Решение задачи «ИК-лазер» с помощью USESoft1 Описание ситуации авторами ... рассмотрим задачу из статьи "Функциональный анализ промышленного лазера для прецизионной резки деталей", С.В. Егоров, Л. Ю. Пустов, А.Б. Рожнов, http://www.metodolog.ru/00831/00831.html Для резки различных металлических деталей используются твердотельные и газовые лазеры, которые работают в непрерывном и импульсном режимах. Основным компонентом лазера является резонатор, состоящий из двух совмещенных по оптической оси зеркал (вогнутого 1 и выпуклого 2) расположенных друг напротив друга. Между зеркал подается активная среда 3, которая является источником возникающего в лазере инфракрасного (ИК) излучения 4. Выдаваемый лазерами инфракрасный (ИК) луч невидим для человеческого глаза. Длина волны инфракрасного излучения λИК=5÷10 мкм, тогда как длина волны видимого света λВС=0,4÷0,75 мкм. В условиях прецизионной резки металла требуется точное попадание ИК-луча в определенное место детали, что требует его визуализации. Для подсвечивания ИК-излучения были предложены различные технические решения, в которых предлагалось дополнительно устанавливать маломощные лазеры видимого спектра излучения. Описание задачи «ИК-лазер» для её решения с помощью USESoft Для точного нацеливания луча ИК-лазера в определенное место невидимый ИК-луч необходимо подсветить. Для подсвечивания ИК-луча предложены различные технические решения (дополнительный лазер видимого света, зеркало с диффракционной решеткой). Эти решения имеют свои проблемы, например, делают ИК-лазер сложнее. Что делать? To precise targeting of invisible IR-beam it ought to be enlightened. There are some technical solutions – additional laser with radiation in visible part of spectrum, mirror with diffraction grid, etc. These solutions have its own problems; for example, they make IR laser more complex. What has to be done? 1 USESoft – компьютерный вариант Универсальной Схемы Эволюции (УСЭ) 1 Описание ситуации2 Выбор элементов системы для анализа Система – ИК-лазер 2 Для удобства просмотра экранов USESoft установить масштаб страницы 150%. 2 Продукт системы – ИК-луч Описание элементов главной функции (ГПФ) системы: Проверка правильности формулирования функции 3 Результаты: Наличие проблем означает снижение притягательности ИК-лазера для Пользователя. Другими словами, в глазах Пользователя ИК-лазер теряет свою жизнеспособность. Снижение жизнеспособности можно оценить снижением идеальности ИК-лазера. Идеальность ИК-лазера – величина отношения полезных функций ИК-лазера к вредным. Главные направления и этапы возможных изменений ИК-лазера представлены на Универсальной Схеме Эволюции. 4 Универсальная Схема Эволюции (общий вид) Рассмотрение с помощью УСЭ конкретной системы – ИК-лазера 5 1 6 2 3 4 8 5 7 8 Пояснения к блокам этапов эволюции ИК-лазера: 1. Выявление проблем, снижающих жизнеспособность ИК-лазера. 2. Выявление пониженной идеальности ИК-лазера – низкого отношения полезных функций ИК-лазера к вредным. 3. ИК-лазера с нужными функциями нет или у существующего ИК-лазера нет ресурсов для улучшения. 4. У ИК-лазера есть ресурсы для улучшения. 5. Один или оба объединяемых ИК-лазера не имеют ресурсов для улучшения. Объединяемые ИК-лазеры могут быть – одинаковыми; со сдвинутыми характеристиками; разными; ИК-лазер и анти-ИК-лазер (?) 6 и 7. Выявление у ИК-лазера внешних и внутренних недостатков (НЭ) с помощью различных видов анализа – компонентного, структурного, функционального и т.д. 8. Изменение компонентов ИК-лазера Закономерное использование эффектов Изменение свойств ИК-лазера Изменение ИК-лазера правилу «вещество поле», во времени, в пространстве Определение положения ИК-лазера на S-образной кривой 6 Считаю, что ИК-лазеры находятся на 2-м этапе развития – их применение быстро растет Задачи 2-го этапа развития: Устранить (снизить) НЭ Выявить пределы развития Цель в перспективе – создать новый ИК-лазер Функциональный анализ ИК-лазера Основным компонентом лазера является резонатор, состоящий из двух совмещенных по оптической оси зеркал (вогнутого 1 и выпуклого 2) расположенных друг напротив друга. Между зеркал подается активная среда 3, которая является источником возникающего в лазере инфракрасного (ИК) излучения 4. 7 НЭ ИК-лазера: ИК-луч «не воздействует» на Пользователя = не виден Пользователю Построение и анализ причинно-следственных цепочек Длина волны инфракрасного излучения λИК=5÷10 мкм, тогда как длина волны видимого света λВС=0,4÷0,75 мкм. ПСЦ очевидна: ИК-луч по своей природе невидим, поэтому он и не виден Пользователю. Элемент, который в ИК-лазере надо преобразовывать (изменять) – ИК-луч. 8 Виды изменений ИК-луча 1. Устранение ИК-луча из ИК-лазера Предложение не подходит – нужно оставить принцип действия ИК-лазера 2. Объединение ИК-луч + Видимый луч – предложение дополнить ИК-лазер лазером, излучающим видимый свет есть, но оно связано с усложнением устройства. 3. Использование эффектов Идея решения - найти вещество, преобразующее ИК-луч (λИК=5÷10 мкм) в луч видимого света (λВС=0,4÷0,75 мкм) и поместить его в сквозной канал, проходящий вдоль оптической оси выпуклого зеркала 2. видимый свет вещество-преобразователь видимый свет Поиск информации о преобразовании ИК-излучения в видимый свет 9 http://www.ioffe.ru/journals/ftp/2008/03/p365-369.pdf ... возможность использовать антистоксовы люминофоры для создания мощных, эффективных и недорогих источников видимого света на базе инфракрасных (ИК) светодиодов. http://vivovoco.rsl.ru/VV/JOURNAL/NATURE/10_04/CRYSTAL.HTM ... интересный экспериментальный факт, обнаруженный исследователями из “Сандиа”: фотонный кристалл преобразует падающее ИК-излучение в видимый свет... http://www.pereplet.ru/nauka/en/two/0393.html КООПЕРАТИВНАЯ ЛЮМИНЕСЦЕНЦИЯ - люминисценция, возникающая при передаче энергии от двух или более центров, поглотивших кванты возбуждающего оптического излучения, одному центру люминесценции. К.л. является одним из видов антистоксовой люминесценции и позволяет преобразовывать более длинноволновое, обычно ИКизлучение, в более коротковолновое, например, в видимый свет. 10 http://rus.625-net.ru/625/2007/07/tehno.htm Калифорнийская компания Novalux разработала недорогие источники света для проекционных дисплеев по технологии NECSEL (Novalux Extended Cavity Surface Emitting Laser — лазер Novalux повышенной мощности с поверхностной эмиссией). В нее заложен принцип получения мощного инфракрасного излучения на полупроводниках типа InGaAs (многослойные структуры из арсенида галлия с напряженными квантовыми ямами) и удвоения его частоты на нелинейных кристаллах из ниобата лития с периодической структурой PPLN (Periodically Poled Lithium Niobate — периодический ниобат лития). Базовый кристалл GaAs, на котором сформирована структура ИК-лазера, является одновременно тепловой линзой, фокусирующей ИК-излучение в область нелинейного кристалла и повышающей эффективность преобразования ИК-излучения в видимый свет. Информация из картотеки – эрбиевое стекло = умножитель частоты света. Т.е. с его помощью можно ИК излучение перевести в видимый свет. Именно это найдено в публикации 0693 США и Япония, 1996 год, прокладка оптического кабеля, оптические промежуточные усилители: это оптические волокна, в материал которых введен эрбий. 000.23402.322320 ЗРТС, идеальность - переход от ТС (электронный усилитель) к идеальному веществу. см. 1133, 2113 1133 Добавив эрбий в материал световода, можно добиться того, что этот участок сам начнет усиливать сигнал. Таким способом, вообще говоря, сам световод можно превратить в лазер. 000.23402.322320 ЗРТС, идеальность - переход от ТС (электронный усилитель) к идеальному веществу. см. 693, 2113 2113 1994 г., первый эрбиевый оптический кабель между Флоридой и островом Сент-Томас. Пара волокон, пропускная способность в 5 раз больше, чем у электрического 000.23430.322320 Переход к «умному» веществу: самоусиление см. 693, 1133 11