Hướng dẫn thí nghiệm môn học kỹ THUẬT LASER

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI VIỆN CƠ KHÍ Bộ mơn Cơ khí xác & Quang học -  Hướng dẫn thí nghiệm mơn học KỸ THUẬT LASER Họ tên sinh viên: Tài Liệu HUST Mã lớp học: Bachkhoa Universe Mã lớp thí nghiệm: Hà nội, 2022 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com CÁC CẤP ĐỘ AN TOÀN CỦA LASER Sự nguy hiểm laser chia thành loại dựa vào khả gây phá hủy mặt sinh học mắt da Mục đích việc phân loại mức độ nguy hiểm để cảnh báo người sử dụng nguy hại tiếp xúc với laser Các giới hạn tiếp xúc phụ thuộc vào công suất phát hay lượng, bước sóng xạ, thời gian tiếp xúc, diện tích mặt cắt ngang chùm laser Phân loại Laser theo ANSI (American National Standard Institute – Viện Tiêu chuẩn Quốc gia Hoa Kỳ): Loại I (class I): Không thể phát xạ laser mức độ nguy hiểm (đặc trưng cho loại laser liên tục CW (continous wave) công suất 0,4 µW bước sóng khả kiến Laser thuộc loại bao gồm máy in laser, máy hát đĩa CD, thiết bị trắc địa, chúng không phép phát mức xạ quang học giới hạn phơi sáng mắt Loại I.A (class I.A): Là loại thiết kế chuyên dụng cho laser khơng có khuynh hướng nhìn, ví dụ máy qt laser mã vạch siêu thị Được phép có cơng suất cao laser loại I (không mW), không vượt giới hạn loại I khoảng thời gian phát xạ 1000 giây Loại II (class II): Là laser công suất thấp phát chùm tia miền quang phổ khả kiến Những laser bị giới hạn công suất phát 1mW, thấp độ phơi sáng lớn cho phép 0,25 giây Phản ứng khó chịu tự nhiên ánh sáng khả kiến có độ sáng giúp bảo vệ mắt khỏi bị phá hủy, cố ý nhìn thời gian dẫn tới hỏng mắt Một số ví dụ laser thuộc loại laser thuyết trình dùng lớp học, trỏ laser, dụng cụ đo xa Loại IIIA (class IIIA): Là laser liên tục cơng suất trung bình (1-5 mW) Chúng xem an tồn nhìn chốc lát (dưới 0,25 giây), khơng nên nhìn trực diện nhìn qua dụng cụ quang phóng đại Loại IIIB (class IIIB): Có cơng suất trung bình (sóng liên tục 5-500 mW, laser xung 10 J/cm ), khơng an tồn nhìn trực diện nhìn qua phản xạ Những đo đạc an toàn đặc biệt khuyến nghị tiêu chuẩn điều khiển rủi ro laser thuộc loại Ví dụ ứng dụng laser thuộc loại quang phổ kế, kính hiển vi đồng tiêu sơ diễn ánh sáng giải trí Loại IV (class IV): Phát cơng suất cao, vượt giới hạn dành cho laser loại IIIB, yêu cầu phải điều khiển nghiêm ngặt để loại trừ nguy hiểm lúc sử dụng chúng Cả chùm tia trực tiếp lẫn chùm tia phản xạ khuếch tán từ laser loại làm hỏng mắt da, có khả gây cháy tùy thuộc vào chất liệu mà chúng chạm tới Đa số tổn thương cho mắt laser phản xạ ánh sáng laser loại IV, bề mặt phản xạ phải giữ xa chùm tia phải đeo kính bảo vệ mắt thích hợp lúc làm việc với TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com laser Laser thuộc loại dùng cho phẫu thuật, cắt, khoan, vi gia công cắt gọt, hàn TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Bài I ĐO KÍCH THƯỚC LỚN CỦA BỘ PHẬN VÀ CHI TIẾT MÁY BẰNG LASER THEO PHƯƠNG PHÁP DỊCH PHA Mục đích: - Sinh viên hiểu phương pháp đo kích thước lớn phận chi tiết máy theo phương pháp dịch pha - Biết cách sử dụng thiết bị đo khoảng cách laser Thiết bị thí nghiệm : • Máy đo khoảng cách laser cầm tay Leica DISTO D2 • Chi tiết đo mẫu chốt trụ có đường kính d theo hình vẽ 1.3 • Encoder góc có 24000 xung Nội dung thí nghiệm: Tìm hiểu nắm nguyên lý hoạt động máy đo khoảng cách laser Thực phép đo trực tiếp khoảng cách tâm hai lỗ L Thực phép đo gián tiếp khoảng cách tâm hai lỗ L Trình tự thí nghiệm: Tìm hiểu ngun lý hoạt động thiết bị đo • Nguyên lý hoạt động thiết bị đo Phương pháp sử dụng điều biến để điều chế cường độ tia laser thành dạng tín hiệu điều hịa có tần sơ f khơng lớn Hình 1.1 Sơ đồ ngun lý đo khoảng cách dịch pha TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Sơ đồ nguyên lý chung thiết bị đo di pha hình 1.1 tia laser từ nguồn bị điều biến thành sóng điều hịa dạng sin với tần số f tín hiệu từ tạo dao động điều hịa Tín hiệu đo từ điều biến sau phản xạ từ mặt đo khoảng cách L thu nhận hệ quang điện gửi đến so pha với tín hiệu điều hịa chuẩn từ tạo dao động Bộ so pha đo độ sai lệch pha tín hiệu chuẩn tín hiệu đo Pha tín hiệu thu chậm tín hiệu phát ra: =4 f - c vận tốc ánh sáng - f tần số tín hiệu điều chế Như chiều dài cần đo: L = c / f Độ nhạy phương pháp phụ thuộc vào khả đo độ lệch pha hai tín hiệu Nếu tần số tín hiệu điều chế f = 1,56.10 Hz khả đo lệch pha phút độ phân giải của phép đo 1mm • Cách sử dụng thiết bị đo (4).Kết (3).Đơn vị đo (2).Thiết lập gốc tọa độ (1).Khởi động thiết bị đo lấy kết (6).Hiệu lần đo (5).Tổng lần đo (8).Đèn hình (7) Các chức đo (9).Xóa kết tắt thiết bị Hình 1.2 Ảnh thiết bị đo khoảng cách cầm tay Leica DISTO A2 Phạm vi đo: từ 0,05m đến 60m độ xác ±1,5mm Cách sử dụng : Bấm nút ON/ DIST (1) để khởi động thiết bị Hướng tia laser vào điểm cần đo, bấm nút ON/ DIST kết đo (4) hình Có thể thiết lập gốc tọa độ đo (2) từ phía đầu phía cuối dụng cụ đo Bấm nút (5) TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com (6) để tính tổng hiệu hai lần đo liên tiếp Bấm nút (7) để đo diện tích, thể tích chi tiết d d d d L=1000±1 Hình 1.3 Chi tiết đo chốt trụ Hình 1.4: Sơ đồ bố trí thí nghiệm Đo trực tiếp khoảng cách tâm hai lỗ L • Bước 1: Gá hai chốt trụ có đường kính đường kính lỗ d = mm vào hai lỗ, cài đặt dụng cụ đo laser khoảng cách cho gốc tọa độ phần cuối dụng cụ đo • Bước 2: Đặt dụng cụ đo lên đầu chốt hướng tia laser phía chốt cịn lại cho phương tia laser vng góc với đường tâm chốt trụ, bấm nút ON/DIST cho tia laser có phương trùng với đường nối hai tâm chốt Bấm nút ON/DIST lần thứ đọc thị hiển thị hình dụng cụ đo ta khoảng cách từ gốc tọa độ đo đến chốt A Lặp lại thao tác lần ghi kết vào bảng 1.1 Khoảng cách hai tâm lỗ L là: L= A + d Đo gián tiếp khoảng cách tâm hai lỗ L Có chi tiết khơng thể thực đo khoảng cách hai tâm lỗ theo phương pháp đo trực tiếp ta đo khoảng cách gián tiếp sau: thiết bị gồm hai chốt TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com trụ đường kính d Và encoder góc có 24000 xung vịng chia 360 o Thiết bị đo khoảng cách laser đặt lên encoder góc để đo góc quay hai phương kích thước l l2 Để đo góc quay ta đếm số xung encoder góc, góc tính cơng thức: = d ố 120000 × 3600 d=8mm d 1000±1 d d L l l Hình 1.5: Sơ đồ đo khoảng cách gián tiếp • Bước 1: Gá hai chốt trụ vào hai lỗ, đặt dụng cụ đo khoảng cách laser lên encoder góc cho điểm xuất phát tia laser trùng với tâm quay encoder • Bước 2: Bấm nút ON/DIST chiếu tia laser phía chốt trụ thứ cho phương tia laser trùng với phương đường nối từ tâm quay đến chốt trụ, cài đặt dụng cụ đo laser cho gốc tọa độ phần đầu dụng cụ đo, set hiển thị số xung encorder góc Bấm nút ON/DIST lần thứ đọc thị hiển thị hình máy đo khoảng cách laser ta khoảng cách từ gốc tọa độ đo đến chốt l1 Xoay dụng cụ đo hướng tia laser phía chốt trụ thứ cho tia laser qua phương đường nối tâm chốt trụ thứ tâm đĩa chia độ Bấm nút ON/DIST đọc thị hình dụng cụ đo ta khoảng cách l Xác định góc xoay dụng cụ đo laser cách đọc số xung hiển thị ta tính góc quay dụng cụ đo Lặp lại thao tác lần ghi kết vào bảng 1.2 Khoảng cách hai tâm lỗ là: TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com L= r bán kính chốt trụ d r= TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI I Tên sinh viên thí nghiệm : Lớp : Ngày thí nghiệm : Người hướng dẫn : Đánh giá: SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ TÍNH TỐN KẾT QUẢ ĐO Đo trực tiếp kích thước L=1000 Bảng số liệu 1-1 Thông số Lần đo Giá trị trung bình • Khoảng cách hai tâm lỗ L: L =A+d= TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Hình 4.4 Đặt gương tĩnh vào hệ giao thoa Bây nhìn thấy chùm tia thành phần chắn Chỉnh nghiêng gương tĩnh cho tia trùng Cuối cùng, đặt thấu kính vào nguồn chia chùm Bây nhìn thấy vân giao thoa màn, khơng có vân phải điều chỉnh vít gương tĩnh Hình 4.5 Đặt thấu kính vào để hình thành vân trịn 28 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Phụ thuộc vào vị trí thấu kính mà ta nhìn thấy vân thẳng hay vân tròn Các vân thẳng tạo cách đặt thấu kính chia chùm hình 4.6 Hình 4.6 Vị trí thấu kính để hình thành vân thẳng Hình 4.7 Mẫu vân thẳng tạo vị trí thấu kính hình 4.6 Các bước thí nghiệm : 3.1 Đo dịch chuyển nhỏ Xoay từ từ vít vi chỉnh vi dịch chuyển SM1ZP để dịch chuyển gương động, đồng thời quan sát thay đổi vân chắn Đếm thay đổi mắt cảm biến kết nối với oscilloscope (nếu có), vân thay đổi từ vân sáng sang vân tối trở lại vân sáng tính lần thay đổi vân Một lần thay đổi vân tương ứng với gương động dịch khoảng /2 = 266 nm Lặp lại lần ghi số liệu vào bảng 4.1 Để kiểm tra độ xác phép đo dịch chuyển nhỏ này, so sánh 29 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com với kết đọc vi dịch chuyển SM1ZP Trên vòng tang trống vi dịch chuyển Thorlab có 50 vạch (hình 4.8), vạch tương ứng với µm Chúng ta đọc vạch bắt đầu dịch chuyển sau kết thúc dịch chuyển, từ suy khoảng dịch chuyển (nếu quay q vịng phải cộng thêm 50 µm) Hình 4.8 Bộ vi dịch chuyển Thorlab SM1ZP 3.2 Đo bước sóng nguồn laser Đo bước sóng nguồn phát q trình ngược lại việc đo dịch chuyển nhỏ, ta biết xác dịch chuyển gương động tính ngược lại bước sóng nguồn Giả sử ta đếm N lần thay đổi vân dịch gương động khoảng s bước sóng tính theo cơng thức : N /2 = s = 2.s/N Ghi : Để đảm bảo an toàn cho người dụng cụ thí nghiêm, sinh viên làm thí nghiệm khơng phép nhìn trực tiếp nhìn chăm vào nguồn laser không sờ vào bề mặt làm việc dụng cụ quang học mặt gương, thấu kính, chia chùm… 30 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI IV SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ TÍNH TỐN KẾT QUẢ ĐO Bảng 4.1 Kết đo dịch chuyển nhỏ Lần Bảng 4.2 Kết đo bước sóng nguồn laser Lần 31 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Bài V ĐO HỆ SỐ GIÃN NỠ NHIỆT CỦA THANH NHƠM Mục đích: Sinh viên hiểu phương pháp đo hệ số giãn nỡ nhiệt loại vật liệu giao thoa kế Michelson Thiết bị thí nghiệm : • Bàn quang học Thorlab B1218FE chân cao su giảm chấn RDF1 • Nguồn laser diode bước sóng = 532 nm, cơng suất P=0,9 mW nguồn chiều 5V LDS5 • Trục nhơm cần đo hệ số giãn nở nhiệt • Gá gương KM100 gương phản xạ PF10-03-P01 • Gá thấu kính LMR1(/M) thấu kính mặt cầu lồi đường kính 25,4 mm, tiêu cự f = 50 mm • Bộ chia chùm không phân cực dạng khối lập phương BS • Trục gá vạn • Nhiệt kế để đo thay đổi nhiệt độ trụ nhơm • Màn chắn M Nội dung thí nghiệm : - Tìm hiểu phương pháp đo hệ số giãn nở nhiệt vật liệu giao thoa kế laser Michelson Trình tự thí nghiệm : Thiết lập hệ thí nghiệm giống đo dịch chuyển nhỏ IV, khác thay chỗ gá gương động vi dịch chuyển nhôm cần đo hệ số giãn nở nhiệt hình 5.1 đầu gá lên trục gá vạn năng, đầu cịn lại gá gương phản xạ tồn phần Hình 5.1 Vị trí cách lắp nhơm thay vị trí gương động 32 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com - Dán nhiệt điện trở (màu vàng hình 5.1) lên trục nhơm Tấm nhiệt điện trở có dây ra, dây nối với nguồn điện chiều 12v để nung nóng, dây cịn lại dây tín hiệu để đo nhiệt độ - Cắm đầu đo nhiệt kế vào lỗ đầu gá vào trục gá vạn để đo nhiệt độ nhơm Sau đó, nối vào nguồn điện chiều để gia nhiệt cho nhôm - Đầu đo Khi nhôm tăng nhiệt độ, bị giãn ra, đầu bị kẹp vào trục gá vạn nên trục nhôm bị giãn phía lắp gương Do làm gương Hình 5.2 Nhiệt kế để đo nhiệt độ trục nhôm dịch chuyển vân quan sát thay đổi Một người đọc thay đổi nhiệt độ nhôm, người đếm số lần dịch vân chắn (chú ý lần dịch vân vân chuyển từ sáng sang tối trở sáng) Ghi số liệu vào bảng 5.1 Xác định hệ số giãn nở nhiệt trục nhôm: Sự giản nở nhiệt trục nhôm phụ thuộc vào hệ số giãn nở nhiệt nó: α= dL với L chiều dài trục nhôm dL/dT tốc độ thay đổi chiều dài theo L dT biến thiên theo nhiệt độ Nghiệm phương trình L = Lo exp( T) Áp dụng khai triển Taylor cho hàm e mũ ( ) ta có xấp xỉ bậc sau: L = Lo (1 + T) với T thay đổi nhiệt độ nhôm Suy = L/(Lo T) L giản nở nhiệt nhơm dịch chuyển gương gắn nên ta tính IV L = N /2 Vậy α = Lo chiều dài ban đầu nhôm 90 mm 33 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI V SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ TÍNH TỐN KẾT QUẢ ĐO Bảng 5.1 Kết đo hệ số giãn nở nhiệt Nhiệt độ bắt đầu Nhiệt độ kết thúc Tổng số lần dịch vân N Chiều dài trục nhơm tính Hệ số giãn nở nhiệt Chiều dài Thanh nhôm Sự tăng nhiệt độ (oC) Hình 5.3 Biểu đồ thể thay đổi chiều dài nhôm theo tăng nhiệt độ 34 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Bài VI ĐO CHIẾT SUẤT CỦA VẬT LIỆU THỦY TINH Mục đích: Sinh viên hiểu phương pháp đo hệ chiết suất vật liệu suốt giao thoa kế Michelson Thiết bị thí nghiệm : • Bàn quang học Thorlab B1218FE chân cao su giảm chấn RDF1 • Nguồn laser diode bước sóng = 532 nm, công suất P=0,9 mW nguồn chiều 5V LDS5 • Gá gương KM100 gương phản xạ PF10-03-P01 • Gá thấu kính LMR1(/M) thấu kính mặt cầu lồi đường kính 25,4 mm, tiêu cự f = 50 mm • Bộ chia chùm khơng phân cực dạng khối lập phương BS • Tấm thủy tinh cần đo chiết suất • Trục gá vạn • Màn chắn M Nội dung thí nghiệm : Tìm hiểu ngun lý hoạt động giao thoa kế laser Michelson - Đo chiết suất thủy tinh Trình tự thí nghiệm : Thiết lập hệ thí nghiệm giống IV Đặt thủy tinh cần đo chiết suất lên đầu phân độ, sau đặt cụm vào nhánh giao thoa kế Michelson cho tia laser vng góc qua thủy tinh (hình 6.1) Xoay vít dịch chuyển đầu phân độ để nghiêng thủy tinh góc Vít dịch chuyển Vạch trùng 35 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Hình 6.1 Đặt thủy tinh cần đo chiết suất vào nhánh giao thoa kế Michelson Đồng thời với trình xoay thủy tinh, người đo phải đếm thay đổi vân Sự dịch vân quãng đường ánh sáng bị thay đổi khúc xạ chùm laser qua thủy tinh thể hình 6.2 Hình 6.2 Sự khúc xạ laser qua thủy tinh phẳng bị xoay góc 36 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Tính tốn chiết suất thủy tinh - Khi thủy tinh quay góc đếm N lần dịch vân (sáng-tốisáng) chiết suất n tính sau: - Cơng thức tính n thiết lập dựa vào hình vẽ 6.2 ký hiệu góc khúc xạ , đoạn L1, e, t, w, f, g, h, L2 sau: Từ hình 6.2a ta có: Tương tự, nhìn vào hình 6.2b ta suy ra: đây, ta lưu ý mối quan hệ e = t tan Trong hình 6.2c ta có:g = t – f = t h = g cos = (t L2 = t – h = t - (t Theo định luật khúc xạ ánh sáng Snell : nkk sin = n sin sin = nkk chiết suất khơng khí xấp xỉ Từ công thức lượng giác sin2 + cos2 =1 cos = √1 − Như thảo luận thí nghiệm IV Đo dịch chuyển nhỏ giao thoa kế Michelson, chênh lệch quang lộ s = N /2 N = s N = (6.2) 37 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com Từ công thức 6.2 ta có: = Chuyển vế bình phương vế lên ta được: Vậy ta có cơng thức tính chiết suất thủy tinh cơng thức 6.1: BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI VI SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ TÍNH TỐN KẾT QUẢ ĐO Lần đo Giá trị chiết suất chuẩn thủy tinh sử dụng 1,49 38 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com ... download : skknchat123@gmail.com BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI I Tên sinh viên thí nghiệm : Lớp : Ngày thí nghiệm : Người hướng dẫn : Đánh giá: SỐ LIỆU THÍ NGHIỆM VÀ TÍNH TỐN KẾT QUẢ ĐO Đo trực tiếp... ni nguồn laser công suất thay đổi tương ứng 17 TIEU LUAN MOI download : skknchat123@gmail.com BÁO CÁO THÍ NGHIỆM BÀI II Tên sinh viên thí nghiệm : Lớp : Ngày thí nghiệm : Người hướng dẫn : Đánh... xét mô tả cấu tạo laser GaAs - Xác định phân cực laser GaAs - Đo thay đổi công suất phát laser GaAs theo dịng Trình tự thí nghiệm : Tìm hiểu nguyên lý, cấu tạo laser bán dẫn GaAs Laser diode bao