Курсовой проект тема проекта: “Портативный Лазерный Модуль ® ” Дисциплина: “Конструирование Оптических Приборов”




НазваниеКурсовой проект тема проекта: “Портативный Лазерный Модуль ® ” Дисциплина: “Конструирование Оптических Приборов”
страница1/6
Дата публикации27.06.2013
Размер0.78 Mb.
ТипКурсовой проект
zadocs.ru > Физика > Курсовой проект
  1   2   3   4   5   6


МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РЕСПУБЛИКИ БЕЛАРУСЬ
БЕЛОРУССКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ©
Кафедра «Лазерная техника и технология»

КУРСОВОЙ ПРОЕКТ
Тема проекта: “Портативный Лазерный Модуль®
Дисциплина: “Конструирование Оптических Приборов”



Выполнил:

студент ПСФ,

гр.113111,

{Imm Alexus}
Руководитель:

доц. {-----cut-----}

2005
Содержание
Введение 3

1. Назначение и область применения ПЛМ 4

2. Анализ существующей конструкции и обоснование выбора новой схемы прибора

2.1. Терминология 5

2.2. Варианты конструкций 5

3. Общая характеристика и препятствия, возникающие в процессе разработки 8

4. Общие теоретические сведения по теме проекта 10

4.1. Лазер и сопутствующие ему явления 11

4.2. Плазма 16

4.3. Теория кристаллизации плазмы 20

4.4. Электроннолучевые пушки 33

4.5. Ядерный реактор 35

5. Принцип работы ПЛМ 43

6. Расчёты некоторых элементов конструкции

6.1. Контакт клинков 48

6.2. Фокусирующий кристалл 48

7. Описание конструкции и составных элементов 52

Заключение 53

Источники, частично и полностью использованные 54

Приложения:

Приложение А (Варианты внешнего оформления прибора) 55

Приложение Б (Техническое задание) 58

Введение
Целью данного курсового является на основе существующих компонентов и перспектив их технологического развития разработать научно обоснованные принципы работы портативного лазерного модуля (ПЛМ) специального назначения. Также необходимо разработать конструкцию, произвести общий габаритный расчёт, оценку стоимости и соответствия климатическим условиям работы прибора. Предпосылками к написанию данной работы являются многочисленные ненаучные предположения о принципе работы и конструкции аналогов ПЛМ, появившиеся в сети Internet.

Портативный лазерный модуль – ещё одно название «лазерного меча», придуманного и показанного широкой общественности американским режиссёром Джорджем Лукасом в его киноэпопее «Звёздные Войны» (премьера первого фильма состоялась 25 мая 1977 года, последнего – 19 мая 2005). Несмотря на то, что Дж. Лукас относит это понятие к области фантастики и не даёт никаких комментариев по конструкции, кроме изложенных в фильме и сопутствующих произведениях, однако, «Звёздные Войны» существуют далеко за границами их шести эпизодов. Множество писателей-фантастов в мире попытались осветить данную тему, не говоря уже о бесчисленных поклонниках фильма. К сожалению, практически никто из них не знаком достаточно глубоко с оптикой и другими разделами науки, связанными с функционированием прибора. Поэтому, взяв за основу внешние параметры «лазерного меча» попытаемся разработать «с нуля» принцип работы и конструкцию нового прибора – портативного лазерного модуля специального назначения.

^ 1. Назначение и область применения ПЛМ
Прототипом ПЛМ является лазерный меч – оружие воинов и хранителей мира вселенной Звёздных Войн. Это совершенное и элегантное оружие. Оно многое дает тому, кто умеет, и многое требует от того, кто желает им управлять. Лазерный меч - очень опасное оружие, научиться владеть им не так то просто. Ведь при недостаточном уровне мастерства оно представляет большую угрозу своему владельцу, нежели противнику. Поэтому носителями меча являются джедаи – люди с экстраординарными способностями, высокой дисциплиной духа и тела, сильной волей – совершенные воины. Поэтому само выражение «световой меч», как правило, имеет значение символа таланта и умения, сочетания высоких технологий и удивительных возможностей человека.

Но, обладая таким огромным потенциалом, джедаи не стремятся использовать его для разрушения и концентрации власти в своих руках – это противоречит их моральным принципам. Однако это не избавляет джедая и от потенциальной способности применить своё оружие.

Официальной информацией [1] по поводу свойств светового клинка является то, что он может разрезать даже дюрасталь, самый прочный материал в мире Звездных Войн. На это может потребоваться некоторое время, но, тем не менее, важно то, что световой клинок, в принципе, не остановим ничем, кроме энергетического экрана, другого светового меча и кортозиса, специального материала, поглощающего любую энергию.

Так как световой меч использует ту же технологию, что и бластер, лезвие светового меча обладает возможностью отражать выстрелы из бластеров. Если удается предсказать цель выстрела и своевременно подставить меч, то это обеспечит защиту от стрелкового оружия. Прицельное перенаправление выстрелов обратно в противников, естественно, требует большей концентрации и точности движений, что, в принципе, не проблема для джедая.

Нередки и схватки между тёмными и светлыми джедями на световых мечах. Свойства клинков (они не проходят друг сквозь друга, как твёрдые тела) это позволяют. А высокая опасность оружия возводит в большую степень важности навыки джедая сражаться на мечах.

^ 2. Анализ существующей конструкции

и обоснование выбора новой схемы прибора
Сразу стоит сказать, что подобного прибора не существует, не было создано за историю человечества и, судя по сегодняшнему уровню развития технологий, ждать момента появления первого рабочего экземпляра придётся очень долго. Однако в раздельности практически все функциональные элементы ПЛМ реально существуют, применяются в технике или, по крайней мере, находятся на стадии научных разработок. Поэтому, вначале рассмотрим тот «лазерный меч», образ которого был создан Дж. Лукасом в фильме.
2.1. Терминология
“Древнее и элегантное оружие, пришедшее к нам из лучших времен”, в оригинале (если принять за оригинал фильмы Джорджа Лукаса) называется lightsaber (дословно - “световая сабля”). За десятилетия активного существования “Звездных войн” в русскоязычных странах было предложено множество вариантов русификации этого термина. Одни из них (“лазерный меч”, “луч-сабля”) не самым точным образом передавали суть оружия, другие (“сабер”, “лайтсейбр”) — в сущности, не были переводами. В последнее время унификация терминологии привела к тому, что наиболее частым обозначением является “световой меч”, хотя в среде поклонников “Звездных войн” нередко можно услышать более короткое слово “сабер”.
^ 2.2. Варианты конструкций
Рассмотрим один из вариантов композиции лазерного меча и его свойств, предложенных во вселенной Звёздных Войн. В данном приборе и описании его функционирования применяется также много терминов, взятых из фантастики и не имеющих земных аналогов. Однако их свойства вполне определены, поэтому допустимо сравнивать их с другими подобными элементами и описывать их взаимодействие. Основные части лазерного меча по данным энциклопедии Звёздных Войн [3] таковы (позиции изображены на рис. 1, а также на рис. 2 и рис. 3):
^ I. Энергоблок (Power Assembly)

  1. Диатиумовая энергоячейка (diatium power cell) - мощная и компактная "батарейка", обеспечивающая работу меча в течение длительного времени. Усовершенствованный аналог энегроячеек для персональных бластеров.

  2. Проводник (power field conductor) - окружает энергоячейку, заставляя сгенерированную энергию двигаться вдоль оси меча.

  3. Вихревое кольцо (power vortex ring) - окружает проводник, направляя сгенерированную энергию так, чтобы практически вся она перешла в блок кристаллов.

  4. Изолятор (inert power insulator) - окружает вихревое кольцо, обеспечивает изоляцию энергоблока в целом, что позволяет уменьшить утечки энергии и избежать пробоев на рукоятку.

  5. Затвор (energy gate) - излучатель энергии (эммитер) в блок кристаллов.

II. Блок кристаллов (Crystal Energy Chamber)

  1. Главный кристалл (primary crystal) - определяет первую частоту энерголуча.

  2. Фокусирующие кристаллы (focusing crystals) - фокусируют и направляют энергию в генератор клинка, определяют вторую частоту энерголуча, и соответственно, основной цвет лезвия. Каждый фокусирующий кристалл индивидуален.

  3. Активатор (focusing crystal activator) - именно та "кнопка", которая включает клинок меча, точнее выпускает накопившуюся энергию наружу. Каждый активатор индивидуален.

III. Генератор клинка (Blade Generation)

  1. Энергоканал (blade energy channel) - длинная полая камера, в которой происходит генерация дуговой энергетической волны.

  2. Циклические активизаторы поля (cycling field energizers) - окружают энергоканал и преобразуют энергию поступившую из блока кристаллов в дуговую энерговолну.

  3. Схема энергетической модуляции (energy modulation circuits) - схема обратной связи.

  4. Наконечник (blade arc tip), нередко дополняется магнитным стабилизирующим кольцом (magnetic stabilizing ring) – поз. 13 на рис. 1.



Рис. 1. Официальная схема устройства лазерного меча.

Этот вариант устройства лазерного меча является официальным, а макет лазерного меча с аналогичным расположением его компонентов даже выставлен в музее «Звёздных Войн» (рис. 2.).



Рис. 2. Макет лазерного меча.



Рис. 3. Вариант композиции элементов меча.

Несмотря на это, предпринимается множество попыток «усовершенствовать» конструкцию, добавляя, удаляя или изменяя некоторые её элементы, подгоняя её под внешний вид мечей некоторых персонажей из фильма (рис. 3.). Однако принципиально новой схемы действия никто не предложил. Были, кстати, и мечи с двумя клинками – это два базовых меча, укреплённых в едином корпусе лезвиями в разные стороны. Напоследок в приложении А показаны немногие из огромного количества вариантов [4] внешнего оформления ручки лайтсабера. Их так много потому, что во вселенной Звёздных Войн «сборка меча - один из шагов на пути к званию рыцаря, поэтому каждый светомеч неповторим», если цитировать одного из персонажей.

^ 3. Общая характеристика и препятствия,

возникающие в процессе разработки
И всё же, несмотря на бурное внимание к данной теме, принцип работы лазерного меча зачастую не имеет даже сколько-нибудь научной базы под собой. Максимум, чего можно ожидать при поиске информации на данную тему – это описания авторов научной фантастики и мысли поклонников Звёздных Войн. И главная проблема в том, что они используют некоторые термины и явления, многим из которых, по-видимому, так и суждено остаться в области фантастики.

Попробуем же на основе реально существующих явлений согласно ТЗ разработать прибор, обладающий аналогичными характеристиками. Забегая вперёд, скажу, что некоторые элементы ПЛМ не разработаны в настоящее время учёными Земли. Равно как и некоторые физические явления, применяемые в приборе, не изучены достаточно для практического применения. Однако перспективы развития Земных технологий и уже имеющиеся факты о данных явлениях позволяют предположить возможность их использования с высокой вероятностью.

В итоге мы получим общие теоретические принципы функционирования ПЛМ с некоторыми ограничениями, разделяемыми на две группы: 1) реальная возможность изготовления отдельных элементов прибора, но несовершенство современных технологий и недостаточная мощность существующих аналогов; 2) только предполагаемая возможность существования элементов – однако учёные говорят об их практическом осуществлении в будущем с большой уверенностью.

К ограничениям (с указанием их группы) отнесём следующее и примем за аксиому их осуществимость:

  • Малогабаритный и мощный источник питания (2 группа).

Источник питания использует тепловую энергию для получения электрической – это упростит решение некоторых задач в процессе конструирования ПЛМ. Для конкретизации конструкции на чертежах изобразим уменьшенную модель ядерного реактора.

  • Малые габариты аналогов реально существующих устройств (1 группа).

Например, лазера или электронной пушки. Эти приборы существуют и совершенствуются, что в будущем и может привести к требуемым их параметрам.

  • Использование в конструкции качественных материалов (1 группа).

Широкая доступность необходимых качественных материалов (диэлектрики, низкоомные проводники, магнитные материалы) на сегодняшний день ограничена для рядовых конструкторов либо по причине дороговизны и сложности технологии получения, либо по причине засекреченности.

В работе будут изложены только общие принципы работы ПЛМ и произведены конструкторские расчёты для одного из вариантов технического решения. К сожалению, некоторые физические явления, на которых базируется работа прибора, относятся к малоисследованной области науки. К тому же, не представляется возможным в рамках данного курсового провести многие практические эксперименты, которые дали бы конкретные цифры для дальнейшего использования. Всё это приведёт к некоторой «расплывчатости» в конкретной конструкции ПЛМ. Однако с развитием науки и исследованием требуемых физических процессов элементы прибора приобретут более точные очертания. А данный вариант физических принципов функционирования и конструкции прибора – всего лишь попытка представить, используя конструкторское воображение, что может получиться из этого проекта через много лет.

^ 4. Общие теоретические сведения

по теме проекта
Рассмотрев все возможности достижения требуемых параметров прибора, приходим к выводу, что из всех разнообразных физических явлений будут использоваться только нижеперечисленные.

Создать «чистый» лазерный клинок не представляется возможным из-за низкой мощности светового излучения и невозможности «остановить» свет. При увеличении мощности лазерного излучения (раздел 4.1) будет возникать световой пробой воздуха, образуется плазма (раздел 4.2). Это, при более детальном рассмотрении (раздел 4.3, 4.4), сыграет положительную роль, увеличив температуру клинка. Для питания такого энергоёмкого прибора понадобится чрезвычайно мощный источник энергии – в учебных целях рассмотрим возможность использования ядерного реактора (раздел 4.5).

В этой части курсового проекта совершим экскурс в некоторые физические явления, используемые в ПЛМ. Это необходимо, так как функционирование прибора основано на процессах, описываемых различными областями науки. И, по большому счёту, над этим проектом (в случае его осуществимости) должны работать многие учёные, имеющие различные специализации.

^ 4.1. Лазер и сопутствующие его явления
С
Рис. 4. Схема получения лазерной искры
ветовой пробой
[5,6] (оптический пробой, лазерная искра) - переход вещества в состояние сильно ионизованного горячего газа (плазмы) под действием электромагнитного поля оптической частоты. Световой пробой аналогичен СВЧ — пробою. Световой пробой впервые наблюдался в 1963 при фокусировке в воздухе излучения мощного импульсного лазера на кристалле рубина. При световом пробое в фокусе линзы (рис. 4.) возникает искра, эффект воспринимается наблюдателем как яркая вспышка, сопровождаемая сильным звуком.

Необходимые для достижения порога пробоя газов значения интенсивности светового потока в луче лазера 109-1011 вт/см2, что соответствует напряжённости электрического поля 106-107 в/см. Длительность вспышки в 10 и более раз превосходит длительность лазерного импульса (Л.и.) (30 нсек).

Образование лазерной искры можно представить себе состоящим из 2 стадий: 1) образование в фокусе линзы первичной (затравочной) плазмы, обеспечивающей сильное поглощение Л.и.; 2) распространение плазмы вдоль луча в области фокуса. Механизм образования затравочной плазмы аналогичен высокочастотному пробою газов. Отсюда термин - оптический пробой газа.

Для пикосекундных импульсов Л.и. (I~1013-1014 вт/см2) образование затравочной плазмы обусловлено также многофотонной ионизацией. Нагревание затравочной плазмы Л.и. и её распространение вдоль луча (навстречу лучу) обусловлено несколькими процессами, одним из которых является распространение от затравочной плазмы сильной ударной волны. Ударная волна за своим фронтом нагревает и ионизирует газ, что, в свою очередь, приводит к поглощению Л.и., т. е. к поддержанию самой ударной волны и плазмы вдоль луча (световая детонация). В др. направлениях ударная волна быстро затухает.

Лазерную искру можно наблюдать и при значительно меньших интенсивностях, если затравочная поглощающая плазма в фокусе линзы создаётся заранее. Например, в воздухе при атмосферном давлении лазерная искра развивается из электроразрядной затравочной плазмы, при интенсивности Л. и. ~ 107 вт/см2. При относительно малой интенсивности Л.и. распространение плазмы обусловлено теплопроводностью, в результате чего скорость распространения плазмы - дозвуковая. Этот процесс аналогичен медленному горению, отсюда термин "лазерная искра в режиме медленного горения".

Стационарное поддержание лазерной искры было осуществлено в различных газах с помощью непрерывного СО2-лазера мощностью в несколько сотен вт. Затравочная плазма создавалась импульсным СО2-лазером.

Явление, которое может оказаться пригодным – различные способы компенсации дифракционной расходимости лазерного пучка.

Неустранимую в принципе дифракционную расходимость можно компенсировать, применяя для фокусировки излучение с коническим волновым фронтом, сходящимся к оси под углом, равным углу расходимости γ~λ/d (λ–длина волны излучения, d–диаметр пучка). Образующийся при этом волновой пучок имеет протяженность LD/2γ (D–диаметр конуса), которая не зависит от λ и на много порядков превосходит его диаметр (L/d~D/λ).

О

Рис. 5. Фрагменты фотографий световых пробоев различных сред

жидалось, что в таком пучке должна возникать сплошная нитевидная лазерная искра. Однако в искре появлялись сильные структурные неоднородности (см. рис. 5). В работе [7] проанализированы условия их формирования, проведена классификация всех обнаруженных структурных конфигураций и предложен механизм их образования.

(а1,а2) – N2O при 0.27 и 0.67 атм, τ≈100 пс, E=0.6 Дж, γ≈18;

(б) – Ar 0.2 атм, 0.8 нс, 10 Дж,1;

(с) – воздух 1атм, 0.8нс, 17 Дж, 2.5;

(d) – фрагмент кадра (с);

(e) – воздух 1атм, 20нс, 20 Дж, 5;

(f) – воздух 1 атм, 40 нс, 70 Дж, 7.5;

(g) – аргон 1 атм, 40 нс, 70 Дж, 7.5.

Итак, нитевидную лазерную искру можно получить, что в дальнейшем очень сильно может повлиять на улучшение качества лучевого клинка меча и упростить изготовление фокусирующего кристалла.
Ещё одним способом создания нитевидной лазерной искры является применение явления самофокусировки [8]. Оно основано на использовании нелинейных свойств среды, возникающих при сильном её нагревании. Излучатель большой мощности нагревает среду, и она расширяется (особенно когда жидкая или газообразная). При тепловом расширении, естественно, падает плотность, а значит, и коэффициент преломления. Казалось, вместо самофокусировки получается саморасфокусировка! Правда, если средой служит плазма, ее разрежение приведет к увеличению показателя преломления (так утверждают в источнике [8]). А в лазерной искре она как раз и образуется.

Теперь обратим внимание на стрикционные силы, возникающие при взаимодействии пространственно неоднородного электромагнитного поля (а таково оно в сечении лазерного луча) с частицами среды. Они тянут частицы в сторону большего поля, то есть внутрь луча, если это частицы диэлектрика, и, наоборот, выталкивают их — если это частицы плазмы. Значит, в обоих случаях открывается дорога к желаемому — увеличению показателя преломления среды (ведь он возрастает с уплотнением диэлектриков и разрежением плазмы).

Б
n1

n2

n1

n2

n3

а)

б)
ез углубления в математику этот пример можно проиллюстрировать более наглядно. Всем известно, что при прохождении из оптически менее плотной среды в более плотную луч пригибается к нормали (n12 рис.6,а). Этим обусловлено нелинейное прохождение световых лучей через земную атмосферу – в более высоких слоях она менее плотная (n123 рис.6,б). Такое отклонение и будет противодействовать дифракции, которая обычно стремится отклонить луч в направлении от оси.

В
Рис. 6. Ход луча
результате экспериментов и расчётов [8] были получены следующие закономерности. Диаметр луча не влияет на самофокусировку, зато очень много зависит от длины волны. Самофокусировки легче добиться при малых длинах волн и, само собой, в средах с резко выраженной нелинейностью. При увеличении мощности лазера фокус будет перемещаться к нему все ближе. Скорость такого движения может быть огромной, даже сверхсветовой, в чем тоже легко убедиться с помощью расчётов. Разумеется, это не парадокс, потому что движется не материальное тело, а только место встречи световых лучей. Поскольку размеры фокуса сравнимы с длиной волны, в столь ничтожном объеме плотность потока мощности возрастет в сотни миллионов раз, а значит, молекулы и атомы среды разрушатся, образуется плазма. Причём её образование гораздо более интенсивно, чем при простом сужении лазерного пучка и разогревании среды в этом месте.

П
Рис. 7. Формирование фокусов в зависимости от профиля интенсивности луча
ри гауссовом профиле интенсивности пучка формируется несколько фокусов. При увеличении мощности каждое новое ее приращение на величину Рк формирует свой, отдельный фокус, отстоящий от излучающей поверхности, так как лучи приходят от все более дальней периферии пучка. Отсюда ясно, что число фокусов К=Р/Рк, (рис. 7). При платообразном распределении интенсивности наблюдается самофокусировка в одну точку.
  1   2   3   4   5   6

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Курсовой проект тема проекта: “Портативный Лазерный Модуль ® ” Дисциплина: “Конструирование Оптических Приборов” iconМетодические указания к выполнению курсовой работы для студентов специальности 200500
Данная работа выполняется студентами в 5-м учебном семестре и является подготовительным этапом к выполнению курсового проекта по...

Курсовой проект тема проекта: “Портативный Лазерный Модуль ® ” Дисциплина: “Конструирование Оптических Приборов” iconКурсовой работы(проекта)
Тема курсовой работы(проекта): Проектирование транзитной тяговой подстанции переменного тока

Курсовой проект тема проекта: “Портативный Лазерный Модуль ® ” Дисциплина: “Конструирование Оптических Приборов” iconМетодические указания по выполнению курсового проекта для студентов...
Методические указания предназначены в помощь студентам, обучающихся по образовательным программ 210200 «Проектирование и технология...

Курсовой проект тема проекта: “Портативный Лазерный Модуль ® ” Дисциплина: “Конструирование Оптических Приборов” iconМетодические рекомендации по выполнению курсовой работы (курсового...
По специальности: 2-38 01 31 «Производство и техническая эксплуатация приборов и аппаратов»

Курсовой проект тема проекта: “Портативный Лазерный Модуль ® ” Дисциплина: “Конструирование Оптических Приборов” iconМетодические указания по выполнению курсового проекта. Программой дисциплины «Экономика отрасли»
Методические указания предназначены для оказания помощи студентам при выполнении курсового проекта по дисциплине «Экономика отрасли»...

Курсовой проект тема проекта: “Портативный Лазерный Модуль ® ” Дисциплина: “Конструирование Оптических Приборов” iconЗаконченный курсовой проект должен содержать
Курсовой проект является самостоятельной разработкой студента и предназначен для систематизации, закрепления и углубления знаний,...

Курсовой проект тема проекта: “Портативный Лазерный Модуль ® ” Дисциплина: “Конструирование Оптических Приборов” iconКурсовой проект по ремонту автомобилей Тема: «Проект сварочно-наплавочного...
Специальность: 190604 «Техническое обслуживание и ремонт автомобильного транспорта»

Курсовой проект тема проекта: “Портативный Лазерный Модуль ® ” Дисциплина: “Конструирование Оптических Приборов” iconМетодические указания по подготовке и выполнению курсовой работы...
Государственное образовательное учреждение среднего профессионального образования

Курсовой проект тема проекта: “Портативный Лазерный Модуль ® ” Дисциплина: “Конструирование Оптических Приборов” iconСтатья выполнена в рамках проекта «Конструирование социальных проблем:...
Статья выполнена в рамках проекта «Конструирование социальных проблем: социальная история, визуальный анализ, этнография», реализованного...

Курсовой проект тема проекта: “Портативный Лазерный Модуль ® ” Дисциплина: “Конструирование Оптических Приборов” iconНагайник Николай Александрович
Продажа товара и профессиональные консультации посетителей магазина, в области всех видов фототехники, всех видов студийного оборудования,...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
zadocs.ru
Главная страница

Разработка сайта — Веб студия Адаманов