ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ»
Согласовано | Утверждаю |
Руководитель направления 150100, декан МФ проф. ______________ «___» ___________ 2012 г. | Зав. кафедрой МиТХИ, проф. __________ «___» ___________ 2012 г. |
РАБОЧАЯ ПРОГРАММА УЧЕБНОЙ ДИСЦИПЛИНЫ
«Взаимодействие лазерного излучения с веществом»
Направление: 150100.68 Материаловедение и технологии материалов Профиль: магистерская программа
Квалификация (степень) выпускника: магистр
Форма обучения: заочная
Составитель: доцент
Программа является приложением
к учебному плану в соответствии с ФГОС-2010
Санкт-Петербург
2012
Цель и задачи дисциплиныЦель курса — формирование у магистров уровня знаний в области современных методов и средств лазерной технологии, умения проводить инженерные оценки и расчеты лазерных технологических процессов и систем, поставить экспериментальный технологический процесс и грамотно эксплуатировать лазерные технологические установки.
Задачи курса — изучение процессов технологии лазерной обработки различных материалов, математическое моделирование процессов и объектов на базе современных стандартных пакетов автоматизированного проектирования и исследований, приобретение навыков разработки технологических режимов обработки различных материалов, проведение экспериментальных исследований взаимодействия лазерного излучения с веществом; проведение измерений по заданным методикам с выбором технических средств и обработкой результатов.
Дисциплина «Взаимодействие лазерного излучения с веществом» входит в специальную подготовку магистра по данной специальности. Материал дисциплины используется при выполнении курсовых и выпускных квалификационных работ.
Требования результатам освоения дисциплиныПроцесс изучения дисциплины направлен на формирование следующих компетенций:
- способен самостоятельно приобретать с помощью информационных технологий и использовать в практической деятельности новые знания и умения, в том числе в новых областях знаний, непосредственно не связанных со сферой деятельности (ОК-6); способен к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов (в соответствии с целями ООП магистратуры) и формулированию новых исследовательских задач на основе возникающих проблем (ОК-7); способен самостоятельно использовать современные представления наук о материалах при анализе влияния микро - и нано - масштаба на механические, физические, поверхностные и другие материалов, взаимодействия материалов с окружающей средой, электромагнитным излучением и потоками (ПК-8); способен к профессиональной эксплуатации современного оборудования и приборов в соответствии с целями ООП магистратуры (ПК-14);
В результате изучения дисциплины студент должен:
Знать:
- процессы взаимодействия лазерного излучения с веществом, включая биологические объекты;
- принципы разработки, создания и использования лазерных приборов, систем и технологических комплексов различного назначения;
Уметь:
- выполнять практические работы с лазерами и исследовать их характеристики, измерять параметры лазерного излучения;
Владеть:
- навыками лазерных технологий, использующих взаимодействие электромагнитного излучения с веществом, в том числе медицинские, космические, микро - и нанотехнологии;
- навыками управления элементной базы лазерной техники, технологии и систем управления и транспорта лазерного излучения;
- навыками работы с программным обеспечением и компьютерным моделированием в лазерной технике и лазерных технологиях.
Объём дисциплины и виды учебной работыОбщая трудоемкость учебной дисциплины составляет 4 зачетные единицы.
Вид учебной работы | Всего часов | Семестр |
3 | ||
Аудиторные занятия (всего), сего | 14 | 14 |
в том числе: | ||
Лекции | 4 | 33 |
Практические занятия (ПЗ) | 4 | 11 |
Лабораторные работы (ЛР) | 6 | 11 |
Самостоятельная работа, (всего) | 90 | 90 |
Виды самостоятельной работы | ||
Изучение литературы, подготовка к лекциям и практическим занятиям. | 35 | 35 |
Подготовка отчетов по практическим занятиям | 28 | 28 |
Подготовка отчетов по лабораторному практикуму | ||
Подготовка к промежуточной аттестации, к зачету | 27 | 27 |
Вид промежуточной аттестации (зачет, экзамен) | 4 | зачет |
Общая трудоемкость час | 108 | 108 |
зач. ед. | 3 | 3 |
5. Содержание дисциплины
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Содержание раздела |
1. | Лазерный нагрев материалов | Общая характеристика нагревания лазерным излучением. Тепловые эффекты в конденсированных средах. Основные особенности температурной кинетики при лазерном воздействии на металлы. Теплопроводностные механизмы отвода тепла. Уравнение теплопроводности, начальное и граничные условия. Термические эффекты, сопровождающие лазерный нагрев. Термомеханические эффекты. Фазовые переходы в твердом состоянии (лазерное упрочнение). Эмиссионные процессы. Основные особенности лазерной активации процессов аррениусовского типа. Лазерное окисление. Диффузионно-химические явления. Экзотермические эффекты при импульсном лазерном воздействии на металлы. Линейные режимы лазерного нагрева. Понятие температуры электронной и решеточной подсистем. Нагрев полупространства экспоненциально спадающим с глубиной тепловым источником. Нагрев металла импульсным излучением постоянной мощности. Нагрев материала лазерным пучком с гауссовым профилем. Нагрев материала постоянным лазерным излучением, луч сфокусирован в пятно круглого сечения. Влияние временной зависимости интенсивности лазерного излучения. Лазерный нагрев тонких слоев и пленок. Нагрев материалов в интерференционном лазерном поле. Особенности нагрева материала движущимся световым пятном. Нелинейные режимы лазерного нагрева. Нагрев с учетом температурной зависимости поглощательной способности. Изменение поглощательной способности окисляющихся материалов при лазерном нагревании. Тепловая неустойчивость. Интерференционные явления в окисном слое. Лазерное плавление поверхности. Вакансионная модель плавления. |
2. | Лазерное разрушение поглощающих материалов | Общая характеристика механизмов лазерного разрушения. Механическое низкотемпературное разрушение хрупких материалов. Разрушение упругими напряжениями . Разрушение остаточными напряжениями . Химические механизмы разрушения. Высокотемпературные механизмы с участием испарения. Поляритонный механизм формирования лазерно-индуцированного поверхностного рельефа. Лазерное испарение . Кинетика испарения плоской поверхности. Испарение в вакуум и среду с противодавлением. Температурная граница перехода от нагрева к испарению. Теплофизика перехода от нагрева к испарению. Одномерная задача о лазерном нагреве с испарением . Установление стационарного режима. Определение квазистационарных параметров. Зависимость температуры и скорости лазерного разрушения от плотности светового потока.. Вытеснение расплава избыточным давлением паров. Свойства лазерного пара и плазмы, их влияние на процесс разрушения. |
3. | Современные представления об оптическом пробое прозрачных сред | Физические представления об оптическом пробое идеальных диэлектриков. Оптический пробой газов. Оптический пробой идеально чистых твердых тел. Тепловой механизм оптического пробоя реальных сред. Основные экспериментальные закономерности и особенности оптического пробоя и разрушения оптически неоднородных сред. Тепловая неустойчивость. Статистическая концепция оптического пробоя. Размерная зависимость порога пробоя. |
4. | Воздействие сверхкоротких лазерных импульсов на материалы | Двухтемпературная модель при сверхкоротком воздействии . Особенности экспериментального изучения воздействия фемтосекундных лазерных импульсов на материалы. Особенности разлета вещества при фемтосекундном лазерном воздействии. Плавление при воздействии сверхкоротких лазерных импульсов. Термическое плавление с высокими скоростями. Нетермическое плавление. Фотофизическая абляция. Уплотнение электронного газа и кулоновский взрыв в поверхностном слое проводника . Формирование лазерно-индуцированного поверхностного рельефа при воздействии сверхкоротких лазерных импульсов . Механизм образования поверхностных периодических структур при воздействии сверхкоротких импульсов. Резонансная дифракция на плоской поверхности с периодической модуляцией оптических свойств. Формирование периодического профиля поля температур. Эволюция периодических поверхностных структур в расплавленном поверхностном слое. Силовое действие сверхкоротких импульсов на прозрачные диэлектрики |
5.2. Разделы дисциплины и междисциплинарные связи с обеспечиваемыми (последующими) дисциплинами
№ п/п | Наименование обеспечиваемых (последующих) дисциплин | № № разделов данной дисциплины, необходимых для изучения обеспечиваемых (последующих) дисциплин | |||
1 | 2 | 3 | 4 | ||
1 | Подготовка выпускной квалификационной работы | + | + | + | + |
5.3. Разделы дисциплины и виды занятий
№ п/п | Наименование раздела дисциплины | Лекции | Практ. занятия | Лабор. практ. | СРС | Всего час |
1. | Лазерный нагрев материалов | 1 | 3 | 20 | 24 | |
2. | Лазерное разрушение поглощающих материалов | 1 | 3 | 20 | 24 | |
3. | Современные представления об оптическом пробое прозрачных сред | 1 | 20 | 21 | ||
4. | Воздействие сверхкоротких лазерных импульсов на материалы | 1 | 4 | 20 | 25 |
6. Лабораторный практикум: программой не предусмотрено.
7. Практические занятия.
№ п/п | № раздела дисциплины | Тематика практических занятий | Трудо- емкость, час |
1 | 1. | Принцип действия твердотельного технологического лазера. Лазерная маркировка металлических материалов. | 3 |
2 | 2. | Лазерная маркировка, лазерная резка полимерного материала | 3 |
3. | 4. | Определение скорости сканирования лазерного луча при обработке металлической пленки из заданного материала | 4 |
8. Учебно-методическое и информационное обеспечение дисциплины:
ЛИТЕРАТУРА
Основная:
, , Взаимодействие лазерного излучения с веществом. Силовая оптика. Под ред. . М.: ФИЗМАТЛИТ, 2008, 312 , , Действие излучения большой мощности на металлы, «Наука», 1970, 272 с. Лазерно-индуцированные оптические и термические процессы в конденсированных средах и их взаимное влияние. СПб.: Наука, 2007. 423 с. Взаимодействие лазерного излучения с веществом. М.: Наука, 1989. , , Теоретические основы воздействия лазерного излучения на материалы: Учебное пособие для вузов. Благовещенск: изд-во БПИ, 1993, с. 344. , , Оптическая прочность слабопоглощающих материалов. Л.: изд. ЛДНТП, 1974, 34 с. Теория теплопроводности. М. Высшая школа. 1967 еплопроводность твердых тел. М.: Наука, 1964, 487 с. Особенности поведения стекол и стеклообразных материалов при быстром нагревании. С.–Петербург: СПбГУ ИТМО, 2004, 83 с. , , Лазерная и электронно-лучевая обработка металлов. М., Машиностроение. 1985.Дополнительная:
Вейко, обработка / , М. Н. Либенсон - Л.: Лениздат, 1973. Лазеры в технологии / Под ред. . - М.: Энергия, 1975. Григорьянц, процессы лазерной обработки [Текст] / , , ; под ред. – М.: Изд-во МГТУ им. , 2008. – 664 с. Афонькин, цветных структур на поверхности металла лазерным излучением: монография / М. Г, Афонькин, . – Спб.: изд. СЗТУ, 2010. – 205с.: ил.Дополнительные средства обеспечения освоения дисциплины (ресурсы Internet)
http://www.toroid.ru/laser.html
http://mt12navsegda.narod.ru/lastech.html
10. Материально-техническое обеспечение дисциплины
Специализированная аудитория, оснащённая средствами мультимедиа, компьютерный класс. Интерактивные материалы, презентация дисциплины, справочный материал по практическим занятиям, лабораторному практикуму и самостоятельной работе студентов.
11. Методические рекомендации по организации изучения дисциплины
Чтение лекций сопровождается демонстрацией с помощью мультимедийных средств рисунков, фотографий, чертежей, образцов, часть из которых выполнена в динамической постановке.
Для повышения уровня усвоения лекционного материала и приобретения практических навыков проектирования предусматривается активная форма проведения практических занятий в виде решения задач и выполнение лабораторных работ.
В часы самостоятельной работы студенты имеют возможность работать с конспектом лекций и учебными пособиями, выполнять индивидуальное расчетно-графическое задание в компьютерном классе.
Разработал:
кафедра МиТХИ доцент
Эксперты:
кафедра МиТХИ профессор
