1)Первые конструкции устройств для механизации вычислительного процесса были механические, и продержались лучшие из них до второй половины ХХ века. Это счеты, арифметические и логарифмические линейки, арифмометры. Известна, например, гигантская вычислительная работа, проведенная нашими физиками-теоретиками Владимиром Александровичем Фоком и Марией Ивановной Петрашень в 30-е годы по вычислению состояний атома водорода. Все вычисления делались ими на арифмометрах.
Все эти вычислительные устройства используются кое-где и до сих пор. Некоторые действия даже удобнее выполнять на логарифмической линейке, чем на калькуляторе: это вычисление пропорций, возведение в квадрат и куб, и некоторые другие.
1)Отличие вычислительной машины от вычислительного устройства состоит в том, что вычислительная машина в современном понимании этого слова сама следит за порядком выполнения операций, заданных ей программой. Понятие программы вычислений мы рассмотрим позже. При выполнении вычислений на счетах, калькуляторе, арифмометре и пр. мы сами следим, какое действие следует делать после какого, механизирован только процесс выполнения единичного действия. Вычислительные же машины сами следят за выполнением всего процесса вычисления, получив условие задачи и путь (алгоритм) ее решения.
1)Алгоритмические языки – средства программирования, несравненно более удобные для человека, чем программирование в кодах. Алгоритмический язык позволяет «общаться с машиной», т.е. предписывать ей, что надо сделать, совершенно не разбираясь в том, как машина работает и где какие числа она хранит. Он содержит очень ограниченное количество слов, которые имеют значения либо операторов, т.е. используются при составлении программ, либо команд, т.е. служат для непосредственного общения с машиной. Один из самых распространенных языков программирования – бейсик (Beginner’s All-purpose Symbolic Instruction Code – многоцелевой язык символических инструкций для начинающих).
1)Компьютер состоит из двух основных блоков – блока памяти, т.е. хранилища информации, и блока процессора, т.е. исполнителя действий с этой информацией.
Программа, по которой работает компьютер, и данные, которые обрабатываются этой программой, хранятся в памяти компьютера и по очереди передаются в процессор. Результаты выполнения операций передаются обратно в память. Таким образом, память и процессор при выполнении программы постоянно обмениваются информацией.
1)Любая информация оказывается представлена в компьютере совокупностью нулей и единиц. Так как любое число может быть представлено совокупностью только 0 и 1 в двоичной системе счисления, то последовательность 0 и 1, из которой состоит память машины, можно считать числом. Существует перевод чисел из десятичной системы счисления в двоичнуювнутреннее и наоборот, кот. осуществляется автоматически самой машиной. Набором нулей и единиц можно закодировать не только числовую информацию, но и нечисловую, например, буквы. Так, латинская буква А кодируется как 01000001, латинская буква В – как 01000010 и т.д. Таким образом, в памяти компьютера могут содержаться данные любой природы, закодированные набором чисел 0 и 1. Это позволяет решать на компьютере задачи не только числового характера, но и информационного, обработки текстов и пр. Причина, по которой для внутреннего представления чисел взята последовательность нулей и единиц, проста. В принципе можно было бы использовать для ячеек памяти не такие системы, которые имеют только 2 устойчивых состояния, а, скажем, такие, которые имеют их 10, и представлять числа прямо в десятичной системе. Но дело в том, что у двоичной системы есть одно гигантское преимущество – очень большая помехозащищенность. Как бы ни был искажен сигнал при передаче, отличить ситуацию, когда что-нибудь передается, от ситуации, когда не передается ничего, как правило легко, поэтому совокупность нулей (не передается ничего) и единиц (передается что-то) менее всего подвержена искажениям при передаче.
1)Память компьютера состоит обычно из двух частей: оперативного запоминающего устройства (ОЗУ) и внешних запоминающих устройств (ВЗУ). В ОЗУ находятся выполняемая программа и используемые этой программой данные. Там же получаются результаты решения задачи.
Когда машина выключается, все, что находилось в ОЗУ (программа, данные), пропадает, стирается. Внешние ЗУ могут хранить информацию долго и используются для долговременного хранения информации. К внешним ЗУ относятся магнитные диски небольшого объема памяти («дискетки», 1,44 Мб), магнитные диски, встраиваемые в машину и имеющие объем памяти несколько Гигабайт (т.н. «винчестеры», 2, 4 и 8 Гб), т.н. CD и DVD диски (660 Мб и от 4 до 18 Гб соответственно), диски с магнитооптическим позиционированием (200, 400 и 600 Мб соответственно) и пр. ОЗУ загружается информацией (данными для обработки, программой обработки этих данных и пр.), считываемой с внешних ЗУ после включения машины.
1) В каком бы виде ни существовали программы, в виде ли команд или в виде, написанном на алгоритмическом языке, они должны иметь некую логическую последовательность действий. Это т.н. алгоритм выполнения программы. В настоящее время при разработке алгоритмов пользуются т.н. структурным подходом. Структурный подход предполагает использование только нескольких основных структур, комбинация которых дает все многообразие алгоритмов и программ.
1)Доменная система имен представляет собой метод назначения имен путем возложения на разные группы пользователей ответственности за подмножества имен. Каждый уровень в этой системе называется доменом. Домены верхнего уровня были созданы, когда была изобретена доменная система. Изначально было шесть организационных доменов высшего уровня: Соm-Коммерч. Орг-ии, edu-Учебные заведения, gov-Правительств. учреждения (кроме военных), mil -Военные учреждения (армия, флот и пр.), org-Проч. Организации, net-Сетевые рес-ы. Когда Интернет стал международной сетью, возникла необходимость предоставить зарубежным странам возможность контроля за именами находящихся в них систем. Для этой цели был создан набор двухбуквенных доменов, которые соответствуют доменам высшего уровня для этих стран. Общее число кодов стран 300, компьютерные сети существуют примерно в 150 из них. Например, компьютерный адрес для России может выглядеть hockey.trud.ru либо hockey.trud.su.Коды некоторых стран следующие:GE — Грузия, DE — Германия, HU — Венгрия, IT — Италия, IL — Израиль, JP — Япония, FR — Франция, CA — Канада и прочее.
1) Циклы. Это очень существенный элемент алгоритма решения, написанного именно для машины. Быстродействие машины приводит к тому что выполнение цикла оказывается оптимальным способом решения той или иной задачи.
Цикл «До». Применяется при необходимости выполнить какие-либо вычисления несколько раз, до выполнения некоторого условия. Особенность этого цикла в том, что он всегда выполняется хотя бы один раз, так как первая проверка условия выхода из цикла происходит после того, как тело цикла выполнено. «Тело цикла» — та последовательность действий, которая выполняется многократно в (цикле). «Начальные присвоения» – задание начальных значений тем переменным, которые используются в теле цикла. Цикл «Пока». Этот цикл отличается от цикла «До» тем, что проверка условия проводится до выполнения тела цикла, и если при первой проверке условие выхода из цикла выполняется, то тело цикла не выполняется ни разу.
На естественном языке циклу «Пока» соответствует последовательность операторов:
1) Интернет начинался, подобно большинству современных технологий, как военная программа, направленная на повышение устойчивости системы обороны США. После запуска первого советского искусственного спутника Земли стало ясно, что ядерный удар может быть нанесен и по США. Тогда знаменитый мозговой центр времен холодной войны, RAND Corporation, был поставлен перед сложной стратегической проблемой управления страной во время и после ядерной войны.
Стране, которая могла испытать ядерный удар, нужна была надежная сеть передачи данных, исправно функционирующая и при потере значительной части оборудования этой самой сети. В 1964 г. RAND опубликовала свои предложения, которые заключались в том, что: -сеть не должна быть централизованной (централизованную систему легко поразить, поразив центр),
-сеть должна состоять из отдельных независимых узлов, каждый из которых в состоянии реализовать передачу сообщений.
1)Интернет — Это совокупность сетей, которые могут взаимодействовать с помощью протокола IP, Internet Protocol (Слово “Protocol” означает условия договора или соглашения, фиксированные нормы поведения, а слово Internet – «между сетями»). В качестве простейшей аналогии приведем телефонную связь, которая тоже представляет собой совокупность сетей, взаимодействующих с помощью общих правил набора номера. В последнее время присоединяются к Интернету и сети, которые не используют IP, и тогда устройства для подключения таких сетей называются шлюзами. Межсетевой протокол IP, Internet Protocol отвечает за адресацию.
Одно из достоинств Интернета состоит в том, что для работы на простейшем уровне вам достаточно только межсетевого протокола, т.е. IP. Поскольку ваши данные помещаются в IP-конверт, то сеть имеет всю информацию, необходимую, чтобы переместить ваш пакет из вашего компьютера в пункт назначения. Однако, при этом возникает несколько проблем:
бывает, что объем пересылаемой информации больше 1500 символов.
при передаче может произойти ошибка. Пакеты могут потеряться или повредиться при передаче.
может быть нарушена последовательность доставки пакетов.
Поэтому следующий уровень сети дает возможность пересылать более крупные порции информации и позаботиться об устранении тех искажений, которые вносит сама сеть.
Для решения упомянутых проблем используется «Протокол управления передачей» (Transmission Control Protocol, TCP), который часто упоминается вместе с протоколом IP. Как следовало бы поступить в случае, если бы вам надо было переслать кому-нибудь книгу, а почта принимает только письма? Пришлось бы разделить книгу на отдельные страницы, вложить каждую в отдельный конверт и бросить все конверты в почтовый ящик. Получателю пришлось бы собирать все страницы (при условии, что ни одно письмо не пропало) и склеивать обратно в книгу. Вот эти задачи и выполняет ТСР.
Информацию, которую вы хотите передать, ТСР разбивает на порции. Каждая порция нумеруется, чтобы можно было проверить, вся ли информация получена, и чтобы расположить данные в правильном порядке, присвоив каждой порции номер. Для передачи по сети этого порядкового номера у протокола есть свой собственный «конверт», на котором «написана» необходимая информация. Порция данных для передачи помещается в конверт ТСР. Конверт ТСР, в свою очередь, помещается в конверт IP и передается в сеть.
На принимающей стороне программное обеспечение протокола ТСР собирает конверты, извлекает из них данные и располагает их в правильном порядке. Если каких-нибудь конвертов не хватает, программа просит отправителя передать их еще раз. После размещения всей информации в правильном порядке эти данные передаются той прикладной программе, которая использует услуги ТСР.
1) Доменная система имен представляет собой метод назначения имен путем возложения на разные группы пользователей ответственности за подмножества имен. Каждый уровень в этой системе называется доменом. Домены отделяются один от другого точками.
В имени может быть любое число доменов, но более пяти встречается редко. Каждый последующий домен в имени больше предыдущего, т.е. принцип написания адреса соответствует западной манере писания адресов на письмах – сначала имя человека, потом номер дома, потом улица и т.д… Например, в имени ux.cso.uiuc.edu элемент ux — имя реального компьютера с IP –адресом. Имя этого компьютера создано и курируется группой cso, которая есть имя отдела, в котором стоит компьютер. Отдел cso является отделом университета с адресом uiuc. Наконец, этот университет входит в группу учебных заведений (edu). Таким образом, домен edu включает в себя все компьютеры учебных заведений, домен uiuc.edu — все компьютеры университета и пр.
Каждая группа может создавать и изменять только те имена, которые находятся под ее контролем. Если uiuc решит создать новую группу и назвать ее ncsa, она может ни у кого не спрашивать разрешения. Все, что нужно сделать – это добавить новое имя в свою часть всемирной базы данных, и это имя станет доступным тем, кому оно известно (ncsa.uiuc.edu). Аналогичным образом, cso может купить новый компьютер, присвоить ему имя и включить в сеть, не спрашивая ни у кого разрешения. При соблюдении этих правил и обеспечении уникальности имен никакие две системы в Интернет не будут иметь одинакового имени. К примеру, могут быть два разных компьютера с одинаковыми именами, но лишь при условии, что они будут находиться в разных доменах (например, fred.cso.uiuc.edu и fred.ora.com).
1)Распределенная гипертекстовая информационная система World Wide Web (WWW) — одно из сравнительно недавних достижений Интернета. Темпы развития этого сервиса очень велики. WWW предоставляет удобный доступ к большинству информационных архивов Интернет. Особенностью системы является механизм гипертекстовых ссылок, который позволяет просматривать материалы в произвольном порядке, выбираемом пользователем. Пользователю необходимо поставить курсор манипулятора «мышь» на нужное ему слово или понятие и нажать на клавишу мыши, и он окажется перенесен в материал, касающийся этого слова или понятия. В WWW существует множество разного рода каталогов, что позволяет ориентироваться в сети. С помощью WWW можно даже смотреть фильмы. World Wide Web можно представить как большую библиотеку Internet. «Узлы» Web подобны книгам из этой библиотеки, а «страницы» Web подобны страницам этих книг. Собрание страниц называется узлом. Обычно путешествие по Web начинается с определенного узла. «Начальная страница» представляет собой исходную точку для узла. Нечто подобное обложке или содержанию книги. Каждая страница, включая начальную страницу узла, имеет уникальный адрес в формате URL (Universal Resource Locator). (Адрес URL данной страницы «home.microsoft.com/intl/ru/tutorial/surfing1.htm.» ) «Средство просмотра» — это программное средство, используемое для просмотра страниц Web. Если мы наберем этот адрес на компьютере и эта информация появится на экране, то это и будет средство просмотра.
1)Прикладная программа удаленного доступа используется в том случае, когда вам нужно заглянуть в содержимое другого компьютера, находящегося, возможно, в другом городе или в другой стране. Когда связь с этим компьютером устанавливается, вы работаете с ним так, как будто ваша клавиатура подключена непосредственно к удаленному компьютеру. Можно пользоваться всеми средствами, которые удаленный компьютер предоставляет своим локальным терминалам, проводить обычный диалоговый сеанс, или просматривать библиотечные каталоги, читать журналы и газеты и прочее.
Для работы в системе удаленного доступа используется протокол TELNET. Этот протокол работает следующим образом. Прикладная программа состоит из двух взаимодействующих между собой компонентов: программы–клиента, которая выполняется на вашем компьютере, который просит соединения с удаленным компьютером, и программы–сервера, которая выполняется на удаленном компьютере, соединяющемся с вами, чтобы дать вам ту информацию, которую вы от него просите. Эти программные модули взаимодействуют между собой с помощью сети, в которую соединены оба компьютера, с использованием средств протоколов IP и ТСР.
Программа–клиент должна:
установить сетевое соединение с сервером посредством протокола ТСР,
принять входные данные, которые вы передадите в любой удобной для вас форме,
преобразовать эти входные данные к стандартному формату и послать их серверу на удаленном компьютере.
принять от сервера выходные данные в стандартном формате и
переформатировать полученные выходные данные для отображения на экране вашего компьютера.
Программа-сервер:
— сообщает программному обеспечению сети, что она готова к осуществлению необходимых соединений,
ожидает запроса в стандартном формате,
обслуживает этот запрос,
результаты обслуживания посылает программе-клиенту в стандартном формате,
ожидает следующий запрос.
Прикладной протокол позволяет программе-серверу и программе-клиенту отличать, какие сигналы предназначены для пользователя, а какие служат просто для связи этих программ друг с другом. Например, если программа-сервер посылает программе-клиенту строку, в начале которой стоят символы «TXT», то остальную часть строки составляет сообщение, которое должно выводиться на ваш экран. Если же строка начинается с символов «CMD», то она является сообщением, которое программа-сервер шлет программе-клиенту.
2) Лазер представляет собой новый физический прибор, излучатель света, созданный на основе принципов, который были известны давно. Можно выделить ТРИ основных физических фактора, на которых основано действие лазеров:
1)Вынужденное излучение
2)Инверсная населенность энергетических уровней, ответственных за лазерные переходы
3)Формирование светового лазерного пучка в оптическом резонаторе.
Все эти три фактора были известны задолго до появления лазеров. Существование вынужденного излучения было показано Эйнштейном в начале века и обнаружено экспериментально русским физиком В.А.Фабрикантом в 1940 году (однако, он рассматривал это явление как интересный, но мало применимый на практике феномен). Возможность создания инверсной населенности в принципе рассматривалась как реализация состояния с формально отрицательной температурой, а два поставленных параллельно зеркала с наблюдателем между ними — простейший оптический резонатор — издавна использовались для гадания.
1) Электронная почта отличается от других приложений тем, что передающий и принимающий компьютеры не должны взаимодействовать друг с другом непосредственно. Электронная почта – это служба «с промежуточным накоплением». Почта передается от одного компьютера к другому, пока, наконец, не попадет в компьютер получателя. В этом смысле она вполне аналогична обычной почте: письма передаются из пункта в пункт, пока не достигнут адресата. Отправитель и получатель сообщения могут находиться в разных сетях, и тогда сообщения, передаваемые по электронной почте из одной сети в другую, должны пройти «входные ворота» или «согласующий трансформатор» между сетями, т.е. специальные компьютеры, называемые прикладными шлюзами.
Адреса электронной почты обычно строятся следующим образом. Сначала пишется имя пользователя («пользовательское имя» — т.е. совсем не обязательно ваше настоящее имя или фамилия, а то обозначение для себя, которое вам нравится), потом ставится значок @, а потом указывается имя домена. В России обычными являются указания на город и страну.
С помощью электронной почты можно пересылать файлы, и в этом случае не надо пользоваться программой ftp. Можно присоединить файл к посланию как отдельный объект, и он придет к вам как часть этого послания. Можно пересылать таким образом движущиеся изображения и звук. Эти возможности предоставляются сравнительно новым стандартом, называемым MIME (Multi-purpose Internet Mail Extensions – многоцелевые расширения электронной почты для Интернета). Этот новый стандарт, после своего принятия, стал существенным образом влиять на информационные технологии Интернета, так как он предоставляет очень широкие возможности по пересылке информации.
2)Полупроводниковые лазеры — в настоящее время наиболее широко распространенные лазеры, применяются для чтения компакт-дисков в компьютерах и звукоснимателях, в лазерных принтерах и в множестве других приборов. Строго говоря, полупроводниковые лазеры — это тоже лазеры с электрической накачкой, т.е. энергию возбуждения они тоже черпают из электрического поля. Однако процесс создания инверсной населенности у них протекает совершенно по другому, путем приложения к p-n переходу электрического поля в пропускном направлении, и мы поговорим о нем позже. Размеры полупроводниковых лазеров не превышают нескольких миллиметров.
1) GPS – Global Position System, тот же, который используется в ориентации по маякам. Вместо маяков используются специально запущенные спутники, место которых хоть и меняется постоянно, но в любой момент времени точно известно, и о своем месте в данный момент каждый спутник сам и сообщает. Таких спутников 24 штуки, они летают по 6 орбитам так, чтобы охватить весь земной шар, и высота орбит около 17 000 км. Скорость спутников около 3 км/сек. Таким образом, каждый спутник за сутки облетает вокруг Земли два с небольшим раза. Эта система известна также и под другим названием: NAVSTAR. Два слова о самих спутниках. Первый из них был запущен в феврале 1978 г. Каждый спутник весит около тонны (больше 900 кг) и с раскрытыми солнечными батареями имеет размер около 5 метров. Мощность радиопередатчика такого спутника около 50 Вт. Каждый спутник передает сигналы на 3 частотах. Гражданские GPS-приемники используют частоту L1, равную 1575,42 МГц. Каждый спутник рассчитан на работу примерно в течение 10 лет. Новые спутники изготавливаются и запускаются на орбиту по мере необходимости. Работа всей системы запланирована и профинансирована минимум до 2006 года. Орбиты спутников располагаются примерно между 60 градусами северной и южной широты. Этим достигается то, что сигнал хотя бы от некоторых спутников может приниматься повсеместно в любое время. Поскольку наибольшая точность определения координат достигается при положении спутника прямо над головой, то на полюсах точность определения координат будет не оптимальной, однако она будет лишь немного меньше точности, достигаемой в средних широтах.При выборе рабочей частоты GPS-приемников существенным фактором было требование всепогодности этих систем. Их сигналы проникают сквозь облака и небольшую толщу воды (при дожде), кроме того, существенно, что они проходят сквозь нетолстый слой стекла, так что они могут работать в автомобилях и самолетах даже без наружной антенны. Сигнал, передаваемый спутником, состоит из трех частей, называемых 1) псевдослучайный код (PRN, pseudo-random code), 2)эфимерис (ephimeris) и 3) альманах (almanach). Первая часть – псевдослучайный код – служит для идентификации передающего спутника. Он передает свой номер псевдослучайным кодом, а не попросту, для того, чтобы не спутать его с переотраженными от Земли сигналами. Все спутники пронумерованы от 1 до 32, и этот номер показывается на экране GPS-приемника во время его работы. Некоторый запас в числе номеров спутников позволяет выводить на орбиты новые спутники, не заботясь об удалении старых. Данные, содержащиеся в эфимерисе, постоянно передаваемом каждым спутником, содержат информацию о том, в рабочем или нерабочем состоянии находится спутник, информацию о текущей дате и времени. Именно эта часть сигнала крайне важна для определения местоположения. Данные альманаха содержат сведения о том, где в течение дня будут находиться все GPS спутники. Каждый из них передает свой альманах, т.е. сведения о параметрах своей орбиты и сведения об орбитах всех других спутников.Стало быть, каждый спутник передает следующие сведения: «Я – спутник №Х, сейчас мое положение Y, это сообщение было послано во время Z». Конечно, это упрощенное изложение содержания передаваемой спутником информации, но в принципе он передает именно это.
GPS – приемник получает это сообщение и запоминает эфимерис и альманах для точного определения координат. Эта же информация используется для установки или коррекции часов приемника. Спутники имеют на борту квантовые стандарты частоты, поэтому они передают время с очень высокой точностью, не хуже 10-7 сек. Время запаздывания сигнала, принимаемого приемником, позволяет определить расстояние от приемника до спутника. Если приемник принимает сигналы одновременно от нескольких спутников, то, так же, как и в случае маяков, он может по вложенной программе рассчитать свое положение. Если одновременно принимаются сигналы от трех спутников, то можно определить широту и долготу, если же сигналы принимаются от 4 и более спутников, то приемник определяет свое положение в трехмерном пространстве, т.е. широту, долготу и высоту. Следя за изменениями собственного положения, приемник рассчитывает скорость своего перемещения и его курс.
1) Поисковые инструменты первого типа называют чаще всего предметными или тематическими каталогами. Организация, владеющая такими каталогами, непрерывно ведет огромную работу, описывая и систематизируя содержимое WWW серверов и других сетевых ресурсов, разбросанных по всему миру. В результате создан и непрерывно обновляется иерархический, древовидный каталог, на верхнем уровне которого собраны самые общие категории, такие, как «бизнес», «наука», «искусство» и пр., а элементы самого низкого уровня представляют собой ссылки на отдельные WWW –страницы и серверы вместе с кратким описанием их содержимого.
1) Команды «+» и «-» позволяют принудительно добавлять или исключать какие-либо слова из текста запроса. Слово, помеченное знаком «+», должно обязательно присутствовать в искомом документе, а помеченное символом «-» — обязательно отсутствовать. Например, если вы хотите найти объявления о продаже недорогих автомобилей марки «Жигули», запрос можно сформулировать так: продам жигули +недорого Поисковая система будет искать все сообщения о продаже автомобилей этой марки, в тексте которых встречается слово «недорого».У вас может возникнуть также необходимость разыскать в Интернете информацию о процессорах Intel Pentium IV, но вы хотели бы исключить из результатов поиска сообщения об их продаже и рекламу компьютерных магазинов. В этом случае запрос следует сформулировать так: процессор Intel Pentium IV -компьютерный -магазин –продажа. Оператор «логическое И», обозначающийся знаком «ампресанд» (&), позволяет перечислять слова, которые должны встречаться в пределах одного предложения искомого документа. Например, запрос коммерческое & предложение заставит поисковую систему искать документы, включающие предложения, содержащие оба этих слова. Следует отметить, что в файл отчета могут попасть данные с различной степенью релевантности, то есть в результирующем списке вы сможете найти как документы, в тексте которых присутствует фраза «наше коммерческое предложение действительно до 31 декабря», так и фраза «Оценив коммерческое положение своей семьи и размер предлагаемого приданого, он сделал ей предложение». Учтите, что степень релевантности с точки зрения поискового механизма тем выше, чем ближе стоят искомые слова друг к другу в обнаруженной фразе и чем меньше между ними встречается других слов. Поэтому ссылки на документы, содержащие выражения, подобные первому, будут размещены в начале файла отчета, а подобные второму — в его конце.Оператор «логическое ИЛИ», обозначающийся символом «|», позволяет искать документы, в тексте которых содержится только одно из перечисленных слов. Например, по запросу рисунок | изображение | иллюстрация будут найдены файлы, в которых встречается либо слово «рисунок», либо слово «изображение», либо слово «иллюстрация».Символ «тильда» (~), как правило, описывает действие, аналогичное действию знака «-», то есть исключает из искомого документа отмеченные подобным образом слова. То есть в ответ на запроспрограммное обеспечение ~цена поисковая система выдаст пользователю список документов, в которых встречается словосочетание «программное обеспечение», но нет слова «цена».Удвоение какой-либо команды означает, что данное условие необходимо применять не к одному предложению, а ко всему документу в целом. Например, запрос столица Франции ~~ турфирма
2)Собственно накачка, т.е. процесс перевода среды в состояние с инверсией населенности рабочих уровней, естественно, требует энергии. Эта энергия может подводиться в виде интенсивного света (оптическая накачка), в виде энергии электрического поля (электрическая накачка), в виде энергии химической реакции (химическая накачка) и пр. Подводимая в той или иной форме энергия осуществляет энергетические переходы атомов из состояния 1 в состояние 2 .
Оптическая накачка технически осуществляется обычно с помощью ярких источников света — импульсных ламп, световой поток от которых достаточно мощен, чтобы осуществить инверсию населенностей. Однако, спектр излучения импульсных ламп, как правило, плохо согласуется со спектром накачки. Спектр накачки, т.е. диапазон длин волн, внутри которого происходит эффективная передача энергии возбужденному состоянию атома (иными словами, диапазон длин волн, внутри которого происходят переходы 1/>), обычно гораздо более узкий, чем спектр излучения интенсивных источников света, в частности — импульсных ламп, поэтому много энергии накачки тратится бесполезно, на нагрев.
Активная среда может быть твердым телом, жидкостью либо газом. Соответственно, лазеры называются твердотельными, жидкостными/>либо газовыми. Бывают ситуации, когда один и тот же излучающий атом или ион может находиться в разных средах. Например, редкоземельный ион неодима Nd3+ оказывается прекрасным активатором и в стекле, и в кристаллах, и в жидкостях. Чтобы лучше представлять себе, что такое лазер с той или иной накачкой, рассмотрим конструктивные особенности лазеров, у которых накачка осуществляется подводом разных видов энергии.
2) Пусть мы имеем изолированный атом с двумя энергетическими уровнями — верхним и нижним. Вы знаете, что принято так обозначать энергетическое состояние атома. По оси ординат отложена энергия, а не пространственная координата. Это не имеется в виду, что какой-то электрон перешел с одной орбиты на другую. Вы можете так думать, если это проще, но рисунок этот имеет в виду только то, что атом может находиться либо в состоянии с меньшей энергией (нижний уровень), либо в состоянии с большей (верхний уровень). Пусть атом находится в нижнем энергетическом состоянии Е1. Если это его основное состояние, то атом будет находиться на нем до тех пор, пока на него не подействует какое-либо внешнее возмущение в виде падающей на него электромагнитной волны. Тогда он может перейти в более высокое энергетическое состояние Е2 путем поглощения порции энергии, равной разности именно этих энергетических уровней Е2 — Е1. Величина энергии связывается с основной характеристикой электромагнитной волны — частотой колебаний - через формулу, выведенную в начале века М.Планком: Е2 — Е1 = h
где h — постоянная Планка, h= 6.62*10-34 Дж*сек.
Математически процесс поглощения можно описать с помощью уравнения: dN1/ dt = — W12N1,
где N1 — число атомов в единице объема, которые в данный момент времени находятся на уровне 1; (dN1 / dt) — скорость перехода с уровня 1 на уровень 2, а W12 носит название вероятности поглощения. Таким образом, смысл этого уравнения в том, что скорость убывания атомов с уровня 1 пропорциональна их концентрации на этом уровне. Коэффициент пропорциональности, величина W12, как легко видеть из уравнения, введена таким образом, что имеет размерность (время)-1, т.е. размерность физической вероятности (напоминаю, что математическая вероятность — величина безразмерная). Обратная величина — (1/ W12)- трактуется обычно как среднее время жизни.
Однако можно представить себе падающую электромагнитную волну как совокупность фотонов, и тогда процесс взаимодействия фотонов с атомами должен зависеть от концентрации частиц обоих сортов, как атомов, так и фотонов. Иными словами, коэффициент пропорциональности W12 должен зависеть от интенсивности падающей электромагнитной волны.
Специально хочу обратить ваше внимание на то, что описания электромагнитного излучения как волны либо как потока фотонов совершенно равноценны, одинаково правильны, поэтому в зависимости от удобства рассмотрения конкретной задачи можно пользоваться тем либо другим способами (кроме некоторых особых случаев).
Возвращаясь к коэффициенту W12, на основании сказанного о его зависимости от интенсивности падающей электромагнитной волны его целесообразно представить в виде
W12 = 12 F,
где F — плотность потока фотонов в падающей волне, а величина 12, имеющая размерность площади, называется поперечным сечением поглощения и зависит только от конкретного энергетического перехода.
Посмотрим теперь, что может произойти с ансамблем атомов, поглотивших электромагнитную энергию и потому перешедших из нижнего в верхнее возбужденное состояние. Опыт показывает, что как правило атом не живет в возбужденном состоянии вечно, а переходит в нижнее состояние. (Если прямой переход с верхнего уровня в нижнее энергетическое состояние запрещен, про такой уровень говорят, что он метастабилен). Очевидно, как и в рассмотренном нами ранее случае, скорость уменьшения числа возбужденных атомов будет пропорциональна их наличному числу
dN2 / dt = — А21N2,
однако, в отличие от предыдущего случая, атомы не испытывают никакого внешнего воздействия, и переходят из возбужденного состояния в основное сами по себе, спонтанно. В соответствии с этим коэффициент А21 носит название вероятности спонтанного излучения. Величина, обратная ему, называется спонтанным временем жизни.
В отличие от случая поглощения света атомами, рассмотренного нами ранее, здесь у нас нет оснований подозревать, что коэффициент пропорциональности А21 зависит от каких-нибудь внешних условий, кроме характеристик самого перехода. Возбужденное состояние атома распадаетсясамо по себе, без участия внешних воздействий.
А.Эйнштейн, занимаясь проблемами излучения в начале века, показал, что наряду со спонтанным излучением должен существовать процесс излучения, симметричный процессу поглощения, — т.н. процесс вынужденного излучения. Он описывается вполне аналогично процессу поглощения:
(dN2/dt)вынужд = — W21N2,
где (dN2/dt)вынужд — скорость перехода 2 — 1 за счет вынужденного излучения, а W21 — вероятность вынужденного перехода. Как и в случае поглощения, можно написать W21 = 21 F, где 21 — сечение вынужденного излучения.
Эйнштейн показал, что имеет место равенство: 21 12
т.е. что сечения вынужденных процессов одного перехода не зависят от того, в какую сторону процесс идет.
Существенное (и крайне важное) отличие вынужденного излучения от излучения спонтанного состоит в двух вещах:
1) Темп спонтанного излучения определяется только природой перехода и от внешних условий не зависит, а темп вынужденного излучения тем больше, чем больше интенсивность вынуждающего потока F. Увеличивая ее, можно получать сколь угодно большую величину вероятности перехода и, соответственно, интенсивности вынужденного излучения.
2) Фотон, испущенный в результате вынужденного перехода, принципиально неотличим от “вынудившего” фотона. Он имеет строго ту же частоту, то же направление распространения, ту же фазу и ту же поляризацию, т.е. это фотон — “близнец”.
2)Населенностью некоторого уровня называется число атомов в единице объема, находящихся на этом уровне. (Введенные нами ранее величины N1 и N2 — это населенности уровней 1 и 2.)
Рассмотрим в какой-либо среде два произвольных энергетических уровня 1 и 2 с населенностями N1 и N2. Пусть в этой среде в направлении оси Z распространяется плоская волна с интенсивностью, соответствующей плотности потока фотонов F. Тогда, в соответствии с ранее написанными формулами, изменение плотности потока dF, обусловленное процессами поглощения и вынужденного излучения, в слое dZ (см. рис), определяется уравнением
dF = (dN/dt) dz= F21 N2dz — F12 N1dz = F (21 N2 — 12 N1)dz
и отсюда: dF = F(N2 — N1)dZ
(Типичное значение величины А21 для разрешенных переходов составляет 108 1/сек, т.е. время жизни в возбужденном состоянии для спонтанного излучения сек, а для запрещенных переходов больше. Время же жизни для вынужденных переходов существенно меньше, поэтому процессы спонтанного излучения мы здесь и не рассматриваем — существенной роли в балансе они не играют, вынужденные процессы текут значительно быстрее. Однако, роль спонтанных переходов — в инициировании процесса: в лазерном генераторе первые фотоны излучаются спонтанно — неоткуда взять вынуждающее излучение.)
В обычных условиях подавляющее большинство атомов находится на нижнем энергетическом уровне, т.е. N1 >> N2, и уравнение (7) описывает обычную поглощающую среду. Как известно, при термодинамическом равновесии населенности энергетических уровней описываются статистикой Больцмана. Так, если N1е и N2е — населенности двух уровней при термодинамическом равновесии, то их соотношение равно:
(8)
где k — постоянная Больцмана (1,38*10-23 Дж/К), а Т — абсолютная температура среды. (1 эв = 1,6*10-19 Дж). Т.о. в случае термодинамического равновесия получается N1 >> N2. Поэтому, действительно, в состоянии термодинамического равновесия при температуре, близкой к комнатной, все среды поглощают свет. Однако, если удастся достичь неравновесного состояния, при котором N12, такая среда начинает действовать как усилитель.
Когда ситуация с N2 > N1 реализуется, то говорят, что в среде существует инверсия населенностей, имея в виду, что населенности верхнего и нижнего уровней инвертированы. Среду, в которой создана либо может быть создана инверсия населенностей, называют активной средой.
Фотон, испущенный спонтанно в среде с инверсией населенности, при своем движении сквозь эту среду будет вызывать вынужденные переходы, и излучение из такой среды будет обладать некоторыми характерными свойствами: большей направленностью, большей монохроматичностью, чем спонтанное. Такое излучение, отличающееся от лазерного тем, что оно получается без обратной связи — без возвращения его части обратно в активную среду, — называется суперлюминесценцией.
Способы создания инверсной населенности мы рассмотрим позже, однако следует сказать, что простым повышением температуры невозможно достичь инверсной населенности. Из формулы (8) видно, что даже если температуру приравнять бесконечно большой величине, то показатель степени будет равен нулю, и отношение населенностей верхнего и нижнего уровней станет равным единице, т.е. населенности всех уровней выровняются. Этого условия достаточно, чтобы среда перестала поглощать — свет будет проходить сквозь нее, не меняясь по интенсивности, поскольку число переходов с поглощением фотона будет равно числу переходов с его рождением. Условие же усиления света требует преобладания числа переходов с рождением фотона над числом переходов с его потерей.
Формально для инвертирования населенностей в формуле (8) должна стоять отрицательная температура, и этот термин — “отрицательная температура” — использовался в первые годы существования лазеров для обозначения инверсной населенности, однако, в связи с отсутствием в нем физического содержания, он перестал употребляться.
Если частота перехода попадает в СВЧ-диапазон, то соответствующий прибор, использующий упомянутые эффекты для генерирования излучения, называют мазером (microwave amplification by stimulated emission of radiation), а если в оптический диапазон — то лазером (light....). Предполагаемые аналогичные устройства в рентгеновском или гамма диапазонах тоже называют лазерами.
2)В обычных условиях подавляющее большинство атомов находится на нижнем энергетическом уровне, т.е. N1 >> N2, и уравнение (7) описывает обычную поглощающую среду. Как известно, при термодинамическом равновесии населенности энергетических уровней описываются статистикой Больцмана. Так, если N1е и N2е — населенности двух уровней при термодинамическом равновесии, то их соотношение равно
/>(8), где k — постоянная Больцмана (1,38*10-23 Дж/К), а Т — абсолютная температура среды. (1 эв = 1,6*10-19 Дж). Т.о. в случае термодинамического равновесия получается N1 >> N2. Поэтому, действительно, в состоянии термодинамического равновесия при температуре, близкой к комнатной, все среды поглощают свет. Однако, если удастся достичь неравновесного состояния, при котором N12, такая среда начинает действовать как усилитель.
Когда ситуация с N2 > N1 реализуется, то говорят, что в среде существует инверсия населенностей, имея в виду, что населенности верхнего и нижнего уровней инвертированы. Среду, в которой создана либо может быть создана инверсия населенностей, называют активной средой.
Фотон, испущенный спонтанно в среде с инверсией населенности, при своем движении сквозь эту среду будет вызывать вынужденные переходы, и излучение из такой среды будет обладать некоторыми характерными свойствами: большей направленностью, большей монохроматичностью, чем спонтанное. Такое излучение, отличающееся от лазерного тем, что оно получается без обратной связи — без возвращения его части обратно в активную среду, — называется суперлюминесценцией.
Способы создания инверсной населенности мы рассмотрим позже, однако следует сказать, что простым повышением температуры невозможно достичь инверсной населенности. Из формулы (8) видно, что даже если температуру приравнять бесконечно большой величине, то показатель степени будет равен нулю, и отношение населенностей верхнего и нижнего уровней станет равным единице, т.е. населенности всех уровней выровняются. Этого условия достаточно, чтобы среда перестала поглощать — свет будет проходить сквозь нее, не меняясь по интенсивности, поскольку число переходов с поглощением фотона будет равно числу переходов с его рождением. Условие же усиления света требует преобладания числа переходов с рождением фотона над числом переходов с его потерей.
Формально для инвертирования населенностей в формуле (8) должна стоять отрицательная температура, и этот термин — “отрицательная температура” — использовался в первые годы существования лазеров для обозначения инверсной населенности, однако, в связи с отсутствием в нем физического содержания, он перестал употребляться.
Если частота перехода попадает в СВЧ-диапазон, то соответствующий прибор, использующий упомянутые эффекты для генерирования излучения, называют мазером (microwave amplification by stimulated emission of radiation), а если в оптический диапазон — то лазером (light....). Предполагаемые аналогичные устройства в рентгеновском или гамма диапазонах тоже называют лазерами.
2) Рассмотрим очень бегло те факторы, которые действуют при падении лазерного излучения на преграду, в зависимости от материала преграды.
При взаимодействии излучения с поверхностью среды оно частично отражается, а частично проникает внутрь материала, поглощается в нем и, как правило, достаточно быстро переходит в тепло. В этом случае изменение плотности светового потока по глубине описывается законом Бугера:
/>, где />q0– плотность светового потока, падающего на поверхность материала, А – поглощательная способность материала, /> — линейный показатель поглощения.
Этот закон – основной закон линейного взаимодействия света с веществом, и поэтому очень существенно понимать его правильно.
Вывод закона:
Рассмотрим прохождение пучка параллельных лучей через вещество. Выделим в этом веществе бесконечно тонкий слой dl, перпендикулярный направлению распространения света. Световой поток Ф, пройдя этот слой, уменьшится на величину -dФ. Естественно предположить, что эта величина -dФ будет пропорциональна самой плотности потока Ф и толщине слоя dl:
/>
Коэффициент k характеризует свойства вещества, и его постоянство показывает, что в каждом слое поглощается одна и та же доля потока, дошедшего до слоя.
Чтобы получить из этого выражения закон убывания интенсивности света с глубиной, перепишем его в виде
/>
Теперь проинтегрируем его от 0 до l:
/>отсюда />или />
Этот закон описывает характер убывания света по глубине в поглощающей среде. Применительно к взаимодействию лазерного излучения с веществом его обычно пишут в том виде, в котором мы написали его в начале:
/>
В этом законе величины А (поглощательной способности) и />(показателя поглощения) принимают очень разные значения для различных материалов. Механизмы поглощения света и перехода его в тепло тоже могут сильно различаться для разных материалов. В науке о лазерном взаимодействии оперируют обычно не потоком квантов Ф, а плотностью мощности этого потока на поверхности q.
В металлах кванты света – фотоны – поглощаются в основном электронами проводимости, которые рассеивают поглощенную энергию на тепловых колебаниях решетки за время релаксации 10-10 – 10-11 сек. Проникновение лазерного излучения в толщину металла происходит обычно до глубин 10-5 – 10-6 см, т.е. 100 А – 1000 А.
2)Лазер с оптической накачкой представляет собой замкнутый объем, окруженный зеркальными стенками, внутри которых расположены одна или несколько импульсных ламп и как правило одно активное тело — излучающий стержень. Этот стержень может быть из стекла или кристалла, а может быть кюветой с жидкостью. Типичные размеры такого устройства — от 10 сантиметров до 1 метра.
2)Полупроводниковые лазеры — в настоящее время наиболее широко распространенные лазеры, применяются для чтения компакт-дисков в компьютерах и звукоснимателях, в лазерных принтерах и в множестве других приборов. Строго говоря, полупроводниковые лазеры — это тоже лазеры с электрической накачкой, т.е. энергию возбуждения они тоже черпают из электрического поля. Однако процесс создания инверсной населенности у них протекает совершенно по другому, путем приложения к p-n переходу электрического поля в пропускном направлении, и мы поговорим о нем позже. Размеры полупроводниковых лазеров не превышают нескольких миллиметров.
2)Резонаторы
Таким образом, мы знаем, как получить усиление света. Однако, для превращения усилителя в генератор (не только в лазерах) необходимо ввести подходящую положительную обратную связь. Это достигается помещением активной среды в оптический резонатор. В оптическом диапазоне для лазеров применяют т.н. открытые резонаторы, представляющие собой два зеркала с оптическими поверхностями той или иной формы, стоящие перпендикулярно к оптической оси лазера (резонатор [интерферометр] Фабри-Перо). В простейшем случае — это два плоских зеркала с диаметром, большим диаметра активного тела, из которых одно отражает 100% падающего на него света (т.н.“глухое” зеркало), а другое, в зависимости от коэффициента усиления среды, от 4% и выше (т.н. «выходное» зеркало). В любом случае, чтобы излучение могло выходить из лазера наружу, коэффициент отражения по крайней мере одного из зеркал должен быть меньше 100%. С другой стороны, чем больше пропускание выходного зеркала, тем меньше энергии возвращается для стимуляции излучения новых фотонов, т.е. тем больше нагрузка на лазерный излучатель. Поэтому, выходное зеркало может иметь малое отражение, только если усиление среды велико. Чем больше усиление среды, тем меньше излучения надо возвращать для устойчивого генерирования.
Реальные зеркала всегда имеют какие-то потери, поэтому зеркал, отражающих 100% света, не бывает. Однако, в многослойных диэлектрических зеркалах отражение достигается больше 99%.
Определим пороговое значение коэффициентов отражения зеркал резонатора. Для этого рассмотрим прохождение спонтанно излученного фотона через активную среду и резонатор (см рис). Нам понадобится проинтегрировать уравнение (7)
dF = F(N2— N1)dZ
по координате Z. Сначала преобразуем его:
dF/F = (N2— N1)dZ ;
после интегрированияlnF =
(N2— N1)l+ C;
приравняв l = 0, получаем C = lnF.
Тогда F/F0=exp[l(N2 — N1)], где l — длина активной среды.
Для простоты предположим, что фотон зародился вблизи одного из торцов активного тела и летит через весь активный стержень. (Несмотря на то, что выше мы говорили, что обычно одно из зеркал резонатора глухое, т.е. отражает 100%, здесь рассматривается общий случай, когда потери излучения происходят на обоих зеркалах.) После пролета всего стержня число фотонов будет
F= Fexp[l(N2— N1)] .
После отражения от первого зеркала учтем потери на отражение в нем:
F= R1Fexp[l(N2— N1)].
После вторичного прохождения через активное тело — учтем усиление в нем:
F= R1Fexp[
l(N2— N1)] exp
l(N2— N1)] = R1Fexp[2
l(N2— N1)].
Наконец, после отражения от второго зеркала —
F= R1R2Fexp[2l(N2— N1)].
Если теперь приравнять отношение вышедшего потока к падающему — единице, т.е. считать, что генерирование начинается тогда, когда потери в резонаторе компенсируются усилением среды,
F/F= 1,
то мы и получим интересующую нас зависимость. Таким образом, если потери в резонаторе определяются только пропусканием зеркал, то порог генерации будет достигнут при выполнении условия равенства усиления за счет вынужденных переходов и потерь на излучение, т.е.
R1R2 exp[2N2-N1)l] = 1
где R1 иR2 — коэффициенты отражения зеркал. (Если имеются еще какие-либо потери энергии, например, поглощение в стекле, это должно быть учтено введением еще одного множителя меньше единицы, но величина его для расчетов должна быть известной).
Из этого условия следует, что порог достигается тогда, когда инверсия населенностей приближается к некоторому критическому значению N2-N1)кр, называемому критической инверсией и определяемому соотношением
(N2-N1)кр= -[ln (R1R2)]/2l
Как только критическая инверсия достигнута, то в среде начинается генерирование излучения. В таком случае говорят, что достигнутпорог генерации.
2)Способы создания инверсной населенности
Посмотрим, как можно в активной среде создать инверсную населенность. Как мы уже говорили, простым повышением температуры, даже до бесконечности, инверсную населенность не создать. Большее, чего мы достигнем, — это равное заселение всех уровней.
Подобная же ситуация возникнет, если пытаться создать инверсную населенность в двухуровневой схеме путем повышения интенсивности электромагнитного поля частоты, равной частоте перехода между этими уровнями. Пока будет больше заселен нижний уровень, поглощение будет преобладать над вынужденным излучением, и населенность верхнего уровня будет расти. Однако, когда населенности обоих уровней сравняются, то числа переходов снизу вверх и сверху вниз сравняются тоже — вероятности переходов сверху вниз и снизу вверх друг другу равны W12= W21, потому что равны поперечные сечения поглощения 12 и вынужденного излучения 21, т.е. 2112. В этой ситуации, тоже, максимум, чего мы можем достичь, — это выравнивания населенностей и превращения среды в непоглощающую (т.н. “насыщение поглощения.”)
На наше счастье, реальные атомы содержат значительно большее число уровней, чем два. Эффективные схемы создания инверсной населенности разработаны с использованием трех либо четырех уровней.
Рассмотрим для начала трехуровневую схему. Желательная для рассматриваемого процесса ситуация получается тогда, когда третий уровень расположен немного ниже второго. При этом необходимо, чтобы переходы со 2 на 3 уровень были бы разрешены (т.е. А23 велико) либо безызлучательны, т.е. чтобы время жизни атомов на 2 уровне было бы мало. Уровень же 3 должен обладать большим временем жизни (А31 мало), т.е. спонтанные переходы с него вниз должны быть запрещены (такие уровни называются обычно метастабильными). Тогда атомы, возбужденные на уровень 2, будут скатываться с него на уровень 3 и сидеть на нем, дожидаясь вынуждающего фотона.
Для создания инверсной населенности в трехуровневой схеме необходимо перевести в возбужденное состояние более половины атомов, находившихся первоначально на уровне 1.
Исторически первым в 1960 г. был создан лазер на рубине (корунд Al2O3 с примесью ионов Cr3+), генерирующий по трехуровневой схеме. Среда оказалась очень удачной: спонтанное время жизни на уровне 3 равно 10-3 сек. Рубиновые лазеры популярны и сейчас.
Четырехуровневая система накачки отличается от трехуровневой тем, что основной излучательный переход в ней должен происходить с уровня 3 не на основной уровень 1, а на лежащий несколько выше его уровень 4. Этот уровень 4 должен быть выбран таким образом, чтобы при температуре эксплуатации лазера (обычно это комнатная температура — 300 К) он не был бы заселен температурно, а также, чтобы время жизни на нем для спонтанного перехода вниз, на уровень 1, было бы мало. Тогда, сколько бы ни было атомов на уровне 3, при пустом уровне 4 они все создадут инверсную населенность в системе уровней “3 — 4”.
В связи с тем, что инверсная населенность в четырехуровневой системе создается проще, чем в трехуровневой, порог генерации в лазерах, генерирующих по четырехуровневой схеме, существенно ниже, чем по трехуровневой. По четырехуровневой схеме генерируют лазеры, работающие, например, на ионах Nd3+, помещенных в ту или иную оптическую среду(стекло, кристаллы либо жидкость).
2)Лазер с электрической накачкой — обычно газовый лазер, представляющий собой стеклянную трубку, сквозь которую проходит электрический разряд. Этот разряд сообщает энергию молекулам или атомам газа, следствием чего является создание инверсии населенностей на паре рабочих уровней атомного либо молекулярного газа и возникновение лазерного эффекта. Так устроены обычные гелий-неоновые лазеры, так же устроены лазеры, излучающей средой в которых является углекислый газ СО2, либо молекулы азота, либо ионы аргоны. Эти лазеры называются обычно по названиям газа, который является рабочей средой: гелий-неоновые лазеры, СО2-лазеры, азотные лазеры и аргоновые лазеры. Типичные размеры таких лазеров зависят от их мощности и могут быть от 10 сантиметров до 10 метров. В СО2-лазерах большой мощности электрический разряд обычно осуществляют не вдоль оптической оси, а поперек, и тогда они носят название лазеров с поперечным разрядом.
2)/>
В этом законе (Бугера) величины А (поглощательной способности) и />(показателя поглощения) принимают очень разные значения для различных материалов. Механизмы поглощения света и перехода его в тепло тоже могут сильно различаться для разных материалов. В науке о лазерном взаимодействии оперируют обычно не потоком квантов Ф, а плотностью мощности этого потока на поверхности q.
В металлах кванты света – фотоны – поглощаются в основном электронами проводимости, которые рассеивают поглощенную энергию на тепловых колебаниях решетки за время релаксации 10-10 – 10-11 сек. Проникновение лазерного излучения в толщину металла происходит обычно до глубин 10-5 – 10-6 см, т.е. 100 А – 1000 А.
В
/>/>/>/>/>
Пар
Металл
большинстве случаев начало разрушения непрозрачного материала под действием мощного излучения связано с испарением вещества. Расплавление материала как правило к заметному разрушению не приводит, так как расплавленный слой материала тонок и практически не подвержен действию каких-либо внешних сил. Как только начинается испарение, то на материал начинает действовать реактивный импульс отдачи, который приводит к выдавливанию расплавленного материала из области лунки. (РИС) Этот эффект – появление реактивного импульса отдачи при вылетании паров из лунки – очень важен в исследованиях взаимодействия лазерного излучения с веществами.
Лунка, имеющая гладкие стенки, покрытые расплавленным металлом, действует как волновод, способствуя транспортированию всего излучения, входящего в переднее отверстие лунки, до ее дна практически без потерь.
3) Под производственным процессом понимают совокупность отдельных действий, совершаемых для получения из материалов и полуфабрикатов готовых машин и др. изделий.
В производственный процесс входят не только основные действия, т.е. непосредственно связанные с изготовлением деталей и сборкой из них машины, но и все вспомогательные процессы, обеспечивающие возможность изготовления продукции (например, транспортирование материалов и деталей, контроль деталей, изготовление приспособлений и инструмента, заточка инструмента и пр.).
В машиностроении производственный процесс разбивается на следующие этапы:
-Изготовление заготовок деталей – литье, ковка, штамповка, или первичная обработка из прокатного материала,
-Обработка заготовок на станках для получения деталей с окончательными размерами и формами,
-Сборка узлов и агрегатов, т.е. соединение отдельных деталей в сборочные единицы и агрегаты. В единичном производстве применяются слесарная обработка и пригонка деталей к месту постановки при сборке. В серийном производстве эти работы сведены к минимуму, а в массовом и крупносерийном производстве не применяются, так как благодаря применению предельных калибров все детали, прошедшие эти калибры, оказываются взаимозаменяемыми.
-Окончательная сборка всей машины,
-Регулировка и испытание машины,
-Придание окончательного внешнего вида (окраска, навешивание табличек и пр.)
3) В зависимости от характера выпускаемой продукции все виды производства условно делятся на три основных вида: единичное, серийное и массовое. У каждого из этих видов производственный и технологический процессы имеют свои характерные особенности, и каждому из них свойственна определенная форма организации работы.
В принципе на одном и том же предприятии могут существовать различные виды производства, т.е. разные изделия или детали могут изготавливаться на заводе по разным технологическим принципам: технология производства одних деталей соответствует единичному производству, других – массовому, или одних – массовому, других – серийному и пр. Например, в тяжелом машиностроении, носящем характер единичного производства, мелкие детали, требующиеся в большом количестве, могут изготавливаться по принципу серийного или даже массового производства.
Поэтому характеризовать производство всего завода можно только по признаку преимущественного характера производствен-ных и технологических процессов.
Единичным называется такое производство, при котором изделия изготавливаются единичными экземплярами, разнообразными по конструкции или размерам, причем повторяемость этих изделий редка или совсем отсутствует.
Единичное производство универсально – каждый следующий изготавливаемый объект может радикально отличаться от предыдущего. Характерные примеры единичного производства – изготовление искусственных спутников Земли, или больших кораблей и судов, или крупных объектов тяжелого машиностроения (шагающий экскаватор и пр.). Поэтому завод должен обладать комплексом универсального оборудования, обеспечивающим изготовление самых разных деталей. Технологический процесс характерен тем, что на одном станке выполняется несколько операций. Приспособления для обработки деталей имеют универсальный характер, т.е. могут быть использованы в разнообразных случаях (например, тиски). Специальные приспособления применяются редко и только для дорогих изделий. Инструменты при этом применяются универсальные (стандартные сверла, развертки, фрезы и пр.), и измерительный инструмент также должен быть универсальным, т.е. измерять детали разнообразных размеров: штангенциркули, микрометры и прочее.
Серийным называется производство, занимающее промежуточное положение между единичным и массовым производством. При серийном производстве изделия изготавливаются партиями или сериями, состоящими из одинаковых изделий, запускаемых в производство одновременно. Основным принципом этого вида производства является изготовление всей партии целиком как в обработке деталей, так и в сборке.
Понятие «партия» относится к количеству деталей, а понятие «серия» – к количеству машин, запускаемых в производство одновременно.
В серийном производстве в зависимости от количества изделий в серии, их характера и трудоемкости различают производства мелкосерийное, среднесерийное и крупносерийное.
Серийное производство значительно экономичнее, чем единичное, так как лучшее использование оборудования, специализация рабочих, увеличение производительности труда обеспечивают уменьшение себестоимости продукции. В общем и среднем машиностроении серийное производство является наиболее распространенным видом производства
Массовым называется производство, в котором при достаточно большом количестве одинаковых выпусков изделий изготовление их ведется путем непрерывного выполнения на рабочих местах одних и тех же постоянно повторяющихся операций. Это совершенно особый тип производства, появившийся только в 20 веке.
Одним из отцов массового производства считается американский предприниматель Генри Форд, который считал, что искусство технолога в том и состоит, чтобы разбить сложный технологический процесс на несколько столь простых операций, чтобы выполнение их было бы доступно малоквалифицированному рабочему. Для этого, конечно, подготовка производства должна выполняться очень высококвалифицированными людьми. Свой вклад в развитие массового производства и вообще свой жизненный опыт он обобщил в книге «Моя жизнь, мои достижения», изданной у нас в 30-е годы. В начале 1900-х годов (1906) на заводах Форда было впервые в мире налажено массовое производство автомобилей. Этим автомобилем была модель «Форд-Т».
Контроль деталей и узлов при массовом производстве производится с использованием не стандартного измерительного инструмента (линейки, штангенциркули, микрометры), а с использованием специально сделанных приспособлений, которые показывают не размеры изготовленной детали или узла (в этом случае контролер сам должен был бы сообразить по размерам, годится деталь с такими размерами или нет), а прямо сообщают, годится деталь для дальнейшей сборки или нет. Такие устройства называются калибрами.
Массовое производство экономически выгодно при выпуске достаточно большого количества изделий, когда все затраты на организацию массового производства окупаются и себестоимость единицы выпускаемой продукции получается меньше, чем при серийном производстве.
К условиям, определяющим эффективность массового производства, относится, прежде всего, объем производственной программы и специализация завода на определенных типах изделий, причем наиболее благоприятным условием массового производства является такая специализация, когда в производстве находится один тип, одна специализация изделия.
В сравнительно современных производствах находят способы организации массового производства, когда выпускается несколько разных типов изделий. В советской промышленности одним из первых таких примеров была организация производства на заводе ВАЗ, когда на одной линии собирались автомобили нескольких разных моделей (с одним кузовом, но с разными двигателями, отделкой и прочими деталями). Сборочная линия управляется компьютером, в который закладывается информация обо всех собираемых автомобилях, и компьютер давал команды, что на какой автомобиль ставить, при движении недостроенных автомобилей по конвейеру.
Техническая организация массового производства должна быть весьма совершенной. Технологический процесс должен быть разработан детально и точно, как в смысле обработки деталей, так и в смысле расчета времени.
Особенно большое значение в массовом производстве имеет организация технологического контроля, так как недостаточно тщательная проверка деталей и несвоевременная отбраковка негодных деталей могут привести к задержке и разладке всего производственного процесса, а также к выпуску неработоспособной продукции. Обычно в массовом производстве при контроле пригодности выпускаемых изделий применяют не универсальный измерительный инструмент (штангенциркули, микрометры и пр.), а калибры, с помощью которых детали сортируют на пригодные и непригодные. Калибры, конечно, изготавливаются специально для каждого типа детали. Несмотря на большие первоначальные капитальные затраты, необходимые для организации массового производства, технико-экономический эффект его бывает обычно высок и значительно больше, чем при серийном производстве.
3)технологическим процессом называют последовательное изменение формы, размеров, свойств материала или полуфабриката в целях получения материала или изделия в соответствии с заданными техническими требованиями.
Обычно технологический процесс является частью общего производственного процесса изготовления целого изделия.
Всякий технологический процесс должен проектироваться и выполняться таким образом, чтобы посредством наиболее рациональных и экономичных способов обработки удовлетворялись требования к деталям (применительно к машино- и приборостроению – точность обработки и шероховатость поверхностей, взаимное расположение осей и поверхностей, правильность контуров и т.д.).
3) Специализация предполагает сосредоточение большого объема выпуска строго определенных видов продукции на каждом предприятии.
Однако, всякая реально выпускаемая машина состоит из совершенно разнородных деталей, которые и изготавливаться должны совершенно разными методами. Например, телевизор включает в себя корпус, изготавливаемый из дерева или пластмассы, т.е. в столярном цехе либо в цехе по обработке (штамповке) пластмасс, затем трубку — кинескоп, изготавливаемую на электровакуумных предприятиях, и, наконец, электронику – печатные платы, микросхемы и пр., изготавливаемые на специализированных предприятиях. Чтобы, например, на заводе по изготовлению телевизоров не обзаводиться всеми перечисленными производствами, — столярным, электровакуумным, по производству микроэлектроники и пр., необходимо договориться с другими, специализирующимися на подобных производствах, предприятиями, и получать эти изделия от них. Такое взаимодействие называется кооперированием.
Кооперирование предусматривает обеспечение заготовками (отливками, поковками, штамповками), комплектующими агрегатами, различными приборами и устройствами, изготавливаемыми на других производственных предприятиях.
Если машиностроительный завод получает отливки в порядке кооперирования, то в его составе не будет литейных цехов. Так, многие станкостроительные заводы получают отливки станин (станиной называется корпус станка, как правило изготавливаемый отливкой) со специализированных литейных заводов, снабжающих потребителей литьем в централизованном порядке.
3) Если машиностроительный завод получает отливки в порядке кооперирования, то в его составе не будет литейных цехов. Так, многие станкостроительные заводы получают отливки станин (станиной называется корпус станка, как правило изготавливаемый отливкой) со специализированных литейных заводов, снабжающих потребителей литьем в централизованном порядке.
Для производственного предприятия, конечно, выгоднее иметь узкую специализацию. Узкая специализация позволяет сосредоточить силы на основных направлениях производства, имеющих более или менее один характер, не распыляя их по разнородным производствам.
специализация тесно связана с кооперированием. Развитие специализации и в связи с этим широкое кооперирование предприятий значительно отражаются на производственной структуре заводов. Как правило, на современных предприятиях не предусматриваются цехи по изготовлению деталей, которые проще, лучше и выгоднее делать на специализированных предприятиях – крепеж (болты, гайки и пр.), электроника, литье, электровакуумные изделия и т.д.
3)Технологической операцией называется некоторая законченная часть технологического процесса, выполняемая на одном рабочем месте и охватывающая все последовательные действия рабочего (или группы рабочих) и станка по обработке заготовки (одной или нескольких одновременно).
Например, обтачивание вала, выполняемое сначала на одном его конце, а потом после поворота, т.е. перестановки вала в центрах, без снятия его со станка, — на другом конце, является одной операцией. (Проиллюстрировать рисунком) Если же все заготовки (валы) данной партии обтачиваются сначала на одном конце, а потом на другом, то это составит две операции.
3) Наиболее распространенные технологические процессы, применяемые в машиностроении Предварительная обработка заготовок Предварительная обработка заготовок может происходить в заготовительном отделении среднего или небольшого цеха, либо в специальном заготовительном цехе, если завод имеет несколько крупных металлообрабатываю-щих цехов. В заготовительном отделении или цехе прокат в виде прутков подвергается правке, обдирке, разрезанию, центрованию. Поковки и штампованные заготовки тоже проходят подго-товительные операции: фрезерование концов, обдирку и предварительную расточку отверстий. Прутки и заготовки для валов в целях предвари-тельного выпрямления прогоняют через прави’льный станок, от 1 до 6 раз. Точность правки может достигать 0,1 – 0,2 мм на 1 м длины заготовки. После этого их обычно обта-чивают на обдирочном станке с целью снятия заржавленного поверхностного слоя. После этого заготовки необходимо разрезать на небольшие куски, удобные для работы в цехе. Процесс разрезания обычно происходит на механических ножовках, на дисковых или ленточных пилах, на токарно-отрезных станках, иногда – на фрезерных станках. Иногда заготовки режут автогеном, анодно-механическим или электроискровым способом, а также ультразвуком
3)Эпитаксия Речь идет об управляемом напылении тонкопленочных полупроводниковых структур в целях получения приборов микроэлектроники. Процесс вакуумного напыления был известен очень давно и применялся для самых разных целей. Осуществлялся он обычно следующим образом:
В некотором сосуде устанавливался электрический нагреватель, представляющий собой чашечку (или ложечку), которая могла нагреваться до высокой температуры. В эту чашечку помещался тот материал, который необходимо было напылить. Над чашечкой помещалась подложка, на которую должен был напыляться материал. Перед напылением из сосуда откачивался воздух до давления 10-3 – 10-5 мм рт. ст., что соответствовало уменьшению числа молекул в 1 см3 от 1019 до 1011. После этого включался нагреватель и происходил процесс напыления. Толщина слоя определялась температурой испарителя и временем напыления. Когда напыление надо было остановить, нагреватель выключали. В необходимых случаях могли ставить несколько нагревателей с несколькими испаряющимися веществами в них. Развитие этого метода привело к созданию метода молекулярно-лучевой эпитаксии, очень популярного в настоящее время. Отличие этого метода от предыдущего в том, что вакуум применяется гораздо более высокий, т.е. 10-8 – 10-10 мм рт. ст., соответственно число молекул в 1 см3 не более 106. Это практически исключает возможность столкновения молекул испаряющихся веществ с остаточными молекулами воздуха в процессе напыления, поэтому можно гарантировать, что на подложку садятся только те вещества, которые испаряются в испарителях. Второе отличие в том, испарители веществ снабжаются затворами, что позволяет открывать или перекрывать напыление того или иного вещества в тот или иной момент времени, а это, в свою очередь, позволяет изменять состав напыляемого вещества с очень резкими границами между областями разного состава. Третье отличие в том, что напыление происходит не на холодную подложку, где напыленные молекулы прилипают крепко и сидят неподвижно, а на нагретую подложку, где каждая севшая на нее молекула начинает длительную миграцию по поверхности, пока не найдет подходящее место. В результате напыленная пленка оказывается очень равномерной по толщине.
Наконец, четвертое отличие заключается в том, что в качестве подложки используется кристаллическая структура, аналогичная той, которая свойственна напыляемому материалу. Поэтому, напыляемый материал садится и образует решетку с параметрами, свойственными подложке, а не напыляемому материалу.
Таким образом, важнейшими событиями при методе молекулярно-лучевой эпитаксии являются:
-адсорбция на поверхности подложки составляющих напыляемое вещество атомов и молекул,
-миграция и диссоциация адсорбированных частиц,
-пристраивание атомов напыляемого вещества к подложке, приводящее к образованию зародышей решетки и росту решетки с параметрами подложки.
С помощью этой методики стали выращиваться структуры, называемые сверхрешетками. Термин «сверхрешетка» обозначает периодические структуры, состоящие из тонких слоев двух полупроводников, повторяющиеся в одном направлении. Период по толщине обычно составляет от единиц до десятков нанометров, что меньше длины свободного пробега электронов, но больше постоянной кристаллической решетки. В этом смысле сверхрешетку можно рассматривать как новый искусственно синтезированный полупроводник, не существующий в природе, который обнаруживает необычные электронные и оптические свойства. Поскольку метод молекулярно-лучевой эпитаксии представляет собой, по существу, метод контролируемого термического напыления в сверхвысоком вакууме, в этом процессе можно использовать маски, подобные тем трафаретам, о которых мы говорили в разделе лазерных технологий. Такая техника используется при создании интегральных оптоэлектронных схем. Использование технологии молекулярно-лучевой эпитаксии привело к созданию очень совершенных лазерных гетероструктур. Как вы помните из предыдущей темы, для работы лазера в режиме генерации условие порога генерации требует, чтобы при двойном проходе резонатора усиление света было бы больше полных потерь. Совершенство лазерных гетероструктур приводит к уменьшению потерь света в них. Поэтому для достижения порога генерации в такие лазеры требуется инжектировать меньше носителей. Это означает, что пороговый ток у таких лазеров может быть меньше. Действительно, пороговый ток у таких лазеров может достигать величин 250 А/см2, что существенно меньше величины 800 – 900 А/см2 для полупроводниковых лазеров, изготавливавшихся по старым технологиям. С помощью технологии молекулярно-лучевой эпитаксии можно получать «слоистые» лазеры, состоящие из нескольких активных переходов, причем разные слои этих лазеров имеют разный состав, поэтому разные переходы излучают свет с разными длинами волн. Благодаря этому такой лазер (N-Alx1Ga1-x1 As, N-Alx2Ga1-x2 As, N-Alx3Ga1-x3 As, N-Alx4Ga1-x4 As) работает одновременно на четырех длинах волн.
Уникальные возможности, представляемые методом молекулярно-лучевой эпитаксии, вызвали также бурное развитие новых типов фотоприемников.
Обработка отверстий
Большинство отверстий сверлят с помощью сверл. Для чистовой обработки поверхности, полученной сверлением, служат развертки. Для снятия фасок служат т.н. зенковки. Отверстия больших диаметров, особенно в деталях типа дисков, растачивают на расточных станках. Чистовая отделка отверстий производится методом тонкого растачивания. Сущность этого способа заключается в том, что растачивание производится при большой скорости, малой глубине резания и малой подаче. Часто для этого применяют алмазные резцы.
Протяжки и прошивки применяются для увеличения производительности и точности отверстий. Протяжки работают на растяжение и служат для изготовления сквозных отверстий, а прошивки работают на продольный изгиб и сжатие и применяются для обработки глухих отверстий. И протяжки, и прошивки требуют предварительного сверления чернового отверстия.
Широкое применение в последние десятилетия получило изготовление точных отверстий малого диаметра с помощью лазерного луча. Обрабатываемый материал при этом возможен любой, а минимальные диаметры – десятки микрон при глубине в несколько миллиметров. Мы рассмотрим эту технологию в дальнейшем.
Нарезание резьб.
Основной резьбой у нас является метрическая резьба с углом 600при вершине. Дюймовая резьба с углом 550у нас применяется только для изготовления запасных частей. Основное назначение этих резьб – крепеж. Для перемещения каких-либо деталей с помощью резьб служат т.н. ходовые резьбы, которые бывают с прямоугольным и трапецеидальным профилем, одно- и многозаходные.
Наружные резьбы нарезаются плашками, а также резцами, гребенками и др. устройствами. Основной недостаток плашек – необходимость их свинчивания обратно после нарезания резьбы. Иногда используют фрезерование резьбы дисковыми фрезами.
Для изготовления внутренних резьб применяются метчики.
В ряде случаев применяется изготовление резьбы без снятия стружки – накатывание резьбы с помощью давления.
Обработка плоских поверхностей
Наиболее часто для получения плоских поверхностей используют строгание (долбление), фрезерование, протягивание и шлифование. Долбление отличается от строгания тем, что резец ходит не в горизонтальной, а в вертикальной плоскости. Основной недостаток строгания в непроизводительном обратном ходе резца.
Фрезерование плоских поверхностей производится торцовыми или цилиндрическими фрезами. При изготовлении пазов, канавок, плоскостей широко применяется протягивание, несмотря на дороговизну оборудования и инструмента, особенно в массовом производстве.
Обработка зубчатых поверхностей.
Как вы, должно быть, помните из школы, при взаимном обкатывании плоскости и окружности получается одна из двух кривых:
если плоскость катится по окружности, то каждая точка плоскости описывает эвольвенту;
если окружность катится по плоскости, то каждая точка окружности описывает циклоиду.
Соответственно, профиль зуба зубчатых колес может быть либо циклоидальным, либо эвольвентным.
Сложилось так, что во всем машиностроении применяют эвольвентный профиль зуба. Исключение составляет только часовая промышленность, где профиль зуба традиционно циклоидальный.
Нарезание зубьев зубчатых колес часто производится методом обкатки, как бы воспроизводящим зацепление зубчатой пары. Тогда кромка режущего инструмента может быть прямой, а необходимый профиль зуба появляется при взаимном движении заготовки и инструмента в процессе изготовления зуба. Кроме того, зубья нарезаются методом фрезерования фасонными фрезами, и в этом случае фреза должна иметь профиль промежутка между зубьями (или его части). Применяется также и метод пластической деформации – метод накатывания зубьев. Он имеет высокую производительность (в 15-20 раз производительнее зубонарезания), а отходы металла составляют всего 3 – 4% от веса заготовки.
3) Все обрабатываемые нами вещества состоят из атомов. Свойства этих веществ зависят от того, как эти атомы расположены. Если мы перестроим кристаллическую структуру угля, мы можем получить алмаз.
Однако здесь есть существенное препятствие. Необходимо, чтобы соединялись только те молекулы (или атомы), которые нам нужны, и именно тем способом, который нужен нам. Вместе с тем, у соединяющихся частиц могут возникать соединения нежелательные, и если такие соединения получаются почему-то проще, чем нужные нам (например, ненужных молекул больше, чем нужных, или, в случае, если соединяющиеся молекулы занимают друг относительно друга случайные положения, то и соединение может выйти не то, которое нужно), то процесс пойдет с большой долей брака.
Способов решения этой проблемы можно придумать много, и сейчас многие из них разрабатываются. Один из них – это изменение принципов технологии, приближая ее к биотехнологии, заменяя кристаллы на более высокоорганизованные структуры.
Можно попытаться решить эту проблему и по-другому — задавать положение каждой частицы. Например, чтобы синтезировать алмаз, нам нужно препятствовать атомам углерода соединяться в более энергетически выгодные для него в момент реакции частицы графита. Для этого нужно управлять положением каждого атома углерода, соединяющегося с другими.
Управление местом и ориентацией атомов или молекул при их соединении друг с другом – задача крайне трудная технически. Необходимо помнить, что все молекулы подвержены явлению, называемому броуновским движением, — они беспрерывно совершают беспорядочные тепловые колебания. Чем выше температура, тем такие колебания больше. Это так называемый термический шум.
Для измерения локальных характеристик твердого тела, например, микротвердости, имеются специальные устройства, которые ощупывают поверхность очень тонким щупом. Конкретных типов таких устройств, называемых профилометрическими микроскопами, сущест-вует много, но принцип у них один. При возникновении контакта между щупом и поверхностью в устройстве возникает сигнал, что дает возможность построить карту поверхности. В некоторых из подобных устройств есть возможность сажать в те или иные места исследуемой поверхности те или иные молекулы, тем самым получая необходимую структуру.
Для того, чтобы сделать объект, который был бы и мал достаточно, и вместе с тем достаточно жесток, необходимы очень жесткие требования к материалу.
Теоретический анализ показывает, что подобные требования к позиционирующим устройствам размером около 100 нм, которые могли бы своим острием попадать в отдельные молекулы или даже атомы, представляются технически выполнимыми. Миллиарды подобных устройств могли бы поместиться в нескольких кубических миллиметрах.
Для поштучного управления расположением молекул создаются уникальные приборы крайне малого размера. Так, например, «рука-робот», предложенная Эриком Дрекслером (США), имеет 100 нм в высоту и 30 нм в диаметре. Это устройство имеет несколько миллионов атомов и около ста движущихся частей. Смазка движущихся частей при столь малых размерах бессмысленна, так как молекулы смазки действовали бы как частицы песка – слишком они велики. Поэтому в качестве скользящих поверхностей используются поверхности алмаза.
Обработка наружных цилиндрических поверхностей деталей (тел вращения)
Такие детали условно делят на три класса: Валы, втулки и диски.
К классу валов относят детали, у которых наибольший размер – длина вдоль оси вращения. Эти детали образуются в основном наружной поверхностью вращения (цилиндрической, реже – конической), а также несколькими торцевыми.
К классу втулок относят детали, имеющие не только наружные, но и внутренние цилиндрические поверхности. Разумеется, они тоже имеют торцевые поверхности.
К классу дисков относят детали, у которых диаметр существенно превосходит длину (толщину). У таких деталей наибольшие поверхности – торцевые.
Детали всех этих трех классов обрабатывают на станках токарной группы. При серийном и массовом производстве обработка заготовки происходит в два приема: сначала на более мощном станке проводят черновую обработку, которая производится с большой скоростью, большой глубиной резания и большой подачей, а затем – на более точном станке с малой подачей и необходимой точностью.
Для получения точной и чистой окончательно отделанной наружной цилиндрической или плоской поверхности применяются различные виды чистовой отделочной обработки. К числу их относятся тонкое (алмазное) точение, шлифование, притирка (доводка), механическая доводка абразивными колеблющимися брусками (суперфиниш), полирование, обкатывание роликами, обдувка дробью и пр.
Тонкое (алмазное) точение применяется главным образом для отделочной обработки деталей из цветных металлов и сплавов. Скорость резания в зависимости от рода обрабатываемого материала составляет от 100 до 1000 м/мин, а иногда и выше. Алмазный резец обычной конструкции состоит из двух деталей – кристалла алмаза и стальной державки. Алмазные кристаллы берутся весом от 0,5 до 1,2 карата, специально обработанные для получения требуемых углов режущей части. Закрепляются они в стальной державке с помощью пайки или механическим креплением. Алмазные кристаллы перетачивают от 6 до 15 раз. Они используются до остаточного веса 0,1 карата.
Для резцов, естественно, используют не ювелирные камни, а технические, главным образом синтетические – искусственно получаемые, так как они дешевле.
Алмазное точение нашло широкое применение в металлооптике. Лазерные зеркала для далекой ИК области делаются из металла (меди, бронзы или стали), и для их обработки широко применяется алмазное точение. Выбор подходящего режима точения позволяет достичь результатов, недостижимых другими методами. Дело в том, что на лазерных зеркалах при работе лазера создается очень высокая плотность мощности лазерного излучения, и любой участок лазерного зеркала, имеющий повышенное, сравнительно с расчетным, поглощение лазерного света, начинает гореть. При этом портятся соседние участки, и вскоре все зеркало выходит из строя. Так, в частности, происходит дело, если поверхность зеркала шлифовалась и полировалась абразивным порошком. Единственная невымытая частица абразивного порошка, оставшаяся на зеркале, начинает гореть в луче лазера, и все зеркало выходит из строя. Зеркало же, обработанное алмазным резцом, не имеет никаких поглощающих вкраплений – алмаз не крошится и, к тому же, очень мало поглощает свет как в видимой области, так и в ИК.
Однако, несмотря на достоинства алмазного точения, в машиностроении основным методом чистовой отделки наружных цилиндрических и плоских торцовых поверхностей является шлифование. Скорость вращения детали при шлифовании составляет 10 – 50 м/мин, скорость шлифовальных кругов составляет обычно 30 м/сек, при более прочных кругах – до 50 м/сек. Возможно шлифование не шлифовальным кругом, а абразивной лентой.
Для окончательной отделки предварительно отшлифованных металлических деталей служит притирка (доводка). Инструмент для этой операции – притир, изготавливаемый из чугуна, бронзы или меди, в который внедряются зерна абразивного микропорошка. Зерна внедряются при давлении. Материал зерен тверже материала притира, поэтому зерна проминают поверхность притира и сидят в нем. Абразивные микропорошки используют самые разные вещества – корунд (Al2O3), карборунд (SiC), окись хрома, окись железа и пр. Иногда их используют в сочетании с маслом или олеиновой и стеариновой кислотами. Окись хрома в смеси с олеиновой и стеариновой кислотами представляет собой широко известную пасту ГОИ.
Притирка (доводка) и метод особочистой доводки – суперфиниш представляют собой такие методы обработки, когда в процессе обработки деталь и инструмент взаимно притираются друг к другу, а потому осуществление таких методов возможно только на поверхностях с постоянными радиусами кривизны, т.е. плоских, цилиндрических или сферических.
В тех случаях, когда нужно увеличить гладкость поверхности детали, не исправляя поверхности геометрической формы, а также не исправляя местные дефекты, применяют полирование. Полирование – это процесс чистовой обработки поверхности мягким кругом с нанесенным на него мелкозернистым абразивным порошком, смешанным со смазкой. Скорость полирования металла достаточно высока – до 40 м/сек.
Об особенностях процесса полирования в других областях техники, в частности в оптике, мы вкратце поговорим позже.
Одна из форм пластической обработки деталей, т.е. обработки без снятия материала, называется накаткой и служит для придания различным рукояткам рифления для удобства пользования ими. Накатка производится специальным инструментом – державкой с роликами, сделанными из инструментальной закаленной стали. При накатке державку прижимают роликами к вращающейся детали.
Многочисленные разновидности процесса обработки поверхности металла давлением без снятия стружки называются выглаживанием. Выглаживание, в зависимости от его целей, разделяют на три вида: калибровка – для повышения точности размера поверхности и уменьшения шероховатости, выглаживание – для уменьшения шероховатости, отделка – для получения упрочненного поверхностного слоя материала.
По получаемой точности калибровка примерно соответствует шлифованию, но значительно производительнее. Калибровке, как всякому процессу наклепа поверхности (т.е. пластической деформации поверхности под действием давления), сопутствует существенное повышение поверхностной прочности металла.
Хорошие результаты дает выглаживание алмазом, обладающим малым трением скольжения, высокой твердостью и износостойкостью. Правда, для этого требуется специальное оборудование. Более дешевый вариант – выглаживание стальными закаленными шариками или роликами.
Для менее точных поверхностей применяется обдувка дробью – стальной или чугунной, выбрасываемой обычно пневматическими (иногда – механическими) устройствами.
И выглаживание, и обдувка дробью являются методами обработки давлением в холодном состоянии и относятся к области упрочняющей технологии. Эти методы уплотняют поверхностный слой.
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
Рис. 5. Схематическое изображение спектра излучения лампы накачки (1) и спектра активного поглощения (спектра накачки) лазерной среды (2). Заштрихована энергия, пропадающая зря — идущая на нагрев активной среды.
1
/>
2
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
I
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
Рис. 5. Схематическое изображение спектра излучения лампы накачки (1) и спектра активного поглощения (спектра накачки) лазерной среды (2). Заштрихована энергия, пропадающая зря — идущая на нагрев активной среды.
1
/>
2
/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>/>
I