KHOAN VI L TRÊN V T LI U THÉP KHÔNG G , SỬ DỤNG LASER XUNG HÒA BA B C HAI CỦA Nd:YAG Tóm tắt: Cơng nghệ khoan laser t o vi lỗ có đường kính nhỏ cỡ vài chục micro mét Khi chùm x laser có bước sóng nằm vùng tử ngo i, đường kính vi lỗ nhỏ 20 µm Công nghệ sử dụng nhiều ứng dụng như: chế t o thiết bị vòi phun, khe cắm, màng lọc sử dụng thiết bị đo đ c, c m biến sinh học, thiết bị kết nối mật độ cao, thiết bị y tế, thành phần thiết bị hàng không vũ trụ Công nghệ khoan laser sử dụng phổ biến bước sóng d i tử ngo i (UV), vùng nhìn thấy (VIS), vùng hồng ngo i (IR) Thiết bị khoan laser xung σd:YAẢ bơm laser diode, công suất liên tục bước sóng hịa ba bậc hai 532 nm lên tới 50W mà nghiên cứu thử nghiệm, khoan vi lỗ kích thước 100 µm Trong nghiên cứu chúng tơi tập trung vào lo i vật liệu thép không gỉ có độ dày từ 0.1 mm tới 0.5 mm Từ Khóa: Khoan vi lỗ Inox 304, Laser xung σd:YAẢ hịa ba bậc hai Mở đầu Cơng ngh khoan laser có ưu điểm bật khơng tiếp xúc học, gi m đáng kể tác động c a lực khí đ m b o trì ổn định bề mặt kim lo i, không gây l ch tâm vi lỗ gây biến d ng vùng khoan Những ưu điểm cơng ngh khoan laser xung NdμYAG có bao gồmμ mật độ lượng cao, mật độ công suất hội tụ qua thấu kính lớn (hơn λ0%)[1], vùng nh hư ng nhi t hẹp, chất lượng mặt khoan cắt cao, phù hợp với ng dụng khoan xác vi lỗ thép không gỉ Hơn nữa, chi phí thiết kế, chế t o vận hành cho h khoan laser thấp nhiều so với phương pháp khác nhưμ phương pháp chùm n tử, phương pháp quang khắc, phương pháp phóng n Chính thế, cơng ngh khoan laser xem hướng nghiên c u, thử nghi m có nhiều triển vọng Bên c nh đó, b c x laser ho t động chế độ phát xung, tần số xung lớn, ổn định cao Trong trình khoan laser xung, suất chất lượng vi lỗ phụ thuộc vào tham số nhưμ mật độ công suất laser, độ rộng xung, tần số xung, tốc độ khoan, vị trí tiêu cự, chất lượng vật li u, khí bổ trợ Những tham số nh hư ng trực tiếp tới trình, m c độ tương tác c a chùm b c x laser lên vật li u thép không gỉ Mật độ công suất laser tham số định kh khoan th ng vật li u, độ rộng xung tần số xung hai tham số quan trọng nh hư ng tới chất lượng vi lỗ Trong th i gian chùm b c x laser tương tác lên bề mặt vật li u, t i vùng tương tác, lượng nhi t từ laser truyền sang vật li u Hình thành trư ng nhi t độ liên tục độ dày định c a thép không gỉ, vùng nhi t chịu nh hư ng lớn từ tham số độ rộng xung tần số xung[2] Sử dụng laser xung ngắn tập trung lượng vào di n tích nhỏ, h n chế m rộng c a vùng nhi t Ngồi cịn tránh tác động c a sóng xung kích laser xung dài laser liên tục tương tác lên vật li u TH C NGHI M 2.1 Tương tác laser xung Nd:YAG bước sóng 532 nm với v t li u Sự tương tác laser – vật li u bắt đầu b c x laser tiếp xúc với bề mặt vật li u xác định qua hi u suất lượng laser truyền vào vật li u Sự tương tác laser – vật li u mơ t qua ba q trình ph n x , hấp thụ, truyền qua Trong hấp thụ laser c a vật li u kim lo i thay đổi chậm vùng bước sóng hồng ngo i (IR) tới thay đổi m nh vùng bước sóng kh kiến (VIS) vùng tử ngo i (UV) hình đây[3] Sự hấp thụ photon c a vật li u phụ thuộc vào nhi t độ, cụ thể nhi t độ kim lo i tăng hấp thụ photon c a kim lo i tăng theo Hình 1: ảệ số hấp thụ phụ thuộc vào bước sóng số lo i vật liệu [3] Khi tương tác với vật li u nguồn laser xung, lượng tương tác với vật li u lớn nhiều so với lượng c a b c x laser liên tục[4] Khoan vật li u laser xung ngắn, vi lỗ t o thành nh vào trình bốc bay vật li u, vật li u nóng ch y khí bổ trợ gia cơng lo i bỏ Vật li u hấp thụ lượng chùm tia laser chuyển pha từ pha rắn sang pha lỏng (nóng ch y), pha khí (bốc bay, plasma) lượng chùm b c x laser đ lớn Công suất laser nh hư ng trực tiếp tới kết qu trình khoan vi lỗ, độ dài xung nh hư ng trực tiếp tới chất lượng khoan vi lỗ h số dẫn nhi t c a vật li u lượng vật li u bốc bay Theo nghiên c u c a D.K Harrison cộng sự[5] mật độ công suất hàm c a độ rộng xung đư ng kính vết laser hội tụ hình 2: Hình 2: Mật độ cơng suất hàm đường kính vết laser độ rộng xung, mật độ cơng suất đ t 109 W/mm2 với đường kính laser cỡ 0.1 mm độ rộng xung ns [5] Theo đó, để có mật độ cơng suất lớn, laser sử dụng ph i có độ rộng xung ngắn đư ng kính vết laser nhỏ tốt, cơng suất đỉnh c a xung laser tính theo biểu th cμ Pp E xung (1) tP Và đư ng kính df vết laser hội tụ tỷ l với bước sóng b c x laser , tỷ l nghịch với đư ng kính chùm laser d trước qua thấu kính hội tụ, theo h biểu th cμ df F d (2) Trong PP – công suất đỉnh [W], Exung – lượng xung laser [J], tP – độ rộng xung [s], df – đư ng kính vết laser, F – tiêu cự thấu kính Theo cơng th c (2), để gi m đư ng kính vết laser hội tụ thực hi n cách sử dụng h m rộng chùm tia làm tăng đư ng kính chùm tia laser Ngồi ra, h m rộng chùm tia có kh t o chùm tia trực chuẩn (chùm song song), làm gi m góc phân kỳ chùm tia H m rộng chùm tia có cấu trúc thiết kế giống với thết kế Gallieo, thu hẹp kho ng cách chiều dài thấu kính c a h m rộng[6] mơ t hình Trong thí nghi m này, sử dụng laser NdμYAG nhân tần bậc hai có độ rộng xung 20 ns, tần số phát laser điều chỉnh thông qua điều chỉnh tần số Q-Switch từ 0.5 – 20 Khz Tinh thể phi tuyến KTP có kích thước 5x5x7 mm ph lớp chống ph n x sử dụng t o bước sóng hịa ba bậc hai 532 nm Thanh ho t chất laser NdμYAG bơm laser diode với kỹ thuật bơm CIDER – kỹ thuật bơm side-pumped, kích thích ph n x nội Theo tài li u nghiên c u [8] hi u suất chuyển đổi quang – quang đ t 18.47 %, hi u suất chuyển đổi n – quang tương ng 7.1 % Như h laser khoan nghiên c u này, công suất n bơm cho laser diode tối đa đ t 630 W tương ng t o công suất laser diode đ t 242 W cơng suất laser hịa ba bậc hai SHG thu 44.7 W Sơ đồ bố trí h thí nghi m cho hình 5, với chiều dài buồng cộng hư ng L = 550 mm, h số m rộng chùm tia 2x Hình 3: Sơ đồ cấu trúc buồng cộng hưởng hệ laser σd:YAẢ Q-Switching nhân tần bậc hai 2.2 Tính tốn tham số th c nghi m Trong thí nghi m này, chúng tơi kh o sát công suất liên tục c a laser hịa ba bậc hai từ tính tốn lượng laser phát công suất đỉnh xung laser Gi sử rằng, mật độ nghịch đ o phân tử, nguyên tử c a tr ng thái ban đầu (ngay trước phát xung) ni, phụ thuộc vào mật độ nghịch đ o tr ng thái cuối (ngay sau phát xung) nf theo h th c[8] SHG, ni n n n f e 1 s f (3) Trong đó, f tần số lặp l i xung, s th i gian phát x tự phát c a m c laser trên, phương trình (3) áp dụng cho chế độ bơm liên tục đồng nhất, n mật độ ti m cận phụ thuộc vào tỷ l bơm mật độ nghịch đ o lớn đ t (có thể đ t 1/f >> s ) Giá trị c a n tính dựa vào cơng suất phát liên tục Pcw, thu độ phẩm chất buồng cộng hư ng Q đ t giá trị lớn n Pcw s nng hvV (4) Trong hv lượng photon, V thể tích laser hi u dụng, nng ngưỡng mật độ nghịch đ o, h số liên kết ngoài: 1 ln l r1r2 (5) ln r1 ln ln r1 ln r2 2l (6) nng Trong tiết di n ngang phát x kích thích, l chiều dài ho t chất, tín hi u Q-switch truyền qua lớn nhất, r1 r2 tương ng h số ph n x c a gương trước gương sau, h số mát laser Mật độ nghịch đ o sau xung laser phát hàm số c a mật độ nghịch đ o trước xung laser phát ngưỡng mật độ nghịch đ o, từ xác định lượng xung laser phát Exung công suất phát trung bình Ptb: ni n f nng lnni / n f (7) Exung (ni n f )hvV (8) Ptb Exung f (9) Từ th i gian chùm laser di chuyển hết vòng buồng cộng hư ng tR = 2L/c (L chiều dài buồng cộng hư ng), ta tính cơng suất đỉnh laser phát xung tỷ l nghịch với chiều dài buồng cộng hư ng[8]: 1 Vhv ln r1 n n ni Pp i ng nng tR (10) Từ phương trình (3), (4), (8) ta tính tốn lượng xung laser theo công suất laser phát liên tục E xung Pcw s e 1 / s f nf 1 n (11) Trong n = ( n - nng)/nng, n f = (nng - nf)/nng biến chuẩn hóa từ biến gốc c a chúng Giá trị c a biến < n < , < n f < 1, giá trị c a n f tính cách gi i phương trình (3) phương trình (7), ý từ phương trình (7) giá trị n f < n i , từ điều ki n n i < n nên < n f < n h số ngồi c a phương trình (11) có giá trị vùng từ đến Một cách đơn gi n phương trình (11) lượng xung laser phụ thuộc vào công xuất phát liên tục, th i gian sống m c laser tần số lặp l i xung f, h số khác tiết di n ngang b c x kích thích laser phẩm chất dương c a buồng cộng hư ng Các giá trị tham số c a laser Q-Switch tính tốn b ng sauμ B ng 1: Các tham số laser Q-Switch Tham số P = cw (W) s (ms) (µm) V (cm3) l (mm) L (mm) r1 r2 -1 (cm ) cm2 txung (ns) Laser Nd:YAG 100 0.23 1064 0.02 75 550 0.8 0.997 0.987 0.0023 8.7x10-19 20 P: công suất liên tục bước sóng laser b n 1064 nm ńs: thời gian x tự phát mức laser λ: bước sóng laser b n 1064 nm V: thể tích laser hiệu dụng l: chiều dài ho t chất σd:YAẢ L: chiều dài buồng cộng hưởng r1: hệ số ph n x gương trước với bước sóng 532 nm r2: hệ số ph n x gương sau : tỷ số tín hiệu truyền qua Q-Switch lớn β: hệ số mát laser Ń: tiết diện phát x kích thích txung: độ rộng xung K T QU VÀ TH O LU N 3.1 Hi u suất laser phát hòa ba b c hai Tính tốn hi u suất chuyển đổi bước sóng nhân tần sử dụng tinh thể phi tuyến KTP bước quan trọng để kiểm tra chất lượng buồng cộng hư ng điều chỉnh công suất phát laser hòa ba bậc hai, hi u suất chuyển đổi bước sóng tính theo biểu th c[9]: ef P532 P1064 (12) Trong P532, P1064 tương ng công suất SHG công suất laser bơm (laser phát bước sóng 1064 nm) Module laser NdμYAG bơm laser diode có cơng suất phát bước sóng b n điều chỉnh theo dịng bơm, dịng bơm tối đa 30 A tương ng với cơng suất phát lớn bước sóng 1064 nm, ngưỡng phát laser kho ng 11A Kết qu thí nghi m mô t sauμ B ng 2: thông số phát laser module laser σd:YAẢ cung cấp từ hãng s n xuất Dòng bơm (A) 10 15 20 25 30 Cơng suất bước sóng 1064 nm (W) 19.4 40 90 108 Kết qu kh o sát đo đ c cơng suất laser bước sóng hịa ba bậc hai hi u suất nhân tần trình bày hình sauμ Hình 4: Đồ thị cơng suất laser bước sóng hịa ba bậc hai phụ thuộc vào dịng bơm Trong hình trên, kết qu đo cho thấy ngưỡng phát laser hòa ba bậc hai tương ng với dòng bơm 11,2 A c ba lần kh o sát Đư ng có hi u suất phát hòa ba bậc hai thấp hẳn so với hai đư ng cịn l i, có hi u suất thấp đ t 22 % t i dòng bơm 25 A Nguyên nhân góc tới tia laser tới tinh thể KTP chưa thỏa mãn điều ki n góc hợp pha (90o)[10-11] Trong hai đư ng phía trên, kết qu đo lần hai lần th ba, sau hi u chỉnh hi u suất phát cao nhiều, hi u suất đ t 60 % t i dòng bơm 20 A T i dòng bơm này, ho t động laser đ t độ ổn định cao, mode dao động buồng cộng hư ng khuếch đ i cộng hư ng m nh, trì kho ng dịng bơm từ 20 – 25 A Sau mật độ nghịch đ o tích lũy tr ng thái đ t bão hịa, cơng suất phát laser bơm 1064 nm tăng chậm l i khơng tăng dịng bơm đ t gần 30 A tr Hi u suất phát laser hịa ba bậc hai mà gi m m nh xuống 35,55 % dòng bơm 25 A 3.2 K t qu khoan vi l nh hưởng dịng bơm laser lên đường kính vi lỗ Cơng suất phát laser liên tục hịa ba bậc hai điều chỉnh kho ng 20 – 40 W, kho ng này, ho t động laser có độ ổn định cao hi u suất phát hòa ba bậc hai cao từ 45 – 55 % Tính tốn theo cơng th c (9) lượng xung laser có giá trị kho ng 13.33 – 26.67 mJ, tương ng với cơng suất đỉnh laser tính theo cơng th c (1) 0.6665x106 – 1.3335 x106 W Trong kết qu báo cáo thực nghi m này, tham số kh o sát công suất laser nhân tần SHG, tần số xung Q-Switch, th i gian tương tác chùm b c x laser lên vật li u thép khơng gỉ Trong đó, khí hỗ trợ gia cơng khí N2 áp suất dịng khí 0.5 MPa, tốc độ khoan cố định mm/s th i gian tr h vi dịch chuyển 100 ms Kết qu khoan vi lỗ vật li u thép khơng gỉ thay đổi dịng bơm trình bày hình a) b) Hình 5: Kết qu khoan vi lỗ vật liệu thép không gỉ độ dày 0.1 mm, thời gian phát xung laser 100 ms, tần số Q-Switch 1.5kảz a) nh chụp vi lỗ hệ Micro-Raman, b) đường kính vi lỗ thay đổi theo dòng bơm kết qu trên, với dòng bơm nhỏ 16 A, công suất laser phát nhỏ, mật độ công suất chưa đ để khoan th ng kim lo i, khơng hình thành vi lỗ Khi dịng bơm lớn 16A tăng dần đư ng kính vi lỗ tăng theo, nhiên mật độ công suất bắt đầu đ t m c bão hòa t i dịng bơm 25 A, đư ng kính vi lỗ nằm kho ng 130 – 140 m a) b) Hình 6: Kết qu khoan vi lỗ vật liệu thép khơng rỉ 304 độ dầy 0.3 mm, dịng bơm 21 A, tần số Q-Switch 1.5 kảz a) nh chụp kính hiển vi, b) đường kính vi lỗ phụ thuộc theo thời gian phát laser nh hưởng thời gian phát laser Hình kết qu đư ng kính vi lỗ thay đổi th i gian phát laser, t c thay đổi số lượng xung laser khoan vật li u, th i gian phát laser thay đổi từ 100 – 1400 ms Trong thí nghi m này, cơng suất laser đ t kho ng 25.7 W dòng bơm 21 A tương ng với cơng suất đỉnh laser xung 1.285x106 W Đư ng kính vi lỗ đo nằm kho ng λ0 – 110 m, với sai số ± m Công suất laser giữ nguyên, th i gian tương tác chùm b c x laser lên vật li u thay đổi, đư ng kính vi lỗ thay đổi khơng nhiều, vi lỗ hình thành, chùm tia laser qua vi lỗ, không tương tác với vật li u nên kích thước vi lỗ trì Hình 7: Sự thay đổi đường kính vi lỗ theo tần số Q-Switch Q trình khoan với dịng bơm 21 A, thời gian phát laser 1000 ms nh hưởng tần số Q-Switch Sự thay đổi đư ng kính vi lỗ kh o sát kho ng tần số Q-Switch – kHz hình λ, đư ng kính vi lỗ thay đổi kho ng 70 – 100 m với sai số ± m Đư ng kính vi lỗ thay vùng tần số Q-Switch 1.4 – 1.8 kHz b i công suất đỉnh đ t ổn định vùng tần số Khi thay đổi tần số Q-Switch tăng dần, công suất xung laser gi m dần công suất trung bình (cơng suất phát liên tục), lượng xung khơng đ hình thành vi lỗ vật li u thép khơng gỉ Trong thí nghi m sử dụng khí hỗ trợ N2, b i khí N2 lo i khí trơ nhi t độ cao, gi m vùng nh hư ng nhi t vật li u, ngăn c n m trình nóng ch y bốc bay vật li u, chất lượng vi lỗ c i thi n s ch K T LU N Những kết qu nghiên c u khoan vi lỗ vật li u thép không gỉ, độ dày khác nghiên c u thử nghi m h thống laser xung NdμYAG phát bước sóng hịa ba bậc hai SHG = 532 nm Công suất laser phát chế độ liên tục điều chỉnh kho ng 20 – 40 W, phát xung qua phương pháp Q-Switch quang – âm tần số kho ng 1.4 – 1.7 kHz đáp ng nhiều ng dụng lĩnh vực khác chế t o màng lọc, thiết bị vòi phun, thiết bị c m biến Chất lượng vi lỗ tương đối ổn định, đư ng kính vi lỗ đ t d i 70 – 110 m, với th i gian tương tác chùm b c x laser với vật li u ngắn 1000 – 1500 ms Trong tương lai, nghiên c u h laser có bước sóng ngắn vùng tử ngo i t o vi lỗ nhỏ 50 m Nhóm tác gi gửi l i c m ơn chân thành tới ban lãnh đ o Trung tâm Công ngh laser, l i c m ơn tới TS Lê Đình Nguyên, tập thể cán nghiên c u c a Trung tâm công ngh laser t o điều ki n tư vấn cho nhóm tác gi thực hi n nghiên c u hoàn thành báo TÀI LI U THAM KH O [1] Walter Koechnerμ “Solid-State Laser Engineering, sixth revised and updated edition” 184λ6 Yellow Schoolhouse Rd, Round Hill, VA 20141, U.S.A Library of congress control number: 2005932556, ISBN-10: 0-387-29094-X, e-ISBN: 0-387-293388 [2] L.M Cabalin, J.J Lasernaμ “Experimental determination of laser induced breakdown thresholds of metals under nanosecond Q-switched laser operation” Depurtment qf’Analytica1 Chemistry, ạaculty of” Sciences, University of Mdlaga E29071 Mblaga Spain Received 23 October 1997; accepted 23 February 1998 Spectrochimica Acta Part B 53 (1998) 723-730 [3] Greg Batesμ “Laser-Material Interaction for Marking: Wavelength dependence of materials: metals, plastics, semiconductors, and other materials” Advanced Laser Center, Miyachi Unitek Corporation [4] Ikhlas Jabir Mahmoodμ “Theoretical Study of Drilling Process Materials By Laser Pulses (Micro, Nano and Picoseconds)” International Journal of Science and Research (IJSR) ISSN (Online): 2319-7064 Index Copernicus Value (2013): 6.14 | Impact Factor (2013): 4.438 [5] P.T Pajak, A.K De Silva, D.K Harrison, J.A McGeoughμ “Research and developments in laser beam machining” Zeszyty Naukowe Politechniki Poznazskiej, Budowa Maszyn I Zarzadzanie Produkcja 2005 [6] Sintec Optronics Technology Pte Ltdμ “Beam expander”10 Bukit Batok Crescent #07-02 The Spire Singapore 658079.Tel: +65 63167112 Fax: +65 63167113 [7] Susumu Konno, Shuichi Fujikawa, and Koji Yasui “Highly efficient 68-W green-beam generation by use of an intracavity frequency-doubled diode sidepumped Q-switched Nd:YAG rod laser”, © 1998 Optical Society of America, OCIS codes: 140.3480, 140.3540, 140.2620, 140.2580 20 September 1998 y Vol 37, No 27 y APPLIED OPTICS [8] W K Marshall, K Cowles, and H Hemmati “Performance of efficient QSwitched diode-laser-pumped Nd:YAG and Ho:YLF lasers for space applications” Communications systems research section, TDA Progress Report 42-95, July-September 1988 [9] R.J.Jonesμ “Second Harmonic Generation, Fall 2012” Optical Sciences [10] V.I Donin, D.V Yakovin and A.V Gribanovμ “Diode-Pumped Nd:YAG Green Laser with Q-Switch and Mode Locking” Institute of Automation and Electrometry, Siberian Branch of RAS, Novosibirk [11] P K Mukhopadhyay, K Ranganathan, S K Sharma, J George, R Sunder and T P S Nathanμ “Highly efficient green beam generation by simulataneous side and end of an intracavity frequency double Q-Switched Nd:YAG laser” Solid state laser Division, Center for Advanced Technology, Indore, M P 452013, INDIAN Abstract: Laser Drilling technology can create micro-holes with the diameter size about few tens micrometer When laser radiation has wavelength in the ultraviolet region, the micro-hole diameter may be small than 20 µm This technology is used in many applications such as manufacturing nozzles, slots, membranes used in instrumentation, biosensors, devices connected high density, medical devices, the components of aerospace equipment Laser drilling technology popular used the wavelength in the Ultraviolet (UV), Visible (VIS), and Infrared (IR) region The system laser drilling uses pulse laser Nd:YAG pumped by laser diode, the power at the wavelength 532 nm can achieve 50 W that we research and development can drill the micro- hole below 100 micrometer In this research, we toward the type sheet stainless steel material with thickness from 0.1 mm to 0.5 mm Keys: Laser drilling micro-holes, Second-harmonic generation pulse laser Nd:YAG Phan Đình Thắng*, Đặng Văn Mười*, Hồng Chí Hi u**, Hồ Anh Tâm*** Phịng laser cơng nghi p, Trung tâm công ngh laser (NACENLAS) ng Dụng Công Ngh (NACENTECH), C6 Thanh Xuân Bắc, Thanh Xuân Hà Nội e-mail: phanthang.pdt@gmail.com e-mail: mr.dang249@gmail.com ** Khoa Vật Lý, Trư ng Đ i học khoa học tự nhiên, 334 Nguy n Trãi, Hà Nội e-mail: hieuhc@hus.edu.vn *** Trung tâm hợp tác chuyển giao trí th c, ĐH Quốc Gia Hà Nội, 144 Xuân Th y,Cầu Giấy e-mail: hoanhtam@gmail.com * Vi n Ngày nhận ... h vi dịch chuyển 100 ms Kết qu khoan vi lỗ vật li u thép không gỉ thay đổi dịng bơm trình bày hình a) b) Hình 5: Kết qu khoan vi lỗ vật liệu thép không gỉ độ dày 0.1 mm, thời gian phát xung laser. .. sóng số lo i vật liệu [3] Khi tương tác với vật li u nguồn laser xung, lượng tương tác với vật li u lớn nhiều so với lượng c a b c x laser liên tục[4] Khoan vật li u laser xung ngắn, vi lỗ t o thành... tương tác chùm b c x laser lên vật li u thay đổi, đư ng kính vi lỗ thay đổi khơng nhiều, vi lỗ hình thành, chùm tia laser qua vi lỗ, không tương tác với vật li u nên kích thước vi lỗ trì Hình 7: Sự