Lézeres gépvezérlés alkalmazása földmunkagépeken I.

Szakcikkek - 2010-07-23 12:41:04 nyomtatás cikk nyomtatása



Az első lézerfényt kibocsátó műszer megalkotása óta a lézeres műszerek jelentős fejlődésen mentek keresztül. Nőtt az üzembiztosságuk, meghosszabbodott élettartamuk, szélesedett felhasználásuk köre.
A hazai geodéziai célú lézeres kitűző műszerek honosításának időszaka a 70-es évek első felére tehető. Pontosságuk miatt hamar elterjedtek a mérés és irányítás területén. Felhasználási területük igen széles: bányászat, építőipar, mozgás és deformáció vizsgálat.

A lézer története

A laser szó a „light amplification by stimulated emission of radiation” (fényerősítés indukált emisszió útján) angol kifejezés rövidítése. A lézer a maser (microwave amplification by stimulated emission of radiation) továbbfejlesztése, rövidebb hullámhosszakra.

A stimulált vagy indikált emisszió elve és a kvantummechanikai alapjai még Einsteintől, a huszadik század elejéről származnak. A maserhez és a lézerhez csak az atom felépítéséről szóló pontosabb ismereteket nyújtó hosszadalmas kutatómunka után jutottak el.

A. Schawlow és C. H. Townes, valamint Prokhorov és Basov az 1950-es években kidolgozták a maser fizikai alapjait és utaltak az elméleti lehetőségek megvalósítására. Logikus következményként merült fel ezután a gondolat, vajon lehetne-e ezt az elvet sokkal rövidebb fényhullámokra is alkalmazni.

Basov, Prokhorov, Schwalow, Townes



1960-ban a Hughes Research Laboratóriumban sikerült Dr. T. H. Miamannak először észlelnie lézereffektust rubinkristályon keresztül. A világon sok kutatóintézetben indult meg a lézerrel kapcsolatos intenzív munka, amelynek eredménye számos közleményben került nyilvánosságra.



A fenti ábra a lézerek hullámhosszát mutatja az elektromágneses spektrumban. A lézer sáv a látható fény és az infravörös tartományban helyezkedik el.
Az összes kisugárzási emissziós és elnyelési (abszorpciós) jelenségek csak a kiterjesztett Bohr-féle atomelmélet és kvantumelmélet alapján értelmezhetők kielégítően. A fényemisszió alapvető és legegyszerűbb értelmezését a Bohr-féle posztulátumok nyújtják. Ezek szerint:
• Minden atomnak több olyan állandósult állapota van, amelyben létezhet anélkül, hogy sugározna. Az atom energiaállapotát csak úgy változtathatja, ha egyik stacionárius állapotból a másik stacionárius állapotba megy át. Közbenső állapotok nincsenek.
• A stacionárius energiaállapotok közötti átmeneteknél a kibocsátott vagy elnyelt energiára teljesül a Bohr-féle frekvenciatétel, amely az E1, E2 és E3 energiaállapotokra a következő:

abszorpció:

E3-E1=h∙υ13
E2-E1=h∙υ12
E3-E2=h∙υ23

emisszió:

E3-E1=h∙υ31
E2-E1=h∙υ21
E3-E2=h∙υ32

υ: az elnyelt, illetve kibocsátott sugárzás frekvenciája
h: arányossági tényező, Planck-féle állandó
E1: legkisebb energiájú energiaállapot, alapállapot
E2, E3: nagyobb energiájú, gerjesztett állapot



Egy zárt térben sok azonos fajtájú atom vagy molekula van alapállapotban. Energia hatására – ez lehet termikus, elektromos vagy sugárzási – az atomok egy része magasabb energiaállapotba kerül (ábra). Az atomok átlagos tartózkodási idő után minden külső hatás nélkül maguktól visszatérnek az alapállapotba. E folyamatot nevezzük spontán emissziónak.

A lézer szempontjából döntő a folyamatosan stimulált vagy indukált emisszió. Indukált emisszió erősítésre csak akkor van mód, ha a magasabb energiaszinten több atom van, mint alapállapotban. Mindig fellép spontán emisszió, de emellett a beeső hullám indukált emisszió következtében fel is erősödhet. Az ebben az esetben sokkal erősebb indukált emisszió a beeső sugárzás irányába esik, úgy hogy az erősített sugárzás iránya azonos a beeső sugárzáséval. A spontán emisszió esetén ez a sugárzás minden irányban egyenletesen oszlik el. A sugárzást erősítő indukált emisszión alapul a lézer. Az optikai tartományban inverzió létrehozására csak olyan háromszintes rendszerek alkalmasak, melyek legfelső energiaszintje széles.

A legmagasabb energiaszintnek azért kell szélesnek lennie, hogy az inverzió létrehozására elegendő energia álljon rendelkezésre. Ilyen rendszerben indukált emissziós erősítés mindig a középső szintről az alapszintre vezető átmeneten következik be: pl. a rubin lézer esetében (lásd ábra). Itt a 3. és a 2. szint közötti átmenet sugárzásmentes. Ahhoz, hogy az inverzió állapotát elérjük, a rendszerbe energiát kell juttatnunk, függően a rendszer tulajdonságaitól. Ezt az energiát pumpáló energiának nevezzük.



Lézerekhez használatos inverziós rendszerek:

1. Gázlézer. Inverzió előidézése gázkisülésben elektronütköztetéssel. Ez az eljárás csak gázokhoz alkalmazható. Előnye, hogy az energiát viszonylag egyszerű folyamatosan bejuttatni a rendszerbe.
2. Szilárdtest lézer. Szilárdtestek és folyadékok esetében a szükséges energiát nem lehet elektronütközéssel átadni. A pumpáló energiát itt fény alakjában kell bejuttatni. A szilárdtest és folyadék lézerek többnyire impulzus üzemben működnek. E rendszerben az inverzió optikai pumpálással (villanófény) valósítható meg.
3. Félvezető lézerek. A félvezető lézerek közvetlenül az elektromos áram segítségével valósítják meg az inverziót. Működhetnek folyamatos és impulzus üzemben is.

Pinczés Ferenc diplomaterve alapján
Konzulens: Dr. Balpataki Antal

A Szakcikkek rovat további cikkei:

Útrehabilitáció hidegmaró alkalmazásával IV.
Építőgépeken alkalmazott újszerű vezérlési módok XI.
Útrehabilitáció hidegmaró alkalmazásával III.
Földmunkagépek minőségi vizsgálata I.
Építőgépeken alkalmazott újszerű vezérlési módok X.



A gépnet.hu legfrissebb hírei:

Az SSAB öt új termékcsaládot vezet be az egyedi ügyféligények kielégítésére
Strenx acél: magasság határok nélkül
Melior Laser: beszállítói pozíció új iparágakban
Laser Plus: acél, ami tökéletes simaságot garantál
Ruukki Laser Plus – tökéletes sima felület a lézervágás után



Legolvasottabb a gépneten:

BOSCH DLE 50 digitális lézeres távolságmérő TESZT!
Új anyagtípus: bórral ötvözött acél
Prémium termékek és szolgáltatások prémium vevőknek
„Az év gépe 2010” választás nyertesei
Geotermikus hőerőmű Iklódbördöcén