată scade. Temperatura de suprafață a pielii, stratul excitat din care nu conține nanoparticule, se formează din cauza căldurii provenite de la adâncimea țesutului, în care majoritatea energiei penetrează și unde cantitatea de energie absorbită este mai mare. Efectul similar, dar este semnificativ mai puțin observat la lungimea de undă de radiație \u003d 400 nm, aproape de intervalul optic (figura 10).

Smochin. 10. Dinamica temperaturii de pe suprafața pielii în absența particulelor și utilizarea nanoparticulelor TiO2 cu o dimensiune de 122 nm în stratul cornean, \u003d 400 nm. Grosimea stratului de suprafață apropiată conținând nanoparticulele este de 1 μm. Fluxul de energie în interiorul pielii este prezent.

Modelul dezvoltat a făcut posibilă analiza efectului scurgerii termice de suprafață pe câmpul de temperatură al stratului de suprafață al pielii.

Se arată că, fără a se aprinde scurgerea pe suprafața pielii, temperatura se formează în cea mai mare parte datorită energiei absorbite în stratul de suprafață. Atunci când se aprinde o scurgere suficient de puternică, temperatura de pe suprafața țesutului generează o căldură provenind din straturile subiacente; În același timp, temperatura maximă este redusă.

Eroarea rezultatelor obținute a fost calculată ca o diferență ponderată în valorile maxime ale densității energiei și temperaturii absorbite în întreaga zonă și a fost mai mică de un procent.

Analiza rezultatelor obținute ale modelării reacției termice a pielii asupra expunerii la UV a arătat eficacitatea utilizării nanoparticulelor în dezvoltarea medicamentelor fotostatice ale suprafeței pielii.

Modelul dezvoltat al calculului a fost, de asemenea, utilizat pentru a studia efectele de temperatură ale Tedizerului Laser IR (\u003d 1064 Nm) pe celula roșie din sânge roșie. Pentru ușurința de studiu, celula este ponderată în apă și este o sferă omogenă cu un diametru de 7 pm, constând complet din hemoglobină. Membrana celulară nu a fost luată în considerare în modelarea datorită grosimii sale foarte mici, aproximativ 10 nm. Un pachet de laser concentrat cu un diametru de 1 μm funcționează pe celulă cu o putere de 100 MW. Rezultatele obținute sunt bine coerente cu datele experimentale bine cunoscute.

a cincea Capitolul este dedicat utilizării modelului dezvoltat pentru a rezolva o problemă specifică, și anume calcularea câmpurilor termice în țesuturile solide, în special dentina și determinarea intensității radiației laser pentru a obține temperaturi critice necesare pentru procesul de ablație în aceste medii.

Pentru implementarea unui model matematic multidimensional, a fost aleasă o metodologie cu elemente finite.

Principala țesut dintelui dentin este ales ca material studiat. În compoziția și rezistența sa, dentina este aproape de țesutul osos. Conține 72% din substanțele organice anorganice, 28% din substanțe organice.

Datorită faptului că caracteristicile fizice exacte ale straturilor prezentate nu sunt încă identificate, atunci pentru simplitate, este luată în considerare un model cu două straturi. Fiecare strat este definit prin caracteristici optic-fizice specificate independent specificate. Pentru a aplica un prejudiciu minim, este necesar să se utilizeze radiația laser cu cea mai mică adâncime de penetrare. Experimentul arată că această problemă este rezolvată atunci când se utilizează lasere cu radiații în infraroșu.

Vom trece de la următoarele ipoteze:

- caracteristicile termofizice pentru diferite părți ale dintelui (email, dentină, pulpă) sunt constante și nu depind de temperatură;

- Când descrieți proprietățile optice, vom lua că fiecare parte a dintelui este caracterizată de valorile sale constante optice (coeficientul de absorbție), independent de intensitatea radiației laser.

Calculul câmpului luminos format în timpul împrăștierii radiației laser asupra neomogenităților materialului dentar (microtlisteri, procesul de odontoblaste etc.), iar contabilizarea modelării procesului de distrugere este o sarcină complexă multiparameter. Până în prezent, un astfel de calcul este extrem de dificil datorită lipsei de informații fiabile despre constantele optice ale țesuturilor solide și la modelarea procesului de distrugere a căldurii, acesta nu va fi luat în considerare

Prin urmare, se presupune că lumina în intrarea biologică este slăbită de legea bugului, în timp ce contribuția la procesele constante de eliberare a luminii de împrăștiere, absorbție, efecte de undă etc. nu este detaliată.

Folosind algoritmii descriși în capitolele 2 și 4, a fost obținută distribuția temperaturii. Apoi s-a determinat cantitatea de substanță la distanță. Conform legii lui Arrhenius:

unde w este factorul de frecvență;

EA - Energia de activare;

R este o constantă de gaz universal.

Valoarea variază de la 0 la 1. sens fizic - măsura distrugerii substanței la punctul (x, y, z) în timpul (T-T0). Experimentul arată că substanța poate fi considerată telecomandă.

În fig. 11 prezintă distribuția temperaturii pe suprafața mediului, în fig. 12 - Distribuția temperaturii în secțiunea transversală centrală a regiunii. Intensitatea radiației laserului este de 5 kW · cm-2.

Smochin. 11. Distribuția temperaturii pe suprafața mediului în timp t \u003d 70 ms.

Rezultatele obținute sunt bine corelate cu date experimentale bine cunoscute. Se poate observa că o creștere a temperaturii nu este localizată pe suprafață: o creștere suficient de puternică a temperaturii este observată în interiorul mediului. Studiile au arătat că procesul de ablație laser începe la un prag de temperatură de 320 ° C și, prin urmare, se menține o temperatură constantă pe suprafață. În fig. 13 prezintă evoluția temperaturii la punctul de pe suprafață.

Smochin. 12. Distribuția temperaturii în secțiunea centrală
domenii în timp t \u003d 70 ms.

Smochin. 13. Evoluția temporară a temperaturii pe suprafață
în cauză.

Rezultatele obținute pe volumul substanței la distanță sunt prezentate în fig. paisprezece.

Smochin. 14. Dependența cantității de substanță la distanță din când în când.

In custodiegeneralizate principalele rezultate obținute.

Rezultatul principal al lucrării este de a crea un nou model fizico-matematic al proceselor de interacțiune a radiației laser cu materiale biologice multistrat din orice geometrie, care permite utilizarea unui număr de instrumente pentru a crea zone calculate constând dintr-o varietate de componente de diverse forme și dimensiuni. Acest lucru distinge semnificativ acest model din partea cunoscută, utilizând zone calculate balogene plane și solide. În calcule, pot fi utilizate orice parametri ai mediului și a diferitelor incluziuni, cum ar fi nanoparticulele, pot fi utilizate.

Au fost obținute o serie de rezultate teoretice fundamentale din care trebuie remarcat următoarele:

Se propune un model fizic și matematic al propagării radiației laser în mediu cu o geometrie asimetrică arbitrară, care include neomogenități interne închise ale formei complexe.

Pe baza acestui model, se dezvoltă un algoritm pentru calcularea distribuției densității energiei absorbite pentru diferite intervale de radiații cu laser, atunci când este propagat în mediu multistrat cu o geometrie asimetrică arbitrară a mediului calculat, cu includerea de neomogenități interne închise ale formei complexe , folosind metoda tridimensională a Monte Carlo și partiția cu elemente finite.

Algoritmul utilizat în lucrare poate fi aplicat la diagnosticarea modificărilor structurale în țesutul biologic al geometriei închise arbitrare, precum și pentru a calcula câmpurile de temperatură și limitele zonei de degradare în timpul tratamentului cu laser.

Principalele mecanisme de interacțiune a radiației laser a diferitelor intensități cu țesuturile biologice multistrat sunt luate în considerare și analizate. Pe baza acestui fapt, a fost efectuată o analiză teoretică a condițiilor de apariție și a fluxului proceselor termice. Posibilitatea aplicării modelului dezvoltat pentru studiul încărcăturilor termice ale țesuturilor multistrat, caracteristic proceselor de ablație de fotografie și plasmă în ele.

Un model de determinare a reacției de temperatură a bieticarului multistrat este propus cu includerea nanoparticulelor la iradierea cu radiații UV. Evoluția modificărilor de densitate a câmpurilor de energie și temperatură a luminii absorbite este analizată în funcție de lungimea de undă a radiației incidente, concentrația și dislocarea nanoparticulelor de testare incluse în piele.

Câmpurile termice au fost calculate în țesuturile biologice solide care decurg din expunerea laserului și intensitatea radiației laser a fost determinată la temperaturi critice necesare pentru implementarea procesului de ablație în aceste medii.

Literatura citată

1. ISIMAR A. Distribuirea și împrăștierea valurilor în medii de neomogene aleatorie. - M.: MIR, 1981. - 280 S.
2. Srinivasan R., Mayne-Banton V. Photodeching-ul auto-dezvoltat al filmelor poli (etilen tereftalat) prin radiații cu laser excitat cu exciolete ultraviolete. // appl. Phys. Lett. - 1982. - Vol. 41. - P. 576-578
3. Shadurov V.V. Metode mari de elemente finite. - M.: ȘTIINȚĂ, 1989. - 288C.
4. Tuchin V.V. Optica țesutului - Bellingham: Spie Press, 2000.
5. Tuchin V.V. Manual de diagnosticare biomedicală optică - Bellingham: Spie Press, 2002.
6. Shcherbakov Yu.N., Yakunin A.n., Yaroslavsky I.V., Tuchin V.V. Modelarea proceselor termice în interacțiunea radiației laser non-inagulator cu Multilyer Biotf. - Optica și spectroscopia. - 1994, vol.76, nr. 5, C. 845-850.

Lista publicațiilor de bază

1. Nethekin A.Yu., Gavrilenko V.N ., Krochina n.a. Dosimetria grinzilor laser cu intensitate redusă în biomateriale. // buletin amgu. - Blagoveshchensk. - 1999. - POS.6. - P. 24-27.
2. Nethekin A.Yu., Gavrilenko V.N . Caracteristicile distribuției radiațiilor laser în biomaterialele multistrat. Preprint. - Blagoveshchensk: Amgu. - 2000. - 60 p.
3. Nethekin A.Yu., Gavrilenko V.N . Sistemul de dozimetrie automată a grinzilor laser atunci când interacționează cu materiale multistrat // Materialele Conferinței științifice și tehnice internaționale III "Electronică cuantică" - Minsk, 2000. - P. 193-194.
4. Nethekin A.Yu., Gershechich M.M. Simularea proceselor de propagare a radiațiilor laser în materiale multistrat // Blagoveshchensk: vestnik amgu. - 2001. - № 11. - P. 26-28.
5. Nethekin A.Yu., Ershov I.A. Modelul structurii unei lentile transparente a ochiului pentru problema dispersiei radiațiilor laser în biotizii transparente // Materialele primului amur interregional conferința științifică și practică "Chimie și educație chimică la începutul secolului". - Blagoveshchensk: BSPU. - 2001. - P. 110-111.
6. Nethekin A.Yu., Ershov I.A. Modelarea împrăștierii luminii în biotizii transparente cu heterogenități sferice // AMGug buletin. - 2001. - № 13. - P. 18-20.
7. Nethekin A.Yu., Ershov I.A. Efectele dispersiei multiple într-o lentilă de ochi transparentă cu diagnosticarea laser // Buletinul AMGU. - 2001. - № 15. - P. 29-30.
8. Nethekin A.Yu., Ershov I.A., Gershechich M.M. Modelarea proceselor de interacțiune ale grinzilor laser cu intensitate redusă cu biomateriale multistrat // Jurnalul de Fizică Tehnică. - 2002. - T. 72. - Emitere.1. - P. 110-114.
9. Nethekin A.Yu. Utilizarea metodei Monte Carlo pentru a simula spectrele de reflexie a radiației optice de la luminile media cu mai multe straturi ale luminilor puternice și de absorbție a buletinului de disipare și absorbție a AMGU. - 2002. - № 19. - P. 24-27.
10. Nethekin A.Yu. Modelarea proceselor de dispersie laser în biomaterialele multistrat de către Monte Carlo // sisteme de informatică și control. - 2003. - № 2. - P. 31-37.
11. Nethekin A.Yu. Analiza proceselor de propagare a radiațiilor laser în biomaterialele multistrat de către Monte Carlo // Buletin de comunicații științifice. - Khabarovsk: Editura Fermei. - 2004. - №8. - P. 22-28.
12. Nethekin A.Yu. Folosind metoda Monte Carlo pentru a simula spectrele de reflectare a radiației optice de la difuzoare multistrat inhomogene aleatorie și de absorbție a mediilor // colectare lucrări științifice "Optica cristalelor". - Khabarovsk: Editura Fermei. - 2004. - P. 34-43
13. Gavrilenko V.N., Nethekin A.Yu. Contabilitate pentru procesele de dispersie în interacțiunea radiației laser cu materiale biologice transparente // Materiale ale conferinței internaționale "Tehnologii laser-optice în biologie și medicină" - Minsk: Institutul de Fizică a Academiei Naționale de Științe Belarus, 2004. -S.245 -249.
14. Sesteikin A.Yu. Calculul câmpurilor de temperatură cu IT Iradierea laser asupra biomaterialelor // Procedură a problemei fundamentale a opto-și microelectronică "(Apcom 2004). - DVGUPS: Khabarovsk. - 2004. - P. 459-464.
15. Nethekin A.Yu. Analiza de către Monte Carlo procese de propagare a radiațiilor laser în biomateriale multistrat // Universitățile Izvestia. Fizica.- 2005. - №3.S.53-57.
16. Nethekin A.Yu. Modelul de calcul al câmpurilor de temperatură care rezultă din efectele radiației laser pe biotankul multi-strat // Revista optică.- 2005. - T72. - №7. - p.42-47.
17. Nethekin A.Yu. Modelul optic-termofizic al interacțiunii radiației laser cu materiale multistrat // Știri de universități. Fizică.- 2005. - №6. Aplicație. - S.99-101.
18. Nethekin A.Yu., Krasnikov I.V. Calculul câmpurilor de temperatură care decurg din interacțiunea radiației laser cu biomateriale multi-strat // Materiale de rapoarte ale celei de-a cincea conferințe științifice regionale "Fizică: studii fundamentale și aplicate, educație". - Khabarovsk: Editura statului Pacific. Universitatea, 2005. - P.32-33.
19. Nethekin A.Yu., Krasnikov I.V. Modelul termofizic al interacțiunii radiației laser cu biycle multiplu // Buletin de AMGU. Seria "Științe naturale și economice". - 2005. - Problema.31.- p.13-15.
20. Nethekin A.Yu. Analiza conform metodei Monte-Carlo de propagare a radiațiilor laser în biomaterialele multistrat // Optica și spectroscopia.– 2005. - T 999. - Emisiune.4. - S.685-689.
21. Nethekin A.Yu., Krasnikov I.V. Calcularea efectelor de temperatură ale radiației laser cu intensitate redusă în echipamente biologice multistrat // Materiale ale simpozionului internațional "Principiile și procesele de creare a materialelor anorganice (a treia lecturi Samsonov)". - Khabarovsk: Editura statului Pacific. UN-TA. - 2006.- P.304-306.
22. Nethekin A.Yu., Krasnikov I.V. Calculul câmpurilor de temperatură care rezultă din interacțiunea radiației laser cu biomateriale multiple // Revista optică.- 2006. - T.73. - Numărul 3. - p.31-34.
23. Nethekin A.Yu., Krasnikov I.V. Analiza efectelor termice care decurg din interacțiunea radiației laser cu biomateriale multi-strat // Știri de universități. Fizică.– 2006. - №10. - P. 90-94.
24. Nethekin A.Yu., Krasnikov I.V. Privind efectele termice atunci când sunt expuse radiației laser pe țesături biologice // Materialele celei de-a șasea conferințe științifice regionale "Fizică, investiții fundamentale și aplicate, educație". - Blagoveshchensk: Amgu. - 2006. - P. 104-106.
25. Nethekin A.Yu., Krasnikov I.V., Fogel N.I. Descrierea impactului radiației laser asupra pielii utilizând metoda Monte-Carlo // Procedura sesiunii științifice a MEFI-2007. - M.: MAIFI. - 2007. - P. 117-118.
26. Sesteikin A.Yu., Krasnikov I.V. Reserch o influență termică a radiului laser o piele cu geometrie non-trivială // Procedura de spie. – 2007. - Voi. 6826. - P.127-131.
27. Nethekin A.Yu., Krasnikov I.V., Fogel N.I. Modelarea câmpurilor de temperatură, luând în considerare propagarea luminii în intrarea în biologică // Știri de universități. Instrument de instruire. -2007. -T.50. - №9. - p.24-28.
28. Nethekin A. Yu., Krivzun A. M. Simularea propagării radiațiilor optice în medii cu parametri variabili spațial // Buletinul Universității de Stat Amur. - 2008. - Voi. 41. - P. 12-13.
29. Minailov A.V., Nethekin A. Yu. Privind studiul mediilor biologice multicomponente lichide cu metode optice-acustice // Buletinul AMGU. - 2008. - Voi. 41. - P. 14-15.
30. AVERYANOV YU. G., Nethekin A. Yu. Ablarea laser a țesuturilor biologice // Buletinul AMGU. - 2008. - Voi. 41. - P. 31-32.
31. Nethekin A. Yu., Krasnikov I.V., FOTH H.-J. Analiza sarcinilor de căldură emergente în țesutul biologic iradiat cu radiații laser în intervalul infraroșu // o colecție de lucrări ale Congresului Optic Internațional "Optică -CHI Century". - T.1. "Probleme fundamentale ale Optics -2008". - St. Petersburg., 2008. - P.119-120.
32. Pavlov M.S., Nethekin A. Yu. Utilizarea unei modificări tridimensionale a metodei Monte Carlo pentru a simula propagarea luminii în țesuturile biologice. // Profilul forței de muncă a Congresului Optical Internațional "Optics -CHI Century". - T.1. "Probleme fundamentale ale Optics -2008". - St. Petersburg., 2008. - C.120-121.
33. Khramtsov I.I., Nethekin A. Yu. Modelarea procesului de dinte de ablație cu laser bazat pe un model termic. // Profilul forței de muncă a Congresului Optical Internațional "Optics -CHI Century". - T.1. "Probleme fundamentale ale Optics -2008". - St. Petersburg., 2008. - C.248.
34. Nethekin A. Yu., Krasnikov I.V., FOTH H.-J. Studiul experimental al efectelor de temperatură ale radiației laser asupra țesutului biologic. // Buletinul Spo. Ain. - SPB: Ed. - Politehnica. - 2008. - Voi. 4. - P.273-277.
35. Nethekin A. Yu., Krasnikov I.V., Pavlov M.S. Model tridimensional de propagare a luminii în țesuturile biologice. // Declarații științifice și tehnice SPBGPU. O serie de științe fizico-matematică, 2008. -Sp.6. - p.120-123.
36. Nethekin A.Yu., Krivzun a.m. Studiul procesului de interacțiune a radiației cu entitățile biologice care conțin neomogenități optice // colectarea de rapoarte ale celei de-a 19-a conferințe internaționale "Lasere. Măsurători. Informație. 2009 ", SPB: Politehnică politehnică. Universitatea, 2009. -T 1. - C.245-254.
37. Nethekin A.Yu., Krasnikov I.V., Popov a.P. Studiul efectelor termice ale radiației UV la pielea unei persoane cu o acoperire de nanoparticule de oxid de titan // colectarea de rapoarte ale celei de-a 19-a conferințe internaționale "Lasere. Măsurători. Informație. 2009 ", SPB: Politehnică politehnică. Universitatea 2009. -T 1. - C.254-268.
38. Nethekin A.Yu., Khramtsov I.I. Studiul procesului de ablație laser a țesutului biologic sub influența impulsurilor laser ultra-șurub // Materiale ale Conferinței științifice regionale VIII "Fizică: cercetare fundamentală și aplicată, educație". - Blagoveshchensk: AMUR State. Universitatea 2009 - C.250-253.
39. Nethekin A.Yu., Pavlov M.S. Modelarea proceselor de propagare a radiațiilor laser în țesuturile biologice multicomponente // Materialele Conferinței științifice regionale VIII "Fizică: studii fundamentale și aplicate, educație". - Blagoveshchensk: AMUR State. Universitatea 2009 - PP. 307-310.
40. Nethekin A.Yu., Krasnikov I.V., Popov a.P. Studiul proprietăților de protecție a temperaturii ale nanoparticulelor TiO2 introduse în piele atunci când sunt iradiate cu benzile UV și UV-B Light // Materialele Conferinței științifice regionale VIII "Fizică: Studii fundamentale și aplicate, educație". - Blagoveshchensk: AMUR State. UN-T., 2009 - P.322-326.
41. Nethekin A.Yu., Krasnikov I.V., Popov a.P. Metoda de calculare a reacției de temperatură este bietară cu utilizarea nanoparticulelor atunci când este iradiată cu lumină UV și UV în intervale UV // GSSD MRP 150-2009 Tehnica. Ross. Științific și tehnic Centrul de informații privind standardizarea, metrologia și evaluarea conformității. - M., 2009. - 40 c.: Il. 18. BiblioGr. Nume 24 - Rus. Nume Dep. În FSue "Standinform".
42. Nethekin A. Yu., Krasnikov I. V., Popov A.P., Fotiadi A.e. Reacția de temperatură a nanoparticulului care conține bioCakes la iradiere cu lumini UV-A și UV-în intervalele. // Declarații științifice și tehnice SPBGPU, o serie de matematică fizică și matematică.– 2009. - Problema. - p.113-118.
43. Krasnikov I.V., Nethekin A.Yu., Popov a.P. Modificări ale proprietăților de protecție la soare și de căldură ale pielii umane prin introducerea nanoparticulelor de dioxid de titan // Optica și spectroscopia.– 2010. - T. 109, №2. - P. 332-337.
44. Nethekin A.Yu., Privalov V.e. PhotoBaBularea țesuturilor biologice // Buletinul Universității Sankt Petersburg.– 2010. - SER.11. Vol.2. - P. 225-237.
45. Fadeev D.a., Nethekin A.Yu. Analiza mai multor împrăștierea radiației laser în medii biologice cu fluctuații spațiale ale parametrilor optici // Declarații științifice și tehnice SPBGPU, SER. "Științe fizice și matematice.– 2010. - Problema. - P. 102-106.
46. Krasnikov I., Sesteikin A., Bernhardt I. Procese termice în celulele roșii din sânge expuși la pensete laser infraroșu (\u003d 1064 nm) // Jurnalul de Biophotonics. -2011. - voi. 4., nr. 3. - P. 206-212.
47. Nethekin A. Yu., Krasnikov I.V., Pavlov M.S. Modelarea propagării radiațiilor optice de către Monte Carlo în medii biologice cu eterogenități interne închise // Jurnal optic - 2010. - POS.77., № 10. - P. 15-19.

49.Krasnikov I., Sesteikin A., Bernhardt I. Simularea lăcomiei cu laser și procesele termice în celulele roșii din sânge expuse la pensete laser infraroșu (\u003d 1064 nm) // Memoria optică și rețelele neuronale (optica de informații) - 2010. - voi. 19., № 4. - P. 330-337.

50. Krivzun a.m., Nethekin A.Yu. Analiza proceselor de propagare a radiațiilor optice în medii biologice utilizând calcularea procesoarelor grafice // Declarații științifice și tehnice SPBGPU, O serie de științe fizico-matematice, 2011, emite.1, p. 55-61.

51. Nethekin A.Yu., Popov a.P. Interacțiunea de lumină cu țesuturi biologice și nanoparticule // Lump Lambert Publishing Academic - 2011-212 S.

Lucrări similare:

"01.04.08 - Fizica plasmatică A b T o r e r a T a tezei de doctorat de științe fizice și matematice Nizhny Novgorod - Activitatea de la Institutul de Fizică Aplicată a Academiei Ruse de Științe (Nizhny Novgorod). Director științific: candidat la științe fizice și matematice, V. G. Zorin oficial ... "

"Mukhin Dmitry Nikolaevich Abordarea statistică a reconstrucției sistemelor dinamice pe datele de roaming 01.04.03 - Radiofizică și în T despre disertația pentru gradul de științe fizice și matematice Nizhny Novgorod - 2007, a fost efectuată lucrările la institut de fizica aplicată a Academiei de Științe Ruse (Nizhny Novgorod). Director științific: Doctor în științe fizice și matematice, a.m. Faifin. Oponenții oficiali: Doctor în științe fizice și matematice, ... "

"Kononov Nikolai Kirillovich Dezvoltarea metodelor de obținere și prelucrare digitală a imaginilor cu raze X. 04/01/01 - Instrumente și metode de fizică experimentală Rezumatul autorului de disertație privind concurența unui grad științific al unui candidat la științele fizice și matematice Moscova - 2006. Lucrarea a fost efectuată în laboratorul de reacții fotonucleare ale Institutului cercetare nucleară Rănile Director științific: d.f-m.n. V.G. În apropiere, Jiai Ras. Oficial ... "

"Denisov Andrei Nikolaevich Modelarea informatică a condițiilor de fond în experiment Gerda și situația de radiații pe suprafața lunii 01.04.16 Fizica nucleului atomic și particulele elementare Rezumatul autorului de disertație la concurența unui doctorat de doctorat de doctorat Științele Moscova 2010 a fost efectuată în înființarea Academiei de Științe a Academiei Ruse de Cercetare Nucleară a Academiei Ruse de Științe, Moscova Director științific: Doctor de Științe fizice și matematice N.M. Sobolevski (IYAI RAS) Profesor ... "

"()" () ".04.16 - §, | -2013 ... () Avagyan ARUTYUN ROBERTOVICH" Cercetarea de spin și azimuthal în timpul energiei electrice "Rezumatul autorului de disertație privind un grad de doctor în științe fizico-matematice la 01.04.16 "Nuclee de fizică, ..."

Materiale utilizate în tehnologia energiei și aerospațială. 01.04.01 - Instrumente și metode de fizică experimentală Rezumatul autorului de disertație privind concurența unui grad științific al unui candidat la științele fizico-matematice Moscova -2007. Lucrarea a fost efectuată în laboratorul de ioni și ... "

"Knyazeva Tatiana Nikolaevna Metode de prelucrare a datelor experimentale non-staționare utilizând transformarea de undă 01.04.01 - Instrumente și metode de fizică experimentală Rezumatul autorului de disertație pentru gradul de științe fizice și matematice St. Petersburg 2010 Lucrarea a fost efectuată la OJSC "Centrul de Inginerie Științifică din St. Petersburg Universitatea Electrotehnică" Director științific: Doctor în științe fizice și matematice Novikov Lev Vasilyevich oficial ... "

"GOSHOKOV RUSLAN MUHAMEDOVICH Radiația parametrică de raze X a protonilor din monocristalele de siliciu și utilizarea sa pentru formarea unui fascicul de raze X pe acceleratoarele de proton 01.04.07 - Fizica abstractului autorului de disertație condensată privind concurența unui grad științific de candidat de fizică și Științe matematice Nalchik-2010 Lucrări efectuate în Gou VPO Karachay-Cherkess Academia Tehnologică Director științific: doctor în științe fizice și matematice, ... "

"SHIBKOV SERGEY VIKTORIVICH Model de ioni neliniari în spectrometrie de creștere a mobilității ionice 01.04.01 - Instrumente și metode de fizică experimentală Rezumatul autorului de disertație pentru gradul de candidat la științele fizice și matematice Moscova - 2007 Lucrarea a fost efectuată la Institutul de Cryptografie, Comunicații și Informatică al Academiei de FSB a Rusiei Director științific: Doctor în științe fizice și matematice, S. D. Beneslavsky ... "

"Kianovsky Stanislav Vladimirovich Studiul contextului în experimente în căutarea unei decăderi beta duble ne-rigide de 76Gare de radiații cosmice și radioactivitate naturală utilizând secțiuni experimentale ale formării izotopilor radioactivi 74A, 68GE, 65ZN și 60CO sub acțiunea ridicată Energii protoni 01.04.16. - Fizica nucleului atomic și a particulelor elementare Rezumatul autorului de disertație privind gradul de candidat la științele fizico-matematice Moscova 2010 de lucru ... "

"Kasherininov Peter Georgievich Media de înregistrare optică bazată pe structuri S-S-Semiconductor M (Ti) cu dielectric subțire tunel (Ti). 04/01 / 10 - Fizica semiconductorilor Rezumatul autorului de disertație privind gradul de doctor în științe fizice și matematice St. Petersburg 2011. Activitatea a fost efectuată în înființarea Academiei de Științe a Ruse în Institutul de Fizico-Tehnic. A.f. IOFFE RAS Oponenții oficiali: doctor în fizică și matematică ... "

"Klechchchenkov Anatoly Borisovich Metode electrodynamice de analiză a emițătorilor vibratori în mass-media multistrat 01.04.03 Radiofizică Rezumatul autorului de disertație privind concurența unui candidat la științele fizice și matematice Rostov-on-Don 2007 a fost efectuată la Departamentul de Electrodinamică Aplicată și Modelarea pe calculator Facultatea de Facultatea de State Federală de Stat de Educație de Educație Superioară Universitatea Federală de Sud .... »

"Mironova Tatiana Vasilyevna Caracteristicile interacțiunii de Fe, Ni, Ti, Cu cu atomi de introducere a C, N, O cu impulsuri de specialitate 01.04.07 - Fizica statului condensat Rezumatul autorului de disertație privind concurența unui grad științific de Candidatul științelor fizice și matematice Samara - 2011 Lucrări efectuate în FGBOU VOPA Samara Universitatea Tehnică de Stat științifică: doctor în științe fizice și matematice, profesor Stenberg a.m. Oponenții oficiali: Doctor ... "

"Kudrin Aleksey Mikhailovich Proprietăți de transport ale unor sisteme nanotherogene Metal-dielectric și metal-semiconductor specialitate: 01.04.07 - Fizică de stat condensat Rezumatul autorului de disertație privind concurența unui grad științific de științe fizice și matematice Voronezh - 2010 Lucrări de lucru În Gou VoNonezh Universitatea Tehnică de Stat Științifică de Științe fizice și matematice, Profesor Kalinin Yuri Egorovici Oficial adversari: ... "

"Rudenko Aleksey Ivanovici Undele staționare Nonlinear pe un flux orizontal de forfecare de lichid 01.04.02- Abstratul autorului teoretic al disertației pentru gradul de științe fizice și matematice Kaliningrad - 2007 A fost realizată în FGou VPO Kaliningrad Universitatea Tehnică de Stat științifică Director: candidat la științe fizice și matematice, profesor asociat Zaitsev anatoly alekseevich adversari oficial: doctor în științe fizice și matematice, ... "

"Chernov Vitaly Vladislavich Depozitul și umectarea prin faze lichide conductoare de suprafețe solide în câmpurile magnetice 01.04.14 -Plofizică și teoretic de inginerie de căldură Rezumatul autorului privind concurența unui doctorat și a matematicii Nalchik 2006 Lucrarea a fost efectuată la Departamentul de Nanosystems de Fizică al Universității de Stat din Kabardino-Balcanizare. Hm. Berbekova Director științific: Doctor în științe fizice și matematice, profesor Sosaev Victor ... "

"Glavian Leonid Zavenovich Generația de positroni și fotoni quasimochromatic de la anihilarea pozitrilor în timpul verii pentru cercetarea rezonanțelor gigantice în nucleele atomice 01.04.01 - Dispozitive și metode de fizică experimentală Rezumatul autorului de disertație privind concurența pentru un grad științific de candidat și MOTHEMATICS MOSKVA MOSKVA - 2011 a fost efectuată în înființarea Institutului de Cercetare Nucleară a Academiei Ruse de Cercetare a Științelor Ruse. Director științific: adversarii oficiali: lider ... "

"Chagayev Vladimir VasilyEvich Fluctuațiile și valurile de magnitodipol în feriți planuri: caracteristici structurale determinate de caracteristici Specialitatea 01/01/11 - Fizica fenomenelor magnetice Rezumatul autorului de disertație privind concurența unui grad științific de doctor de științe fizice și matematice Moscova - 2009 lucrarea a fost realizată în instituția de cercetare de stat Institutul de Cercetare de Perspective Materiale și Tehnologii ale Institutului de Stat din Moscova de Electronică și Matematică ... "

Numirea sistemelor optice în instalațiile cu laser este după cum urmează:

- producția de rezonatoare optice și obținerea radiațiilor laser,

- transmiterea energiei laser pentru radiații la locul de procesare,

- Reglarea parametrilor de radiații,

- formarea unui fascicul de lumină cu densitate mare de putere (focus),

- presa de radiații pe punctul prelucrat,

- Controlul procesului de procesare și evaluarea rezultatelor acestuia.

Sistemele optice conțin următoarele elemente principale:

- focalizarea - lentile, lentile,

- elemente reflectorizante - oglinzi, scanere,

- refracția - prismul reflecției complete, deflectoare optice (dispozitivele care permit împărțirea unei raze pentru mai multe raze),

- reglarea radiațiilor - obloane optice etc.,

- transmiterea ghidurilor de lumină.

Elemente de focalizare Serviți la schimbarea diametrului fasciculului de emițător laser pentru a schimba densitatea puterii de radiație. În instalațiile tehnologice, de regulă, este necesar să se reducă diametrul fasciculului și să mărească densitatea de putere a puterii de radiație, adică Focalizați radiațiile.

Cea mai ușoară și cea mai largă metodă de reacție a focalizării este utilizarea unei lentile unice (fig.), Unde f este lungimea focală, f este planul focal al sistemului optic.

Datorită faptului că radiația laser are o anumită divergență (deși foarte mică), aceasta poate fi concentrată (redusă) la o dimensiune complet definită. Diametrul patei de lumină de radiație este cea mai mică valoare din planul focal f și este determinată prin formula:

Înlocuind expresia pentru θ primim

(2.38)

În practică, există o denaturare de focalizare (aberație)

Luând în considerare aberațiile sferice

, (2.39)

unde p * este parametrul calculat (determinat de dimensiunile și forma lentilei).

Cunoașterea energiei sau a puterii radiației laser W și, P și, este posibilă calcularea densității energetice sau a puterii în fața focalizată:

; . (2.40)

Anterior (a se vedea proprietățile radiației laser), aceste cantități au fost estimate pe baza diametrului radiației laserului. Când se concentrează, acești parametri cresc cu mai multe comenzi. În practică, ei se străduiesc, de obicei, să reducă diametrul patei de radiații.

Din formula (2.39) se poate observa că pentru a reduce diametrul patei de radiații concentrate, este necesar să se reducă lungimea focală. Cu toate acestea, se poate face numai la anumite limite, deoarece La o distanță lungă între lentilă și suprafața de focalizare există riscul de deteriorare a lentilelor (de exemplu, perechi și particule lichide ale materialului care este procesat).

Prin urmare, o altă metodă este utilizată pentru a obține o pată cu un diametru de mai multe microni - crește Un diametru de fascicul cu un sistem telescopic - a se vedea (2.39).

Diametrul punctului de lumină în acest caz este determinat luând în considerare (2.39) în conformitate cu următoarea formulă:

,

unde R\u003e 1 este o creștere a sistemului telescopic.

Lungimea optimă focală a obiectivului (la care se obține cel mai mic diametru al punctului focalizat) poate fi determinat prin formula:

(2.41)

Când trece radiația laser, lentilele sistemului optic sunt încălzite datorită absorbției parțiale a radiației. Acest lucru poate duce la deformări termice și la deteriorarea sistemului optic. Prin urmare, densitatea puterii de radiație nu trebuie să depășească anumite valori care să permită funcționarea normală pe termen lung a părților sistemului optic.

Densitatea permisă de putere depinde de materialul din care sunt fabricate acele de tricotat și lungimile de undă ale radiației.

- Pentru focalizarea radiației cu o lungime de undă de 0,4 - 2 μm (spectre vizibile și în apropiere a infraroșu), sunt utilizate lentile fabricate din diferite soiuri de sticlă optică. Densitatea permisă de putere este de ~ 10 3 W / cm2.

- pentru radiații cu o lungime de undă de 10,6 μm

(CO 2 - Lasere) Materialele optice obișnuite sunt opace. Materiale pentru fabricarea lentilelor servesc:

- cristale unice de săruri ale acizilor de reproducere a halogenului - NaCI, KBR, KCI etc.

Densitate de putere admisă ~ 10 3 W / cm2. Au higroscopicitate ridicată și durată de viață scăzută.

- cristale semiconductoare - germaniu, arsenidă de galiu etc. Densitatea permisă de putere este de 100 W / cm2.

Cu puterea de radiație care depășește admisibilitatea, fie răcirea de aer condiționat sau lichid de lentile sau sisteme de focalizare din oglinzi cu acoperiri metalice pe bază de metal (în scopul răcirii mai bune). Baza este sticlă, cupru, siliciu. Acoperire - aur, argint, cupru, nichel, molibden, aluminiu etc.

Elemente de reflexie și refractaresistemele optice servesc la schimbarea direcției radiației laser. Utilizate în rezonatoare optice și sisteme de transport cu radiații laser.

Cu o lungime de undă de radiație laser 0,4 - 2 μm în acest scop, în acest scop sunt utilizați prismele de reflexie internă completă și oglinzi cu o acoperire dielectrică multi-strat (pentru a crește coeficientul de reflexie și reducerea distanței).

Cu o lungime de undă de radiație 10,6 μm. Aplicați oglinzi plate, convexe, concave cu o acoperire metalică (aur și aluminiu), care au un coeficient de reflecție ridicat (~ 1). Schimbarea densității acoperirilor poate fi modificată coeficientul de reflexie, adică Produce oglinzi translucide.

În practică, sarcina este adesea apărută pentru mișcarea fasciculului laser de-a lungul unui contur arbitrar. Pentru aceasta, se utilizează un sistem de oglinzi plate mobile (vezi fig.).

1 - Emițător laser

2.3 - Oglinzi mobile

4 - Lentile.

5 - Material

Pe axa X, oglinzile 2 și 3 și lentilă 4 sunt deplasate împreună și pe axă, numai oglinda 3 și lentila 4 se pot mișca.

Mișcarea simultană de-a lungul axelor X și Y vă permite să primiți orice traiectorie a fasciculului.

Cu utilizarea oglinzilor, sistemele de scanare ale fasciculului laser sunt fabricate, adică Periodic o mutați pe aceeași traiectorie.

Elemente de reglementare Sistemele optice sunt concepute pentru a schimba energia, puterea radiației laser, caracteristicile sale spațiale și de timp. Acestea includ

- amplificatoare cuantice optice - dispozitive pentru a crește energia radiației pulsului laser. De fapt, acestea sunt lasere în care nu sunt generate spontan, dar sub acțiunea radiației unui alt laser. Ca urmare, energia unei energii de radiație a amplificatorului optic este adăugată la energia impulsului de radiație inițiator.

- Dispozitive de reglare a puterii de radiație de la zero la valoarea nominală - diagrame cu diametrul gaurii variabile, filtrele de lumină înlocuibile cu coeficienți de absorbție diferiți, supape optice, modulatori, amortizoare.

Următoarele tipuri de obloane sunt folosite ca obloane modulator

- Electro-optic (efect de ponvenți), se bazează pe fenomenul planului de polarizare prin unele substanțe sub acțiunea de tensiune constantă ridicată la 5kV.

- Obloane mecanice - oglinzi rotative până la 30000 rpm.

- Obloanele privind obloanele saturabile se bazează pe fenomen: cu o anumită valoare a intensității radiațiilor, unele coloranți organici devin transparenți.

- supapele acousto-optice, sticla cuarț și germaniu (pentru intervalul IR), atunci când sunt expuse undelor cu ultrasunete sunt însoțite de pierderi mari (împrăștiere) pentru radiația laser și generarea sa este terminată.

Obloanele sunt instalate în rezonator. În plus, supapele mecanice sunt aplicate la ieșirea radiației laser de la rezonator.

Elemente de transfer Sistemele optice sunt concepute pentru a transmite radiații laser la o distanță până la câteva zeci de kilometri. - Pentru aceasta se aplică fibre svetovoda..

În prezent, sunt cunoscute un număr mare de ghiduri de lumină. Utilizarea cea mai răspândită a gardienilor luminoase a următoarei construcții

Ghidul luminii fibrei constă dintr-un miez 1 cu un indice de refracție N1, carcasă 2 cu indice de refracție N 2\u003e N 1 și teaca de protecție 3. Materiale utilizate pentru fabricare: miez, de exemplu, de la cuarț cu un aditiv de titan pentru a crește Indicele de refracție, o coajă cuarț pură. În general, pentru fabricarea acestor elemente de ghiduri ușoare, în prezent, se utilizează un număr mare de soiuri diferite de ochelari și polimeri; Pentru o coajă de protecție, se utilizează diferite lacuri, polimeri, metale, asigură protecția fibrei de efectele mediului extern (umiditate), crește rezistența mecanică, îmbunătățește caracteristicile optice. Diametrul fibrei variază de la mai multe zeci la câteva sute de mkm. Miezul are un diametru în limita mai multor microni. până la 1000 microni. (1mm.).

În fibre, se utilizează fenomenul unei reflecții complete interne (fig.). La interfața celei de-a doua medii, apare fenomenul de refracție și reflexia luminii. Atunci când se deplasează un flux ușor de la mediu cu un indice de refracție mare n 1 până miercuri cu n 2

. (2.42)

Astfel, dacă la intrarea fluxului luminos în miezul fibrei, acesta scade pe marginea secțiunii cu carcasa la un unghi ≥ θ din Republica Kârgâz, atunci acest flux este distribuit numai în interiorul miezului.

O caracteristică importantă a fibrei este-atenuarea eficienței debitului de desen atunci când este distribuită prin fibră. În prezent, ghidurile luminoase au fost create cu atenuare ~ 1 dB / km.

Întrebarea pe care o luăm tot timpul este: Este posibil să se modifice în mediu substanțele de încălzire multifizice din mediul înconjurător datorită interacțiunii lor cu radiația laser? Răspunsul, desigur, depinde de ce fel de sarcină veți decide, deoarece diferite metode de modelare sunt potrivite pentru diferite sarcini. Astăzi, vom discuta diverse abordări pentru a modela încălzirea substanțelor aprinse de radiațiile laser.

Introducere în modelarea interacțiunii radiației laser cu o substanță

În ciuda faptului că există multe tipuri diferite de surse de radiație laser, ele sunt similare reciproc dacă le considerăm din punctul de vedere că acestea sunt emise la ieșire. Radiația laser este concentrată lângă o lungime de undă și coerentă. De regulă, radiația de evacuare se concentrează și pe o fascicul îngust de felie. Această sursă de lumină colectată, coerentă și monocromatică poate fi utilizată ca o sursă extrem de precisă de căldură într-o gamă largă de aplicații, inclusiv și.

Când radiația laser intră în solid, o parte a energiei sale este absorbită, ceea ce duce la încălzirea locală. Lichidele și gazele (și plasma), desigur, pot vindeca și cu lasere, dar încălzirea lichidelor este aproape întotdeauna însoțită de efecte de convecție puternice. În acest articol, ignorăm convecția și concentrați-vă asupra încălzirii solidelor.

Corpurile solide pot fi parțial sau complet opac pentru radiații la lungimea de undă cu laser. În funcție de gradul de transparență, diferite abordări vor fi aplicabile modelării unei surse de căldură cu laser. În plus, este necesar să ne amintim că toate scalele trebuie comparate cu lungimea de undă de radiație. Sunt necesare diverse abordări pentru a descrie radiațiile concentrate și pentru un fascicul relativ larg. Dacă în materialele interacționează cu fasciculul incident, există caracteristici geometrice comparabile cu o lungime de undă, este necesar să se ia în considerare exact modul în care fasciculul va interacționa cu aceste structuri minore.

Înainte de a începe modelarea oricăror interacțiuni ale radiației laser cu o substanță, trebuie mai întâi să determinați proprietățile optice ale materialului, atât pe lungimea voonului laser, cât și în intervalul infraroșu. De asemenea, trebuie să știți cum dimensiunile relative ale obiectelor care sunt supuse încălzirii și parametrilor de undă de undă laser și a fasciculului. Aceste informații vă vor fi utile atunci când alegeți o abordare adecvată pentru a vă simula sarcina.

Sursele de suprafață de căldură

În cazul unei lungimi de undă opac de materiale sau aproape de el, puteți lua în considerare radiația laser ca sursă de căldură de căldură. Cel mai simplu de făcut cu funcția Puterea fasciculului depozitat (alimentarea cu putere alocată) (Prezentată mai jos), care este disponibilă în modulul de transfer de căldură Versiunea 5.1 a pachetului COMSOL Multifizics (modulul de transfer de căldură). În plus, puteți, de asemenea, să setați pur și simplu sursa de căldură utilizând manual numai nucleul pachetului COMSOL Multifizics, ca.

Sursa de căldură de suprafață sugerează că energia fasciculului este absorbită în stratul unei grosimi groase neglijabile, comparativ cu dimensiunea obiectului încălzit. Etapa de partiționare a ochiului finit-element ar trebui să fie suficientă numai pentru a ține cont de modificările câmpului de temperatură și dimensiunile laserului laser. Radiația laserului în sine nu este modelată în mod explicit și se presupune că o parte din radiația laser reflectată din material nu este returnată înapoi. Când utilizați o sursă de suprafață de căldură, trebuie să setați manual coeficientul de absorbție al materialului de pe lungimea de undă laser și, în consecință, să depășească puterea generată a fasciculului.

Funcția de alimentare a fasciculului depus în modulul de transfer de căldură utilizat pentru a simula două grinzi laser încrucișate. Sursa de suprafață rezultată este afișată.

Surse volumetrice de căldură

În cazul materialelor parțial transparente, cea mai mare parte a energiei laserului va fi eliberată în regiune și nu pe suprafață și, orice abordare ar trebui legată în mod corespunzător de dimensiunile geometrice relative ale obiectelor și de lungimea de undă.

Optica geometrică

Dacă dimensiunea obiectelor încălzite este mult mai mare decât lungimea de undă, dar radiația laser convergează și diverge atunci când elementele optice sunt distribuite și pot fi reflectate în oglinzi, atunci funcționalitatea va fi cea mai bună alegere. În această abordare, lumina este considerată ca un fascicul de propagare prin mediul absorbant, omogen și neomogen.
Deoarece radiația este propagată prin absorbția materialelor (adică, sticlă optică) și intersecția suprafețelor secțiunii, o parte a energiei va fi cheltuită pe încălzirea materialului. Absorbția în volumul zonei este modelată utilizând un indice complex de refracție. La suprafața secțiunii, poate fi utilizat coeficientul de reflecție sau absorbție. Toate aceste proprietăți pot fi dependente de temperatură. Pentru cei interesați de această abordare, din aplicațiile noastre de galerie vor oferi un bun punct de plecare.

Bundle laser axat pe un sistem de două lentile. Lentilele de încălzire datorată propagării radiației laserului unei intensități mari, schimbă punctul de focalizare.

Legea Bueger - Lambert - Bera

Dacă dimensiunea obiectelor încălzite și a locului laser este mult mai mare decât lungimea de undă, atunci bugerul - lambert este potrivit pentru modelarea absorbției de radiații în material. Această abordare sugerează că fasciculul radiației laserului este complet paralel și unidirecțional.

Atunci când se utilizează Legea Bugega-Lambert - Bera, coeficientul de absorbție a materialului și coeficientul de reflexie de pe suprafață trebuie să fie cunoscute. Ambii coeficienți pot fi funcții de temperatură. Setarea corespunzătoare a parametrilor unui astfel de model este descrisă anterior în articolul nostru Blog "Modelarea interacțiunii radiației laser cu o substanță bazată pe legea Bugger - Lambert - Bera".

Puteți folosi o abordare bazată pe legea Buger-Lambert - Bera, dacă intensitatea radiației laser incidente este cunoscută și nu există reflexii ale luminii în interiorul materialului și / sau din limitele obiectului.

Încălzirea laser a corpurilor solide translucide modelate cu ajutorul actului Bugger - Lambert - Bera.

Metodă de fascicul de plic

Dacă zona încălzită este mare, dar fasciculul laser este focalizat brusc în interiorul IT, nici optica geometrică, nici abordarea bazată pe legea Buger - Lambert-Bera nu poate calcula cu atenție câmpurile și pierderile de energie în apropierea focalizării. Aceste metode nu rezolvă direct ecuația Maxwell și sunt interpretate ca un set de raze. Disponibil în, este alegerea cea mai potrivită în acest caz.

Metoda plicului de fasciculul rezolvă sistemul Maxwell Equations pentru cazul în care amplitudinea pachetului de val este o funcție de coordonare lentă în schimbare. Abordarea funcționează dacă aproximativ cunoscută valoarea vectorului de undă în mediul simulat și direcția aproximativă de propagare a radiațiilor. Acest caz corespunde modelării, precum și structurilor de undă, cum ar fi sau un rezonator inel. Deoarece este cunoscută direcția fasciculului, ochiul de elemente finite poate fi suficient de gros în direcția de propagare, reducând astfel costurile computaționale.

Fasciculul cu laser concentrat care se propagă într-o zonă de substanță cu simetrie cilindrică. Intensitatea pe suprafața de admisie și de-a lungul axei optice din interiorul regiunii este afișată grafic în conformitate cu grila de despicare.

Metoda plicului a fasciculului poate fi combinată cu interfața Prin intermediul unei conexiuni multifizice Sursa de căldură electromagnetică (sursă de căldură electromagnetică). Această conexiune este instalată automat la adăugarea unei interfețe în meniu Adăugați fizica (Adăugare fizică).

Interfață Încălzire laser (încălzire laser) adaugă interfețe Plicuri de fascicule (fascicul de plicuri) și Transferul de căldură în solide (transfer de căldură în solide) și stabilește o legătură multicizică între ele.

Abordare cu valuri complete

În cele din urmă, dacă structura încălzită este comparabilă cu o lungime de undă, este necesar să se rezolve sistemul MaxWell Equations fără nici o ipoteze privind direcția de propagare a radiației laser în spațiul simulat. În acest caz, avem nevoie de o interfață Valuri electromagnetice, domeniu de frecvență (valuri electromagnetice, domeniu de frecvență)care este, de asemenea, în modulul modulului Optics Optics și în. În plus, modulul de frecvență radio conține o interfață Încălzirea cu microunde (încălzire cu microunde) (Interfață similară Încălzire laser (încălzire laser) descrise mai sus) și conectează interfața cu interfață Transferul de căldură în solide (transfer de căldură în solide). În ciuda numelui, modulul de frecvență radio și interfața Încălzirea cu microunde (încălzire cu microunde) Potrivit pentru modelare.

O abordare cu undă integrală necesită împărțirea ochiului de plasă de element finit necesar pentru a rezolva lungimea de undă a radiației laser. Deoarece fasciculul se poate risipi în orice direcție, grila trebuie să fie destul de omogenă față de dimensiunile celulelor. Exemplu bun folosind interfața Valuri electromagnetice, domeniu de frecvență (valuri electromagnetice, domeniu de frecvență) este:, după cum sa demonstrat mai jos.

Încălzirea radiației laser a nanosferei de aur. Pierderea radiației în sfere și dimensiunea câmpului electric înconjurător este afișată în conformitate cu grila de despicare.

Modelarea transferului de căldură, convecție și reintroducere în interiorul și în jurul materialului

Puteți utiliza oricare dintre cele cinci abordări anterioare pentru a simula emisia de energie din sursa laserului din materialul solid. Modelarea temperaturii și a fluxului de căldură din interior și în jurul materialului necesită suplimentar o interfață Transferul de căldură în solide (transfer de căldură în solide). Disponibil în nucleul pachetului software, această interfață este destinată modelării transferului de căldură în solide și sarcinile condițiilor limită corespunzătoare: o temperatură fixă, o limită termoizolată sau prezența curgerii căldurii prin aceasta. Interfața include, de asemenea, diverse condiții limită pentru modelarea transferului de căldură a convecției în atmosfera sau lichidul înconjurător, precum și răcirea radiativă (datorită radiației) în mediul înconjurător cu o temperatură cunoscută.

Dacă materialul examinat este transparent pentru radiațiile laser, este cel mai probabil, este, de asemenea, parțial transparent pentru radiațiile termice (infraroșu). Această radiație infraroșie nu va fi coerentă, nici slăbită, deci nu putem folosi nici una dintre abordările de mai sus pentru a descrie re-energizarea în mediile translucide. În schimb, putem folosi o abordare pentru radiații în medii distribuite. Această metodă este concepută pentru a simula schimbul de căldură în materialele în care există un flux termic semnificativ în interiorul materialului datorită procesului de radiație. Un exemplu de o astfel de abordare din aplicațiile noastre de galerie poate fi.

Concluzie

În acest articol, am considerat diferitele metode existente în mediul multiphizics COMSOL pentru a simula încălzirea laser a materialelor solide. Abordările de suprafață și volumetrică au fost prezentate, împreună cu o scurtă trecere în revistă a posibilităților de modelare a schimbului de căldură. Până în prezent, am considerat doar încălzirea unui material solid de stare care nu suferă o schimbare în starea sa de fază. Încălzirea lichidelor și a gazelor - și modelarea tranziției de fază - vor fi luate în considerare în articolele ulterioare ale acestui blog. Rămâneți aproape!