LUẬN văn đề tài một số laser rắn

LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐỀ TÀI: “Một số laser rắn” GVHD: Hồng Hữu u Hịa H SVTH: Lê Thị Bích ch Liên Li LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn MỤC LỤC MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Mục đích nghiên cứu Nhiệm vụ nghiên cứu .8 Đối tượng nghiên cứu .8 Phạm vi nghiên cứu Phương pháp nghiên cứu NỘI DUNG 10 Chương 1: Cơ sở lý thuyết 10 1.1 Quá trình hấp thụ, phát xạ tự phát phát xạ cưỡng theo quan điểm lượng tử 10 1.1.1 Quá trình hấp thụ 11 1.1.2 Quá trình phát xạ tự phát 12 1.1.3 Quá trình phát xạ cưỡng 13 1.2 Hiện tượng khuếch đại 15 1.3 Sự nghịch đảo mật độ cư trú 16 1.4 Ngưỡng phát 16 Chương 2: Tổng quan Laser 18 2.1 Khái niệm 18 2.2 Lịch sử nghiên cứu Laser 19 2.3 Cơ chế phát Laser 22 2.4 Cấu tạo máy phát laser 28 2.4.1 Môi trường hoạt chất 29 2.4.2 Nguồn bơm Laser 30 GVHD: Hồng Hữu Hịa SVTH: Lê Thị Bích Liên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn 2.4.3 Buồng cộng hưởng Laser 31 2.4.3.1 Cấu tạo 31 2.4.3.2 Chức 32 2.4.3.3 Hệ số phẩm chất buồng cộng hưởng 33 2.4.3.4 Các Mode buồng cộng hưởng 34 2.5 Đặc điểm chùm tia Laser 35 2.5.1 Tính chất vật lý 35 2.5.1.1 Độ định hướng cao 35 2.5.1.2 Tính đơn sắc cao 36 2.5.1.3 Có khả phát xung cực ngắn 36 2.5.1.4 Độ rộng phổ 36 2.5.1 Cường độ sáng lớn 37 2.5.1.6 Tính kết hợp Laser 38 2.5.2 Tính chất sinh học 38 2.5.2.1 Hiệu ứng kích thích sinh học 38 2.5.2.2 Hiệu ứng nhiệt 39 2.5.2.3 Hiệu ứng quang ion 39 Chương 3: Một số laser rắn 40 3.1 Khái niệm laser rắn 40 3.2 Đặc điểm Laser rắn 40 3.3 Laser Ruby 40 3.3.1 Khái niệm 40 3.3.2 Cấu tạo Ruby 40 3.3.3 Cấu tạo Laser Ruby 41 3.3.3.1 Môi trường hoạt chất 42 3.3.3.2 Buồng cộng hưởng 43 GVHD: Hồng Hữu Hịa SVTH: Lê Thị Bích Liên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn 3.3.3.3 Nguồn bơm 44 3.3.4 Nguyên lý hoạt động Laser Ruby 45 3.2.5 Ưu nhược điểm Laser Ruby 51 3.2.5.1 Ưu điểm 51 3.2.5.2 Nhược điểm 51 3.4 Laser Ti: sapphire 52 3.4.1 Khái niệm 52 3.4.2 Cấu tạo Sapphire 52 3.4.3 Cấu tạo Laser Ti: sapphire 52 3.4.3.1 Môi trường hoạt chất 52 3.4.3.2 Buồng cộng hưởng 53 3.4.3.3 Nguồn bơm 56 3.4.4 Nguyên lý hoạt động Laser Ti: sapphire 56 3.4.5 Ưu nhược điểm Laser Ti: sapphire 59 3.5 Laser dùng nguyên tố đất 59 3.5.1 Laser Nd:YAG 59 3.5.1.1 Khái niệm 59 3.5.1.2 Cấu tạo Nd:YAG 60 3.5.1.3 Cấu tạo Laser Nd:YAG 60 3.5.1.4 Nguyên lý hoạt động Laser Nd:YAG 62 3.5.1.5 Ưu nhược điểm Laser Nd:YAG 65 3.5.2 Laser Yb: YAG 66 3.5.2.1 Khái niệm 66 3.5.2.2 Cấu tạo Yb:YAG 66 3.5.2.3 Cấu tạo Laser Yb:YAG 66 3.5.2.4 Nguyên lý hoạt động Laser Yb:YAG 68 GVHD: Hồng Hữu Hịa SVTH: Lê Thị Bích Liên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn 3.5.2.5 Ưu nhược điểm Laser Yb:YAG 69 3.5.3 Laser rắn sử dụng số nguyên tố đất khác 69 3.6 Laser Tm:Ho: YAG 70 3.7 Ứng dụng Laser rắn 72 3.7.1 Gia công vật liệu 72 3.7.2 Trong quân 78 3.7.3 Dùng y học 79 KẾT LUẬN 82 TÀI LIỆU THAM KHẢO 83 GVHD: Hồng Hữu Hịa SVTH: Lê Thị Bích Liên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn MỞ ĐẦU Lý chọn đề tài Cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật đại bắt đầu năm 40 kỉ 20 Những phát minh khoa học - kĩ thuật cuối kỉ 19 đầu kỉ 20 tiền đề cách mạng khoa học kỹ thuật đại Cuộc cách mạng giai đoạn chủ yếu công nghệ Việc áp dụng cơng nghệ hồn tồn tạo điều kiện cho sản xuất phát triển theo chiều sâu, giảm hẳn tiêu hao lượng nguyên liệu, giảm tác hại cho môi trường, nâng cao chất lượng sản phẩm dịch vụ, thúc đẩy mạnh mẽ phát triển sản xuất Một hai đóng góp to lớn cho khoa học kỹ thuật ngành vật lý kỷ 20 laser Bất kì danh sách điểm lại thành tựu công nghệ chủ yếu kỉ 20 có tên laser Năm 1960, laser đời nhà bác học Maiman (Mỹ) chế tạo Laser nguồn phát ánh sáng có tầm quan trọng ngày cao sống hàng ngày Nó nguồn ánh sáng nhân tạo thu nhờ khuếch đại ánh sáng xạ phát kích hoạt cao nồng độ phần tử môi trường vật chất tương ứng Laser ánh sáng có nhiều tính chất đặc biệt hẳn ánh sáng tự nhiên hay nhân tạo khác có cơng dụng hữu ích áp dụng nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật đời sống, tạo nên cách mạng khoa học kỹ thuật sau đời Laser trở thành vật thiết yếu công việc hàng ngày, thông dụng đến mức mua cửa hàng tạp hóa Sự thâm nhập laser vào mặt đời sống đánh giá phạm vi ứng dụng công nghệ laser Laser ứng dụng nhiều lĩnh vực như: quân sự, kể việc sử dụng laser làm vũ khí chống lại công tên lửa, hoạt động thường nhật nghe nhạc đĩa CD, in GVHD: Hồng Hữu Hịa SVTH: Lê Thị Bích Liên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn ấn in văn giấy sử dụng đến laser Đặc biệt laser sử dụng rộng rãi điều trị y khoa phẫu thuật, gia công vật liệu Hay mạng viễn thông giới phần lớn truyền dẫn việc gởi tín hiệu laser dạng xung hàng dặm đường sợi cáp quang, đồ tạo tác mang ý nghĩa văn hóa tranh thời cổ đại thường thẩm định rạn nứt, hỏng hóc phục hồi với hỗ trợ laser Cùng với máy tính điện tử, mạch tích hợp, vệ tinh nhân tạo, công nghệ laser phát triển ngày trở nên quan trọng sống hàng ngày chúng ta, biến giấc mơ nhiều năm trước loài người thành thật Laser chế tạo laser Ruby, laser sử dụng Ruby làm môi trường hoạt chất Ngay sau nhà khoa học nghiên cứu chế tạo nhiều laser khác sử dụng nhiều chất khác làm môi trường hoạt chất Từ cơng nghệ laser trở nên đa dạng với nhiều lĩnh vực: laser rắn, laser khí, laser bán dẫn, laser lỏng Ban đầu laser tạo có cơng suất thấp ứng dụng không nhiều, nhà khoa học nghiên cứu dùng nhiều cách tạo laser công suất cao với nhiều ứng dụng quan trọng thực tế Công nghệ laser phát triển mạnh mẽ sau kỷ 20, công nghệ laser nghiên cứu theo hướng Đặc biệt trào lưu sử dụng đơn nguyên tử vào công nghệ laser Tùy vào môi trường hoạt chất mà công nghệ laser phân thành nhiều ngành khác nhau: laser rắn, laser lỏng, laser bán dẫn, laser khí Trong laser rắn phát minh mở cho loại laser sau phát triển Laser rắn sử dụng môi trường hoạt chất chất rắn Laser rắn ứng dụng nhiều lĩnh vực y học, gia công vật liệu, quân Ở Việt Nam công nghệ laser nhà khoa học quan tâm nghiên cứu đạt nhiều thành tựu, triển khai ứng dụng công nghệ laser GVHD: Hồng Hữu Hịa SVTH: Lê Thị Bích Liên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn vào sống Ở nước ta có Trung tâm cơng nghệ Laser Hà Nội đạt nhiều thành tựu to lớn công nghệ laser góp phần khơng nhỏ chương trình cơng nghiệp hoá đại hoá đất nước như: - Laser công nghiệp Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Laser xử lý vật liệu (cắt, hàn, khắc, ) Tư vấn chuyển giao công nghệ cho sở, đơn vị lĩnh vực - Laser Y tế Chế tạo loại Laser He-Ne trị liệu 2-50mW; Các loại Laser CO2 phẫu thuật 10-40W; Laser Diode châm cứu; Laser He-Cd, Laser Nd: YAG, Laser Ruby Từ khai thác, làm chủ hệ laser CO2 công suất lớn, laser bán dẫn, Trung tâm chế tạo thành công nhiều hệ laser đưa vào ứng dụng gia công cắt gọt, sử dụng phẫu thuật Thành công nghiên cứu theo phương pháp chuẩn trực công nghiệp chùm tia laser bán dẫn, chế tạo thành công hệ đo laser không tiếp xúc với cự ly từ 30m đến 1500m, phục vụ hiệu công nghiệp, xây dựng an ninh quốc phòng Đặc biệt thiết bị laser He- Ne đem lại kết tốt điều trị bệnh da, dị tật phong, nội tĩnh mạch cai nghiện ma t Ngồi Trung tâm cơng nghệ laser nước ta cịn có Phân viện quang học quang phổ khảo sát tính chất vật lý laser bán dẫn, laser công suất cao Đã phát triển, chế tạo ứng dụng laser cơng suất cao Ngồi có nhiều nhà khoa học, nhiều trung tâm khoa học vật liệu Trung tâm khoa học tự nhiên công nghệ quốc gia, nhiều Viện khoa học nghiên cứu, chế tạo ứng dụng laser vào sống Cùng với thành tựu đạt công nghệ laser vào sống Việt Nam giới Laser khơng cịn lĩnh vực lạ nước ta Khi đường hay đâu nghe nhắc đến laser GVHD: Hồng Hữu Hịa SVTH: Lê Thị Bích Liên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn dao laser, máy in laser, bút laser, trò chơi trẻ em Rất nhiều bạn mua bút laser đâu Với ứng dụng rộng rãi laser ngày việc tìm hiểu hoạt động, cấu tạo, chế phát laser cần thiết Laser rắn laser biết đến nhiều ứng dụng nhiều y học, gia cơng vật liệu Với ứng dụng quan trọng laser rắn phần trở thành thành phần khơng thể thiếu sống người Đó lý tơi chọn đề tài này: “Một số laser rắn” Để tìm hiểu rõ số loại laser rắn cấu tạo, nguyên tắc hoạt động, ứng dụng Mục đích nghiên cứu Với tầm quan trọng laser laser rắn sống người ngày nay, nghiên cứu đề tài với mục đích đặt sau: - Nắm vững sở lý thuyết laser rắn - Nêu số loại laser rắn nhiều phương diện cấu tạo, chế hoạt động, ứng dụng, tầm quan trọng sống - Đề tài phân biệt laser rắn với loại laser khác - Đề tài nêu ứng dụng laser rắn sống Nhiệm vụ nghiên cứu Để hoàn thành tốt đề tài nhiệm vụ cụ thể đặt là: - Nghiên cứu nắm vững sở lý thuyết laser laser rắn - Thu thập tài liệu sách mạng Internet - Tổng hợp, phân tích, so sánh, khái quát tài liệu thu thập - Dịch tài liệu tiếng anh để đề tài phong phú Đối tượng nghiên cứu Để đạt mục đích nhiệm vụ nghiên cứu xác định đối tượng nghiên cứu sau: GVHD: Hồng Hữu Hịa SVTH: Lê Thị Bích Liên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn - Cơ sở lý thuyết laser - Cấu tạo, nguyên lý hoạt động, tính chất laser - Phân biệt laser rắn với loại laser khác - Cấu tạo, đặc điểm, chế phát laser rắn - Các loại laser rắn: laser Ruby, Laser Nd: YAG, laser Sapphire, laser Yb: YAG, laser Tm:Ho:YAG, số laser dùng số nguyên tố đất khác - Ứng dụng laser rắn sống Phạm vi nghiên cứu Đề tài nghiên cứu sơ lược sở lý luận laser cấu tạo, chế hoạt động laser Đề tài nghiên cứu kỹ loại laser rắn cấu tạo, chế hoạt động, ưu nhược điểm Đề tài nêu sơ lược ứng dụng laser rắn quân sự, y học gia công kim loại Phương pháp nghiên cứu - Thu thập tài liệu mạng, số sách - Tổng hợp, xử lý, khái quát, phân tích tài liệu thu - Nghiên cứu lý thuyết, sở lý luận - Dịch nghiên cứu tài liệu tiếng Anh GVHD: Hồng Hữu Hịa SVTH: Lê Thị Bích Liên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn 69 dụng laser Yb: YAG để tạo laser xung cực ngắn (có thể pico giây) phương pháp điều biến độ phẩm chất phương pháp khóa mode Cơng suất phát laser khoảng 50W 3.5.2.5 Ưu nhược điểm Laser Yb:YAG o Ưu điểm So với Laser Nd: YAG laser Yb: YAG có tính chất tốt sau: - Khuyết tật lượng tử thấp h p  h h p  9% , nóng lên hoạt chất chậm hoạt chất laser Nd: YAG nên mát q trình phát - Thời gian sống trạng thái siêu bền lâu nên Yb: YAG môi trường tốt cho việc biến điệu phẩm chất buồng cộng hưởng - Mức pha tạp cao 6,5% nên tương tác ion ion làm phổ huỳnh quang - Bề rộng phổ phát xạ laser khoảng 86 cm-1, thích hợp cho việc điều khiển tạo xung laser với việc khóa mode, tạo xung ps - Phát xạ cưỡng yếu cho phép lượng cao tích trữ trước giải phóng o Nhược điểm Hạn chế laser Yb: YAG ngưỡng bơm cao hoạt động theo sơ đồ ba mức lượng Phát xạ kích thích yếu 3.5.3 Laser rắn sử dụng số nguyên tố đất khác Cũng giống Neodymi nguyên tố đất như: Dyprozi (Dy3+), Samari (Sm2+), Erbium (Er2+), Holmi (Ho3+), Praseodym (Pr3+) sử dụng làm hoạt chất cho laser Các ion đất pha vào chất như: CaF2, YAG, CaWO4 GVHD: Hoàng Hữu Hịa SVTH: Lê Thị Bích Liên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn 70 Nghịch đảo nồng độ ion đất thực theo sơ đồ mức lượng nên ngưỡng bơm nhỏ Bảng sau trình bày bước sóng dịch chuyển công tác số laser dùng nguyên tố đất làm hoạt chất Nguyên tố đất Kí hiệu Dịch chuyển cơng Bước ion tác ( m ) Dysprosi Dy3+ I  I8 2,36 Samari Sm3+ D0  F4 0,7 Erbium Er2+ I13/  I15/ 1,61 Holmi Ho3+ I  I8 2,05 Praseodym Pr3+ G4  H 1,05 sóng Bảng 3: Đặc tính dịch chuyển cơng tác số ion đất Phổ hấp thụ hoạt chất gồm nhiều dải không rộng Các laser phát bước sóng vùng hồng ngoại Nó hoạt động chế độ xung liên tục tùy vào tần số bơm Hiệu suất laser thấp, khoảng vài phần nghìn Ở chế độ liên tục hoạt chất có kích thước nhỏ, công suất bơm ngưỡng khoảng 1kW Để nâng cao hiệu suất bơm giảm công suất bơm ngưỡng người ta cho thêm vào chất ion Cr3+ ion mở rộng dải phổ hấp thụ nguyên tố đất Việc làm có hiệu tốt phát chế độ liên tục 3.6 Laser Tm:Ho: YAG Thông thường laser rắn gồm chất tạp chất pha vào làm hoạt chất phát laser Để thay đổi hoạt động laser ta thay hoạt chất khác thay chất Tuy nhiên lúc ta pha vào chất hoạt chất mà pha vào nhiều chất làm hoạt chất, laser Tm:Ho:YAG ví dụ Với laser người ta pha GVHD: Hoàng Hữu Hịa SVTH: Lê Thị Bích Liên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn 71 thêm vào chất chất làm tâm phát laser Tm Ho Ngồi tinh thể YAG có số ion Al3+ thay ion Cr3+ Khi pha tạp tâm hoạt chất vào hai ion Tm3+ Ho3+ chiếm vị trí Y3+ mạng tinh thể Đặc trưng nồng độ Tm cao từ 4- 10 %, Hình 52: Sơ đồ mức lượng Cr:Tm:Ho:YAG nồng độ ion Ho nhỏ Nồng độ ion Tm3+ khoảng 8.1020ion/cm3, ion Ho3+ khoảng 0,5.1020ion/cm3 Quá trình phát laser mơ tả hình 52 Với loại laser này, tùy vào trình bơm laser hoạt động khác nhau: - Khi bơm đèn chớp, Cr3+ nhận lượng bơm dịch chuyển ion Cr3+ từ A2  4T2 A2  4T1 , sau ưu tiên dịch chuyển khơng xạ xuống mức 3F4 ion Tm3+ tương tác ion với - Khi bơm liên tục đèn diode, mức 3F4 ion Tm3+ bơm trực tiếp laser bán dẫn AlGaAs bước sóng 785 nm, việc pha tạp ion Cr3+ khơng cần thiết - Khi bơm đèn chớp đèn diode, trình hồi phục với ion bên cạnh mức kích thích 3F4 ion Tm3+ dịch chuyển dạng Tm( F4 )  Tm( H )  2Tm( H ) Quá trình biến đổi làm cho ion Tm bị kích thích trạng thái 3F4 thành ion bị kích thích, ion trạng thái 3H4 bên cạnh Khi nồng độ Tm cao trình hồi phục chiếm ưu hơn, trình xạ trạng thái 3F4 giảm, tổng hiệu suất lượng tử gần cố định không gian cư trú ion Tm bịch kích thích, tương tác ion với nhau, nên xuất mức lượng kích thích hai ion Tm va GVHD: Hồng Hữu Hịa SVTH: Lê Thị Bích Liên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn 72 Ho gần Hạt dịch chuyển đến mức 5I7 Ho sau ion Ho3+ phát laser chuyển từ I  I8 Thực tế laser xuất mức nhỏ 5I7 (mức có hiệu lượng với mức gần 462 cm-1) với mức I5 phát bước sóng 2,08  m Khi khơng pha tạp Ho, tinh thể có dịch chuyển Tm từ H  H phát bước sóng 2,02  m Khi bơm đèn chớp, môi trường hoạt chất có kích thước giống Er: YAG Nd: YAG (với đường kính 6mm có chiều dài 7,5mm) Các thơng số đặc thù laser là: phát với lượng 1J khoảng thời gian xung 200  s , hiệu suất 4%, áp suất 10Hz Khi bơm diode, người ta thường bơm dọc làm cho ion Tm3+ hấp thụ mạnh bước sóng bơm Mơi trường hoạt chất phải làm lạnh nhiệt độ thấp khoảng -100C đến -400C để làm giảm bớt mật độ cư trú mức laser Laser có nhiều ứng dụng thú vị lĩnh vực sinh học, lớp mơ hấp thụ mạnh quanh bước sóng  m 3.7 Ứng dụng Laser rắn Vào thời điểm phát minh năm 1960, đến laser trở nên phổ biến Laser sử dụng rộng rãi nhiều lĩnh vực như: nông nghiệp, y tế, công nghiệp, hàng không, quân sự, hàng hải, mang lại cho người nhiều lợi ích sức tưởng tượng Đối với loại laser có cơng suất khác ứng dụng khác Laser rắn vừa có cơng suất thấp vừa có cơng suất cao nên ứng dụng rộng rãi Nhược điểm loại laser rắn hiệu suất thấp, cỡ 5÷7% Tuy nhiên, loại laser rắn có kích thước tương đối gọn nhẹ nên ứng dụng nhiều lĩnh vực khác thông tin liên lạc, vơ tuyến truyền hình, cơng nghiệp, y tế, quân sự, … 3.7.1 Gia công vật liệu GVHD: Hồng Hữu Hịa SVTH: Lê Thị Bích Liên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn 73 Để sử dụng gia công vật liệu, laser phải có đủ lượng, có cường độ lớn tập trung vào điểm Người ta thường dùng laser rắn sau để gia công vật liệu: laser Nd-YAG laser Nd-thủy tinh Trong lĩnh vực gia cơng kim loại thường dùng laser rắn cơng suất chùm tia tương đối lớn có kết cấu thuận tiện Laser thích hợp cho việc gia cơng vật liệu mà phương pháp gia công truyền thống khó khơng thể gia cơng hợp kim chịu nhiệt có độ bền cao, loại vật liệu các-bít, số vật liệu composite cốt sợi, stelit (hợp kim cơ-ban, crơm, vonfram molípđen) gốm Cơ chế bóc vật liệu Cơ chế bóc vật liệu gia cơng tia laser trình bày hình bên Chùm tia laser bề mặt chi tiết hấp thụ, bề mặt chi tiết chỗ có chùm tia laser nung nóng Q trình vật lý gia công tia laser phức tạp, tùy thuộc chủ yếu vào phân tán mát phản xạ chùm tia bề mặt chi Hình 53: Cơ chế bóc vật liệu tiết Thêm vào đó, truyền nhiệt vào bên chi tiết gây nên chuyển biến pha, chảy, bốc Tùy thuộc vào mật độ lượng thời gian tác động chùm tia mà chế trình từ việc hấp thu nhiệt truyền nhiệt nóng chảy bốc vật liệu Chùm tia laser với mật độ cao thường gây nên lớp plasma bề mặt vật liệu Hậu làm giảm hiệu suất q trình gia cơng làm giảm hấp thu tập trung nhiệt bề mặt chi tiết Q trình gia cơng xảy mật độ lượng chùm tia lớn phần mát dẫn nhiệt, đối lưu phát xạ Hơn nữa, lượng phát xạ phải thâm nhập vào bên vật liệu Tùy thuộc vào mức độ phản xạ, hấp thụ chùm tia GVHD: Hồng Hữu Hịa SVTH: Lê Thị Bích Liên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn 74 dẫn nhiệt làm cho mức độ nóng chảy bốc vật liệu khác Do yếu tố nói ảnh hưởng đến tốc độ bóc vật liệu Mức độ phản xạ phụ thuộc vào bước sóng, tính chất vật liệu độ bóng bề mặt chi tiết gia cơng, mức độ oxy hóa vật liệu nhiệt độ Phần chùm tia không bị phản xạ hấp thụ vào chi tiết làm nóng chảy bốc vật liệu Cắt khắc kim loại Ích lợi laser ứng dụng khoa học, công nghiệp, kinh doanh nằm tính đồng pha, đồng màu cao, khả đạt cường độ sáng cao, hay hợp Hình 54: Cắt kim loại yếu tố Ví dụ, đồng pha tia laser cho phép hội tụ điểm có kích thước nhỏ Đây điều kiện cho phép laser với công suất nhỏ tập trung cường độ sáng cao dùng để cắt, đốt làm bốc vật liệu kỹ thuật cắt laser Ví dụ, laser Nd:YAG, sau q trình nhân tần, phóng tia sáng xanh bước sóng 523 nm với cơng suất 10 Hình 55: Sơ đồ nguyên lý cắt W có khả năng, đạt đến cường độ sáng hàng triệu Watt centimet vng Trong thực tế, tập trung hoàn toàn tia laser giới hạn nhiễu xạ khó Người ta sử dụng Laser Nd:YAG Ưu điểm laser là: Thao tác với chi tiết nhỏ phần vật liệu nhỏ Cắt tốt vật liệu có hệ số phản xạ cao, hợp kim đồng hay hợp kim bạc Nếu sử dụng sợi cáp quang di chuyển mũi cắt cách dễ dàng Nhược điểm cắt vật liệu hữu cơ, thạch anh, thuỷ tinh Cơng suất nhỏ GVHD: Hồng Hữu Hịa SVTH: Lê Thị Bích Liên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn 75 Các phương pháp cắt: - Phương pháp đột biến nhiệt - Cắt khoan: thường dùng cắt vật cứng, có nhiệt nóng chảy cao như: ceramic, thuỷ tinh… - Phương pháp đốt nóng chảy thổi - Phương pháp bay - Phương pháp cắt nguội Ưu điểm cắt laser: Cắt hầu hết loại vật liệu, vật liệu có từ tính khơng có từ tính Rãnh cắt sắc cạnh, có độ xác cao Có thể cắt theo đường thẳng hay đường cong Không biến dạng học biến dạng nhiệt Tốc độ cắt nhanh Dễ dàng áp dụng vào tự động hoá nâng cao suất Không gây tiếng ồn, không gây ô nhiễm môi trường làm việc bụi Nhược điểm: Chiều dày cắt hạn chế 10 – 20 mm (tuỳ thuộc công suất nguồn laser) Tương tự cắt người ta sử dụng laser để khắc lên kim loại Khắc laser cho phép độ xác, tinh vi cao dùng phương pháp khác Hình 56: Khắc kim loại Khoan laser Máy phát laser để gia công kim loại cấu tạo phần sau: - Đầu phát laser - Bộ phận cung cấp điện điều khiển - Bộ phận gá đặt chi tiết gia công Loại laser rắn thường dùng để khoan tinh thể thủy tinh hợp chất GVHD: Hồng Hữu Hịa Hình 57: Nguyên lý máy khoan laser SVTH: Lê Thị Bích Liên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn 76 (hồng ngọc, thạch anh, …) Để khoan cần có hội tụ tia, lọc, cấu tập trung chùm laser, vòi phun: - Bộ hội tụ tia: nhiệm vụ tập trung tia laser điểm hay vùng nhỏ, làm cho mật độ lượng nhiệt độ điểm tăng cao cục Bộ phận thường thấu kính hội tụ - Bộ lọc: Do máy phát tia laser khơng có bước sóng mà thể có nhiều bước sóng khác Do sử dụng lọc cho bước sóng để có cộng hưởng cao Thơng thường lọc làm việc theo nguyên tắc phản xạ ánh sáng - Cơ cấu tập trung chùm laser: Để tạo nên mật độ lượng cao vị trí gia cơng tùy thuộc vào mục đích cơng nghệ, dùng nhiều biện pháp khác Các biện pháp thường dùng là: Dùng thấu kính hội tụ, dùng hệ thống chiếu ảnh - Vòi phun cắt: Khi cắt, người ta cho vào Hình 58: Vịi phun cắt luồng khí để hỗ trợ tia laser q trình gia cơng Khi cắt tia laser, dịng khí tạo lực học để đẩy kim loại nóng chảy khỏi vùng cắt gọt làm lạnh dịng đối lưu Lớp nóng chảy khơng bóc cách hiệu dẫn đến chất lượng vết cắt bị giảm sút Laser sử dụng để khoan lỗ nhỏ sâu kim loại, ceramic, plastic composite Có thể khoan vật liệu kim loại bao gồm thép không rỉ, vonfram, tantali, bery urani, hợp kim vật liệu phi kim loại Phương pháp khoan tia laser hiệu lỗ nhỏ, tự động hóa dễ dàng, GVHD: Hồng Hữu Hịa Hình 59: Hình dạng lỗ khoan SVTH: Lê Thị Bích Liên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn 77 nhiên lỗ bị côn, chiều sâu đường kính lỗ hạn chế Khi tập trung laser thành điểm, ta khoan vật liệu có nhiệt độ nóng chảy cao với đường kính lên đến 100 250micromet Để khoan lỗ nhỏ phải dùng hệ thống lăng kính hội tụ hệ thống điều chỉnh khí, gia cơng Hình 60: Hàn kim loại lỗ hay rãnh có đường kính từ - micromet Chiều sâu lỗ điều chỉnh cách điều chỉnh thời gian số lần phát xung Hàn kim loại Sử dụng chùm laser làm nóng chảy hai phần tiếp xúc để kết dính với Hàn tia laser áp dụng phổ biến công nghệ chế tạo vi mạch Nhờ phương pháp nối đầu nối với mạch in Hàn tia laser áp dụng cơng nghệ làm kín vỏ mạch tích hợp Phương pháp nối kim loại có tính chất lý hóa khác nhau, nối kim loại với phi kim loại Người ta thường sử dụng Laser Nd: YAG để hàn Mỗi loại vật liệu có khả hàn tia laser khác Sự chuyển lượng laser chuyển thành nhiệt khiến cho kim loại phải trải qua thay đổi pha từ rắn sang lỏng lượng khơng cịn nữa, kim loại trở trạng thái rắn Quá trình hàn chảy kim loại dùng để tạo mối hàn điểm hay lớp hàn liên tục Chiều sâu ngấu hàn tia laser nhỏ phụ thc vào tốc độ truyền nhiệt từ lượng bề mặt chi tiết Tuy nhiên hàn laser lượng cao chùm tia tạo lỗ vật liệu GVHD: Hồng Hữu Hịa SVTH: Lê Thị Bích Liên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn 78 lượng laser tập trung vào đáy lỗ, cho phép đạt chiều sâu ngấu lớn Những ưu điểm phương pháp hàn laser: mối hàn không bị bẩn, độ tập trung lượng cao hàng chục kW vào điểm có kích thước 0,2- 0,3 mm, miền truyền nhiệt nhỏ, giảm nhiệt độ nhanh Giảm biến tính vật liệu nhiệt q trình hàn Khơng cần gia công sau hàn Tốc độ hàn nhanh Nhược điểm: Giá thành đầu tư cao Sự làm lạnh nhanh dễ Gây nứt gãy 3.7.2 Trong quân Do tính định hướng tần số cao nên laser rắn có ưu đặc biệt liên lạc vô tuyến vô tuyến định vị, liên lạc vệ tinh, điều khiển tàu vũ trụ, tên lửa, …Do tính kết hợp cường độ cao nên tia laser rắn dùng truyền tin cáp quang Hình 61: Dùng laser để truyền thơi tin vũ trụ Tia laser rắn cịn dùng làm vũ khí, chưa phổ biến Được chia làm loại: Vũ khí laser cơng suất thấp làm lố mắt đối phương Vũ khí laser lượng cao dùng chùm tia laser cực mạnh chiếu đến điểm mục tiêu, dừng lại thời gian ngắn để vật liệu chảy khí hố Chùm tia laser mạnh phá huỷ đường điện, gây cháy thùng nguyên liệu máy bay, gây nổ đạn đạo Vũ khí laser lắp đặt vệ tinh bắn hạ tên lửa đạn đạo vệ tinh đối phương Kể từ năm 1999, hãng Boeing Mỹ sản xuất thử nghiệm bước đầu loại máy bay có trang bị vũ khí laser GVHD: Hồng Hữu Hịa SVTH: Lê Thị Bích Liên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn 79 Súng Laser dùng cho binh thường hướng vào: làm vô hiệu hoá chiến binh đối phương, cản trở triển khai vũ khí phương tiện chiến tranh đối phương hoa làm mù mắt đối phương Người ta dùng laze để chế tạo súng phun nhựa phun vào đối phương, tức khắc người bị dính nhựa khơng cựa qy được, đến mức khơng thể sử dụng súng để chống trả Ngoài ra, laser dùng để đo khoảng cách mục tiêu quân , biết thời gian tia sáng ta dễ dàng tính khoảng cách Như chiến Irắc vừa qua, người Mỹ dùng laze để điều khiển tên lửa kích cho nổ đến mục tiêu… Máy đo khoảng cách laser quân loại thiết bị quan trọng Có nhiều loại khác nhau: máy đo cự ly hàng không, máy đo cự ly xe tăng Rada laser có độ xác cao rada thơng thường, hướng dẫn hai tàu vũ trụ ghép nối xác khơng gian Máy bay chiến đấu bay tầm siêu thấp, trang bị rada laser né xác tất chướng ngại vật, kể đường dây điện Bom có lắp thiết bị dẫn đường laser có lắp hệ thống lái điều khiển tự động tìm kiếm đánh trúng mục tiêu La bàn laser thay la bàn phổ thông, để đo phương vị máy bay, dùng máy bay phản lực cỡ lớn máy bay chiến đấu tính cao 3.7.3 Dùng y học Vì tính chất đặc biệt, tia laser rắn dùng làm dao mổ “khơng chảy máu”, an tồn đa (laser Nd: YAG, Alexandrite Laser, Laser Ruby ) Bức xạ tia laser (có GVHD: Hồng Hữu Hịa Hình 62: Một số dao laser rắn SVTH: Lê Thị Bích Liên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn 80 nhiệt độ 1200 – 17000C) làm tế bào bốc tạo thành vết cắt nhỏ, chảy máu tổn thương Bức xạ laser không hạn chế nhiễm trùng vết mổ khơng có tiếp xúc dụng cụ đường rạch, mà cịn có khả can thiệp vào phẫu thuật phức tạp não, tủy sống Ngồi ra, dao mổ laser có ưu điểm như: giảm lượng thuốc tê, thuốc mê, giảm phù nề, sung huyết tiết dịch Dựa vào công suất laser rắn mà người ta ứng dụng vào lĩnh vực phù hợp Trong y học người ta phân loại theo công suất sau: Laser công xuất thấp dùng để trị: • Nhiễm trùng có mủ vết loét lâu liền sẹo • Điều trị bệnh ngồi da • Điều trị bệnh niêm mạc khoang miệng mơ quanh Hình 63: Xóa xăm Laser Nd: YAG • Điều trị bệnh tai mũi họng cấp tính mãn tính • Điều trị viêm khớp dạng thấp, hư xương – sụn gian đốt sống thối hóa xương khớp biến dạng • Điều trị bệnh tim mạch: Nhồi máu tim; thiếu máu tim Laser công suất cao (như: YAG: Nd laser, laser Ruby ) dùng để: • Sử dụng dao mổ, đặc biệt hữu hiệu mổ nội soi • Dùng quang đơng mạch (trong ngoại khoa da liễu) • Điều trị tổn thương mạch máu, tổn thương sắc tố da Công dụng số laser rắn:  Alexandrite Laser: sử dụng rộng rãi triệt lông, điều trị mạch máu sâu mạch máu chân GVHD: Hồng Hữu Hịa Hình 64: Triệt lơng Lase SVTH: Lê Thị Bích Liên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn  81 Nd: YAG Laser: điều trị mạch máu xanh đỏ mức lượng cao Laser Nd: YAG đặc biệt sử dụng điều trị mạch máu chân tất loại da  Ruby Laser gặp rắc rối điều trị cho loại da sậm màu Nhưng hiệu cho điều trị lông mỏng, nhạt màu hay vàng laser Ruby laser sử dụng cho điều trị triệt lông, máy to, cồng kềnh tốc độ chậm, giới hạn người da sáng gây da Tại Việt Nam, máy laser dùng thực nghiệm nhãn khoa Laser Ruby năm 1976 Từ 1981 đến nay, laser ứng dụng nhiều chuyên khoa mang lại hiệu tích cực Laser cơng suất cao nhãn khoa (quang đơng) điều trị số chứng như: phù hồng điểm, Hình 65: Laser điều trị nhãn khoa điều trị tân mạch, màng tân mạch hắc mạc, dị dạng mạch máu võng mạc, khối u nội nhãn u mạch máu, vết rách võng mạc Và phương pháp hữu hiệu để làm phục hồi thị lực cho người bị tiểu đường Không nhãn khoa mà Việt Nam ứng dụng laser rắn trị bệnh nhiều Các trung tâm viện khoa học Việt Nam nghiên cứu để đưa laser rắn vào trị nhiều bệnh GVHD: Hồng Hữu Hịa SVTH: Lê Thị Bích Liên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn 82 KẾT LUẬN Laser có vai trị quan trọng sống người, có mặt tất lĩnh vực Sự đời laser góp phần làm bùng nổ cách mạng khoa học kỹ thuật đại Xét tất thành tự khoa học kỷ 20 laser hai thành tựu quan trọng kỷ Laser rắn loại laser chế tạo khơi nguồn cho loại laser khác phát triển Từ đời laser rắn ứng dụng nhiều vào sống, ngày có nhiều loại laser khác đời có nhiều tính ưu việt laser rắn laser rắn đóng vai trị quan trọng sống người Laser rắn có nhiều loại, loại có đặc điểm riêng ứng dụng phù hợp với đặc điểm Laser Nd: YAG có vai trị quan trọng số người Trong loại laser rắn sử dụng nhiều Khi khoa học kỹ thuật phát triển yêu cầu cải thiện laser phù hợp với thời đại tăng lên, xu hướng nghiên cứu ngày tạo xung laser cực ngắn có cơng suất cao với nhiều ứng dụng thực tế, nhà khoa học không ngừng cải tiến tạo thêm nhiều loại laser rắn đáp ứng nhu cầu Laser rắn hoạt động đa dạng, phát xung phát liên tục, laser rắn cơng suất thấp laser rắn công suất cao, laser rắn phát đơn sắc phát nhiều bước sóng Với tính chất ưu việt laser ln khẳng định cơng nghệ laser Ở nước ta laser rắn trọng nghiên cứu đưa vào ứng dụng sống Tuy laser có chế hoạt động, cấu tạo đơn giản đóng vai trò quan trọng sống GVHD: Hồng Hữu Hịa SVTH: Lê Thị Bích Liên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn 83 TÀI LIỆU THAM KHẢO Đinh Văn Hồng- Trịnh Đình Chiến, Vật lý laser ứng dụng (2003), NXB Đại học quốc gia Hà Nội Nguyễn Xuân Chánh- Lê Băng Sương, Vật lý với khoa học công nghệ đại (2003), Nhà xuất giáo dục Trần Đức Hân, Cơ sở kỹ thuật laser (2005), Nhà xuất giáo dục Nguyễn Thế Bình, Kỹ thuật laser (2004), NXB Đại học quốc gia Hà Nội Ngụy Hữu Tâm, Những ứng dụng laser (2005), NXB khoa học kỹ thuật Hà Nội Hồ Quang Quý, Laser bước sóng thay đổi ứng dụng (2005), NXB Đại học quốc gia Hà Nội Hồng Nhâm, Hóa học vơ Tập (2005), Nhà xuất giáo dục Mạng Internet GVHD: Hồng Hữu Hịa SVTH: Lê Thị Bích Liên LUAN VAN CHAT LUONG download : add luanvanchat@agmail.com ... : add luanvanchat@agmail.com Đề tài: Một số laser rắn 40 Chương 3: Một số laser rắn 3.1 Khái niệm laser rắn Laser rắn Laser mà môi trường hoạt chất chất rắn Chất rắn đơn tinh thể, chất vơ định... thuyết laser rắn - Nêu số loại laser rắn nhiều phương diện cấu tạo, chế hoạt động, ứng dụng, tầm quan trọng sống - Đề tài phân biệt laser rắn với loại laser khác - Đề tài nêu ứng dụng laser rắn sống... Các loại laser rắn: laser Ruby, Laser Nd: YAG, laser Sapphire, laser Yb: YAG, laser Tm:Ho:YAG, số laser dùng số nguyên tố đất khác - Ứng dụng laser rắn sống Phạm vi nghiên cứu Đề tài nghiên cứu