Đề tài nghiên cứu khoa học cấp Trường: Nghiên cứu thiết kế hệ quang tạo nguồn Laser Co2 sử dụng trong gia công cắt khắc

Nghiên cứu các hệ quang kỹ thuật trong các hệ thống cơ điện tử, cụ thể là nghiên cứu hệ quang tạo nguồn laser sử dụng trong máy gia công cơ khí làm cơ... Tia laser được tạo ra bằng cách

UBND THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG NĂM HỌC 2023 -2024

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ QUANG

ĐT CN.2024.05

Chủ nhiệm đề tài: TS Tạ Thị Thúy Hương

Thành viên tham gia: Ths Chu Đức Hòa

Đơn vị: Khoa Điện - Cơ

Hải Phòng, 5/2024

UBND THÀNH PHỐ HẢI PHÒNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC HẢI PHÒNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG NĂM HỌC 2023 -2024

NGHIÊN CỨU THIẾT KẾ HỆ QUANG

ĐT CN.2024.05

Chủ nhiệm đề tài: TS Tạ Thị Thúy Hương

Thành viên tham gia: Ths Chu Đức Hòa

Đơn vị: Khoa Điện - Cơ

Hải Phòng, 5/2024

MỤC LỤC

MỤC LỤC 3

MỞ ĐẦU 7

1 Tổng quan chung về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 7

2 Tính cấp thiết 7

3 Mục tiêu 8

4 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu 8

4.1 Đối tượng nghiên cứu 8

4.2 Phạm vi nghiên cứu 8

5 Phương pháp nghiên cứu 8

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER VÀ QUANG KỸ THUẬT 9

1.1 Tổng quan chung về Laser 9

1.1.1 Đặc điểm của Laser 9

1.1.2 Phân loại laser 11

1.1.3 Ứng dụng laser trong đời sống 13

1.1.4 Laser trong công nghiệp 13

1.2 Các thành phần cấu tạo cơ bản của nguồn phát tia Laser 16

1.2.1 Các thành phần cơ bản tạo nên nguồn laser 16

1.2.2 Khả năng công nghệ của máy laser [4] 18

1.3 Một số hệ quang kỹ thuật sử dụng laser 19

1.3.1 Giao thoa kế Michelson 19

1.3.2 Hệ thống cảm biến quang trong máy đo độ tròn bằng phương pháp trộn trực giao 28

CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ HỆ QUANG TẠO NGUỒN LASER CO2 CHO MÁY KHẮC GỖ 33

2.1 Nguyên lý hoạt động của nguồn phát Laser CO2 33

2.2 Các thành phần hệ quang laser CO2 34

2.2.1 Cụm ống phóng 34

2.2.2 Gương phản xạ 35

2.2.3 Thấu kính hội tụ 36

2.2.4 Đầu cắt laser (mỏ cắt) 38

2.2.5 Bộ điều chỉnh tự động chiều cao đầu cắt 39

2.3 Thiết kế, lựa chọn chi tiết quang cho máy khắc Laser CO2 40

2.3.1 Sơ đồ bố trí hệ quang 40

2.3.2 Lựa chọn chi tiết quang máy khắc laser CO2 42

CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ, CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER CO2 45

3.1 Thiết kế và chế tạo máy khắc gỗ Laser CO2 45

3.2 Thực nghiệm đánh giá ảnh hưởng của việc điều chỉnh khoảng cách tiêu cự đến độ sâu khắc sản phẩm khi gia công trên máy khắc Laser CO2 48

KẾT LUẬN 52

DANH MỤC HÌNH VẼ

Hình 1.1 Công nghệ cắt Laser CO2 trên kim loại 11

Hình 1.2 Công nghệ cắt Fiber Laser 16

Hình 1.3 Cấu tạo nguồn phát tia laser 18

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý quang học của giao thoa kế Maikenxon 20

Hình 1.5 Sơ đồ khảo sát sự hình thành vân giao thoa đồng độ nghiêng 22

Hình 1.6 Sơ đồ tính hiệu quang trình 23

Hình 1.7 Ảnh giao thoa của các vân đồng độ nghiêng qua thấu kính hội tụ 24

Hình 1.8 Hình dáng hệ vân đồng độ nghiêng qua thấu kính hội tụ 25

Hình 1.9 Dạng vân giao thoa hình nêm 26

Hình 1.10 Vân giao thoa của hai chùm sáng với góc giao nhau là 2 27

Hình 1.11 Sơ đồ đo độ tròn bằng phương pháp trộn trực giao 29

Hình 1.12 Sơ đồ đo độ tròn bằng phương pháp trộn trực giao 29

Hình 1.13 Sơ đồ cảm biến quang của đầu do dịch chuyển và đầu đo góc 30

Hình 1.14 Sơ đồ quang của đầu đo góc 31

Hình 1.15 Sơ đồ quang của đầu đo dịch chuyển 32

Hình 2.1 Sơ đồ hệ quang máy gia công bằng laser 33

Hình 2.2 Buồng cộng hưởng tạo nguồn Laser CO2 34

Hình 2.3 Cấu tạo ống phóng laser CO2 35

Hình 2.4 Gương phản xạ 35

Hình 2.5 Thấu kính hội tụ 36

Hình 2.6 Bố trí lắp đặt thấu kính 38

Hình 2.7 Sơ đồ hệ quang máy khắc gỗ CO2 40

Hình 2.8 Quang lộ của tia đi vào hội tụ 41

Hình 2.9 Quang lộ của tia đi vào phân kỳ 41

Hình 2.10 Cơ cấu điều tiêu tự động 42

Hình 2.11 Ống phóng Laser CO2 công suất 40W 42

Hình 3.1 Sơ đồ nguyên lý máy khắc Laser CO2 45

Hình 3.2 Sơ đồ thiết kế máy khắc Laser CO2 46

Hình 3.3 Kết cấu mỏ Laser 46

Hình 3.4 Sơ đồ động học máy khắc Laser CO2 47

Hình 3.5 Thiết kế mô hình 3D máy khắc laser CO2 47

Hình 3.6 Bản vẽ lắp máy khắc laser CO2 47

Hình 3.7 Máy khắc laser CO2 hoàn thiện 48

Hình 3.8 Vị trí lắp đặt gương phản xạ trên máy khắc gỗ Laser CO2 48

Hình 3.9 Kích thước phôi và vùng khắc thực nghiệm 49

Hình 3.10 Mô hình thực nghiệm 49

Hình 3.11 Panme đo độ sâu 49

Hình 3.12 Biểu đồ ảnh hưởng vị trí tiêu cự đến chất lượng sản phẩm khi gia công trên máy khắc Laser CO2 51

Hình 3.13 Một số sản phẩm gia công trên máy khắc Laser CO2 51

MỞ ĐẦU

1 Tổng quan chung về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Khoa học công nghệ phát triển, các thiết bị quang học ngày được ứng dựng nhiều trong cuộc sống như các hệ thống camera, laser, cảm biến quang, thiết bị y tế Quang kỹ thuật được phát triển trên thế giới trở thành các sản phẩm thương mại Các trường đại học Nhật Bản, Hàn Quốc, Đức, Mỹ có trung tâm nghiên cứu, ứng dụng về quang kỹ thuật với các thiết bị laser công suất lớn, cảm biến quang có độ nhạy cao Bên cạnh đó các Tập đoàn lớn như Keynce, Omron là những tập đoàn lớn chuyên sản xuất cung cấp các thiết bị quang cho công nghiệp Tuy nhiên để có được kết cấu và các thông số kỹ thuật của hệ quang là một bí mật công nghệ

Thiết kế chế tạo máy gia công cơ khí có sử dụng laser cũng đã được làm đề tài hướng dẫn đồ án tốt nghiệp cho sinh viên ngành Cơ khí tại Đại học Hải Phòng Tuy nhiên các đề tài mới chỉ dừng ở việc thiết kế kết cấu truyền động máy cắt bằng Laser mà chưa khai thác nghiên cứu về các thông số kỹ thuật và kết cấu của

hệ quang tạo nguồn laser

Việc nghiên cứu để làm chủ thiết bị tiến tới sản xuất được thiết bị phục vụ đời sống là nhiệm vụ của các đơn vị nghiên cứu và các trường đại học

2 Tính cấp thiết

Cơ điện tử được xác định là một ngành mũi nhọn trong chiến lược phát triển khoa học - công nghệ Các sản phẩm cơ điện tử ngày càng phong phú và đa dạng, phục vụ thiết thực cho sản xuất, mang lại năng suất, chất lượng, hiệu quả kinh tế cho đất nước Nghiên cứu các ngành khoa học liên quan để phát triển, ứng dụng các sản phẩm Cơ điện tử phục vụ sản xuất là một nhiệm vụ trong trường đại học

có đào tạo chuyên ngành

Nghiên cứu các hệ quang kỹ thuật trong các hệ thống cơ điện tử, cụ thể là nghiên cứu hệ quang tạo nguồn laser sử dụng trong máy gia công cơ khí làm cơ

sở thiết kế chế tạo máy gia công cắt khắc bằng laser phục vụ nghiên cứu và đào tạo chuyên ngành Cơ khí tại trường Đại học Hải Phòng là thực sự cần thiết.

3 Mục tiêu

Nghiên cứu thiết kế, lựa chọn thiết bị cho hệ quang tạo nguồn laser CO2 trong máy cắt, khắc laser

4 Đối tượng, phạm vi nghiên cứu

4.1 Đối tượng nghiên cứu

Hệ quang kỹ thuật tạo nguồn laser CO2 trong máy cắt, khắc

4.2 Phạm vi nghiên cứu

- Thời gian nghiên cứu: từ tháng 6/2023 - 4/2024

- Hệ quang tạo nguồn laser CO2 có công suất <100W trong máy khắc chữ vật liệu gỗ

- Máy được nghiên cứu, thiết kế phục vụ học tập và giảng dạy ngành Cơ khí trường Đại học Hải Phòng

5 Phương pháp nghiên cứu

Lý thuyết kết hợp thực nghiệm, khảo sát máy thực tế tại điều kiện làm việc của doanh nghiêp, phân tích sự cố, tổng hợp số liệu, đưa ra phương án thiết kế phù hợp

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER VÀ QUANG KỸ THUẬT 1.1 Tổng quan chung về Laser

1.1.1 Đặc điểm của Laser

Tia laser được phát minh lần đầu tiên vào năm 1960 bởi nhà vật lý Theodore Maiman Quá trình này bắt đầu khi Albert Einstein phát hiện hiện tượng phát xạ cảm ứng vào năm 1917, mở ra cánh cửa cho việc phát triển tia laser Maiman đã

sử dụng chiếu đèn flash công suất cao vào thỏi ruby tráng bạc để tạo ra tia laser đầu tiên Những người có đóng góp quan trọng trong lĩnh vực này còn có Albert Einstein, Charles Townes, Arthur Schawlow…

Nguyên lý hoạt động của tia laser dựa trên hiện tượng phát xạ cảm ứng Tia laser được tạo ra bằng cách kích thích một vật liệu phát laser bằng điện hoặc ánh sáng trong một buồng kín có gương phản xạ để tạo ra một chùm ánh sáng đơn sắc,

có hướng song song và có năng lượng cao [1] Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của tia laser bao gồm bước sóng, công suất và độ ổn định [5]

Ánh sáng laser có bốn đặc điểm độc đáo khác biệt với ánh sáng thông thường

Độ định hướng: Các nguồn sáng thông thường (đèn, đèn natri và đèn khò), quá trình chuyển đổi điện tử diễn ra tự nhiên, ngẫu nhiên theo thời gian, có nghĩa

là các photon phát ra từ các nguồn sáng này có năng lượng, tần số, bước sóng hoặc màu sắc khác nhau Tuy nhiên, đối với laser, tất cả các photon sẽ truyền theo cùng một hướng là hướng ánh sáng, mặt khác chiều rộng của chùm tia laser lại rất hẹp Do đó, một chùm tia laser có tính chất định hướng cao, có thể di chuyển đến khoảng cách xa mà không lan rộng

Sự gắn kết: Đối với nguồn laser, quá trình chuyển đổi điện tử xảy ra một cách cưỡng bức, quá trình chuyển đổi điện tử xảy ra trong thời gian cụ thể Tất cả các photon phát ra trong laser có cùng năng lượng, tần số hoặc bước sóng Do đó, ánh sáng được tạo ra bởi laser có tính gắn kết, sự gắn kết này làm cho lượng lớn năng lượng có thể được tập trung trong một không gian hẹp

Đơn sắc: Ánh sáng đơn sắc có nghĩa là ánh sáng chứa một màu hoặc bước sóng Các photon phát ra từ các nguồn sáng thông thường có năng lượng, tần số, bước sóng hoặc màu sắc khác nhau Nhưng trong laser, tất cả các photon phát ra

có cùng năng lượng, tần số hoặc bước sóng Do đó, sóng ánh sáng của laser có bước sóng hoặc màu đơn Do đó, ánh sáng laser bao phủ một phạm vi tần số hoặc bước sóng rất hẹp

Cường độ cao: cường độ của sóng là năng lượng trên một đơn vị thời gian chảy qua một đơn vị diện tích bình thường Trong một nguồn sáng thông thường, ánh sáng trải đều theo mọi hướng Trong laser, ánh sáng lan truyền trong vùng không gian nhỏ và trong một phạm vi bước sóng nhỏ Do đó, ánh sáng laser có cường độ lớn hơn khi so với ánh sáng thông thường

Laser được ứng dụng nhiều trong đời sống, đặc biệt trong công nghiệp bởi những ưu điểm nổi trội:

- Chùm tia laser có nguồn nhiệt tập trung với mật độ nhiệt cao, vì thế nó có khả năng cắt tất cả các loại vật liệu có từ tính và không có từ tính, hợp kim

- Rãnh cắt hẹp, sắc cạnh, mép cắt đẹp, độ chính xác cao

- Có thể cắt theo đường thẳng hoặc đường cong, biên dạng phức tạp

- Quá trình cắt xảy ra nhanh chóng, năng suất cao

- Có khả năng tự động hóa điều khiển quá trình cắt

- Khi cắt không có các tác dụng cơ học nên tồn tại rất ít ảnh hưởng của biến dạng trong quá trình cắt và sau cắt

Hình 1.1 Công nghệ cắt Laser CO 2 trên kim loại[3]

1.1.2 Phân loại laser

Dựa theo vật liệu cấu tạo nên môi trường hoạt tính người ta chia laser thành

3 loại: laser rắn, laser lỏng và laser khí

* Laser rắn:

Laser dạng rắn được tạo thành từ việc bức xạ của một số chất có tính chất đặc biệt với một số nguyên tố có hoạt tính đặc biệt chịu sự tác dụng của bức xạ ánh sáng

Laser dạng rắn hay sử dụng là Rubin-Hồng ngọc Al2O3, với 0,0% Cr2O3; Kính, Y3Al5O12, CaWO4

Laser hồng ngọc được sử dụng rộng rãi hơn các loại khác vì nó yêu cầu năng lượng kích thích thấp hơn các loại kia Đây là loại laser đầu tiên được chế tạo từ rubi hồng ngọc, tức là từ Oxyd nhôm với 0,05% Cr Loại laser này có tính dẫn nhiệt, bền nhiệt tốt, cho phép làm việc với tần số cao Tiếp sau là laser chế tạo từ thuỷ tinh với các ion Neodim (Nd) Đây cũng là loại laser thể rắn, nguyên lý hoạt động của chúng tương tự nhau Laser thuỷ tinh Nd có độ đồng nhất cao đảm bảo góc phân kỳ (góc mở) nhỏ và cho phép bức xạ đều.giá thành rẻ, dẫn nhiệt tốt, có

độ bền cơ học, độ bền nhiệt cao, thời gian phục vụ lâu Quá trình làm việc của loại laser này theo sơ đồ 4 mức năng lượng nên hầu như không thay đổi nhiều

theo nhiệt độ, các thông số của laser vì thế sẽ ổn định hơn Nhược điểm của loại này là tính dẫn nhiệt và chịu nhiệt kém, hạn chế khả năng nâng cao công suất hoặc khi làm việc ở chế độ liên tục Vì thế, hai loại laser trên đang được cải thiện và hoàn chỉnh liên tục Các loại laser trên cho phép gia công lỗ có đường kính từ 10 đến 500m với chiều dày của vật liệu từ 1mm đến 3mm

* Laser thể khí có các loại : Laser CO2 – N2

- Laser CO2- Ne - He

- Laser N2, Ar,

Laser thể khí có bước sóng dao động trong khoảng rộng, từ tử ngoại đến hồng ngoại, cho nên cho phép ta chọn được loại laser phù hợp với từng loại vật liệu gia công: kim loại, thuỷ tinh, chất bán dẫn, gốm sứ, vải, gỗ,

Hệ số hữu ích cao Ví dụ: Laser thuỷ tinh - Nd đạt hệ số hữu ích n = 0,1 1

% (có thể đạt 2 3%)

Laser CO2, có thể đạt hệ số hữu ích n <= 25% Công suất bức xạ đến 100KW

Có thể làm việc ở chế độ liên tục hay chế độ xung; vận hành đơn giản

Hệ số hữu ích CO2, có thể cạnh tranh trong các công việc cắt xén vải, giấy, giấy các ton, da, gỗ, cắt những tấm mỏng từ kim loại cứng

* Laser lỏng là một trong những hướng mới của laser Có 2 loại chất lỏng thường dùng là các hỗn hợp hữu cơ kim loại và chất màu Loại hỗn hợp hữu cơ kim loại chứa một số nguyên tố hiếm như Eu (eu-rô-pi) Môi trường hữu cơ đóng vai trò trung gian, nhận năng lượng của nguồn ánh sáng kích thích rồi truyền lại cho các nguyên tử Eu bị kích thích và bức xạ với bước sóng 0,61m Các loại laser lỏng có nhược điểm là môi trường hoạt tính không bền vững, chất hữu cơ bị phân huỷ dưới tác động của ánh sáng kích thích Vì vậy hiện nay người ta thay chúng bằng các chất vô cơ Các dung dịch vô cơ được chế tạo từ Oxyd Clorua phot pho hoặc oxyd clorua selen với nêôdim (Nd) hoặc một ít Clorit thiếc hoặc các halogen kim loại hoà tan Loại laser chất lỏng vô cơ có công suất bức xạ cao (cở 500W ở chế độ xung) và hiệu suất khá cao (tương đương laser rắn với hợp chất Nd)

* Laser không cần nguồn cung cấp điện :

+ “Laser khí động học” hay “laser phản lực” : Người ta tạo ra vùng đảo bằng phương pháp giản nở khí đột ngột

+ Laser hoá học Dùng năng lượng sinh ra do các phản ứng hoá học để tạo ra vùng đảo các mức năng lượng

+ Laser gamma là một loại laser có cấu tạo phức tạp công suất lớn và bước sóng ngắn có thể đạt cỡ vài A° (<10-7 cm)

1.1.3 Ứng dụng laser trong đời sống

- Ngành quảng cáo: cắt chữ, Inox, đồng, nhôm, mica, alu, MDF, formex, gỗ Điêu khắc nghệ thuật trên mica với độ dầy từ 2 - 30mm; gỗ MDF với độ dày 2 - 50mm bằng laser đủ khổ

- Ngành cơ khí chính xác: chế bản tạo hình gia công cắt kim loại bằng máy cắt dây, máy cắt tia nước, máy plasma, máy phay Gia công các loại khuôn mẫu, bánh răng, trên mọi chất liệu như, sắt, thép, gang, bản nhôm đúc, kim loại mầu (như đồng, nhôm, inox)

- Ngành mỹ thuật: khắc 2D - 3D logo phù điêu trên các vật liệu, đồng, nhôm, mica, formex, gỗ, gạch, đá, đá nhân tạo, đá hoa cương, cắt tạo dáng

- Ngành trang trí nội ngoại thất: gia công cắt các sản phẩm về sắt, gỗ, thạch cao

- Ngành kiến trúc: gia công cắt các sản phẩm mika, plastic, giấy bìa, nhựa pvc, nhựa phip, làm mô hình, bản đồ

- Ngành quà tặng lưu niệm: cắt khắc họa tiết hoa văn trên các sản phẩm kim hoàn, ngà voi, ngọc thạch, mã não,gỗ, tre, khắc dấu, vỏ điện thoại, làm quà tặng độc đáo sáng tạo

- Ngành may mặc thời trang: cắt hoa văn trên vải, cắt vải

- Ngành thuộc da: cắt điêu khắc hoa văn, nhãn mác, logo, biểu tượng, chữ text, trên da, túi xách, ví, va li, yên, đệm, thắt lưng da

- Ngành mộc: khắc cắt gỗ, tre, nứa Sản xuất tranh gỗ, đồ chơi trí tuệ, khung album cắt các chi tiết lắp ghép thành giường, tủ, bàn, ghế

1.1.4 Laser trong công nghiệp

Trong công nghiệp gia công cơ khí theo yêu cầu mà cụ thể là cắt – khắc kim loại, có 2 loại máy Laser được sử dụng phổ biến là CO2 và Fiber Mỗi loại đều có những điểm nổi bật và ứng dụng cho từng loại vật liệu và yêu cầu kỹ thuật khác nhau

a Công nghệ laser CO 2

Công nghệ cắt Laser CO2 là một trong những phương pháp cắt Laser sớm nhất được phát hiện vào năm 1964 Máy cắt Laser CO2 là loại máy cắt hoạt động dựa vào tác động của khí CO2 được kích thích điện cung cấp những nguồn sáng chất lượng với năng suất cao nên được sử dụng khá phổ biến hiện nay

* Ưu điểm:

- Tự động hóa cao

Máy cắt laser có năng suất cắt cao và giảm được tối đa thời gian phụ, do mức

độ tự động được nâng cao vượt bậc Tuỳ từng mức độ tự động, máy có thể thực hiện cùng một lúc nhiều chuyển động khác nhau, tự động kiểm tra kích thước chi tiết và qua đó tự động hiệu chỉnh sai lệch vị trí tương đối giữa dao và chi tiết, tự động tưới nguội, tự động hút phoi ra khỏi khu vực cắt …

- Tính linh hoạt

Chương trình có thể thay đổi dễ dàng và nhanh chóng, thích ứng với các loại chi tiết khác nhau Do đó rút ngắn được thời gian phụ và thời gian chuẩn bị sản xuất, tạo điều kiện thuận lợi cho việc tự động hóa sản xuất hàng loạt nhỏ

Máy cắt laser gia công được những chi tiết nhỏ, vừa, phản ứng một cách linh hoạt khi nhiệm vụ công nghệ thay đổi và điều quan trọng nhất là việc lập trình gia công có thể thực hiện ngoài máy, trong các văn phòng có sự hỗ trợ của kỹ thuật tin học thông qua các thiết bị vi tính, vi xử lý …

- Có khả năng tập trung nguyên công

Đa số các máy cắt laser có thể thực hiện số lượng lớn các nguyên công khác nhau mà không cần thay đổi vị trí gá đặt của chi tiết Từ khả năng tập trung các nguyên công, các máy CNC đã được phát triển thành các trung tâm gia công CNC

- Đạt độ chính xác cao

Giảm được hư hỏng do sai sót của con người Đồng thời cũng giảm được cường độ chú ý của con người khi làm việc Có khả năng gia công chính xác hàng loạt Độ chính xác lặp lại, đặc trưng cho mức độ ổn định trong suốt quá trình gia công là điểm ưu việt tuyệt đối của máy cắt laser Máy cắt laser với hệ thống điều khiển khép kín có khả năng gia công được những chi tiết chính xác cả về hình

dáng đến kích thước Những đặc điểm này thuận tiện cho việclắp lẫn, giảm khả năng tổn thất phôi liệu ở mức thấp nhất

- Gia công biên dạng phức tạp

Máy cắt laser là máy duy nhất có thể gia công chính xác và nhanh các chi tiết có hình dáng phức tạp như các bề mặt 3 chiều

+ Sử dụng lại chương trình gia công

+ Giảm thời gian sản xuất

+ Thời gian sử dụng máy nhiều hơn nhờ vào giảm thời gian dừng máy + Giảm thời gian kiểm tra vì máy cắt laser sản xuất chi tiết chất lượng đồng nhất

+ CNC có thể thay đổi nhanh chóng từ việc gia công loại chi tiết này sang loại khác với thời gian chuẩn bị thấp nhất

b Công nghệ Laser Fiber

Tia Fiber Laser được tạo ra bởi một nhóm các diode, tia sáng được truyền và khuếch đại qua một sợi cáp quang như loại cáp quang được dùng để truyền dữ liệu Tia sáng được khuếch đại khi ra khỏi sợi cáp quang sẽ được kéo thẳng và được hội tụ lại bởi một thấu kính lên bề mặt của vật liệu Ứng dụng công nghệ này cho quá trình gia công cắt gọt kim loại tấm cũng như kim loại ống đem lại lợi ích và tính ứng dụng cao

Những ưu điểm của Fiber Laser bao gồm:

- Không có bộ phận động hay gương ở trong nguồn tạo ra ánh sáng, không giống như bộ cộng hưởng hay đĩa Laser của máy cắt Laser CO2 thông thường Điều nào tạo lợi thế khác biệt trong việc giảm yêu cầu bảo dưỡng và chi phí hoạt động

- Sử dụng điện năng hiệu quả hơn, kết quả là chi phí vận hành thấp hơn đáng

kể Một máy sợi quang học công suất 3kW sử dụng điện năng chỉ bằng 1/3 so với lượng điện năng mà các máy CO2 Laser công suất 4kW bình thường sử dụng

Hình 1.2 Công nghệ cắt Fiber Laser

- Tốc độ cắt các vật liệu mỏng cao hơn So với các máy CO2 Laser công suất 4kW tương tự thì máy fiber Laser cắt nhanh gấp 3 lần khi cắt các vật liệu nhẹ, mạ kẽm hoặc thép không gỉ có độ dày 1mm và nhanh gấp 2 lần khi cắt việt liệu tương

tự có độ dày 2mm

- Có khả năng cắt các vật liệu có bề mặt phản chiếu mà không sợ tia sáng bị phản xạ ngược lại làm hỏng máy nên máy có thể cắt các vật liệu đồng, đồng thau

và nhôm mà không gặp vấn đề gì

- Thời gian bảo dưỡng dài hơn 50% và chi phí bảo dưỡng ít hơn 50%

Công nghệ Fiber Laser yếu thế hơn công nghệ CO2 Laser khi sử dụng cho các loại vật liệu dày, thường là từ 5mm trở lên Với độ dày này thì máy cắt Laser

CO2 sẽ nhanh hơn khi khắc các nét thẳng hay cắt xuyên qua vật liệu Ngoài ra còn

có ưu điểm là máy Laser CO2 sẽ tạo ra bề mặt mượt hơn khi cắt vật liệu dày

1.2 Các thành phần cấu tạo cơ bản của nguồn phát tia Laser

1.2.1 Các thành phần cơ bản tạo nên nguồn laser

Môi chất laser hoặc môi trường laser: Là môi trường để các hoạt chất được

kích thích bởi các nguồn năng lượng bên ngoài nhằm tạo ra sự đảo ngược dòng điện chuyển động electron Trong môi trường khuếch đại, sự phát xạ tự phát và kích thích của các hạt lượng tử photon diễn ra, dẫn đến hiện tượng khuếch đại

quang học Chất bán dẫn, thuốc nhuộm hữu cơ, khí, vật liệu rắn thường được sử dụng làm vật liệu phát quang Môi trường hoạt chất quyết định đến bước sóng và các tính chất khác của tia laser phát ra

Môi chất laser có thể là chất rắn, lỏng, khí hoặc i-on, ví dụ laser CO2 có môi chất là phân tử khí CO2, laser He-Ne có môi chất là nguyên tử Ne,…

Nguồn bơm năng lượng bên ngoài (ánh sáng, điện): là một nguồn năng

lượng đủ lớn nhằm cung cấp tác động đến các hạt điện tích trong môi trường hoạt chất và phát xạ để kích thích vào hệ thống

Buồng cộng hưởng quang: Chứa gương phản xạ và bán phản xạ ở 2 đầu làm

cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất nhiều lần tạo ra mật độ hạt photon lớn

Để cường độ tia laser phát ra có độ lớn cần thiết thì quãng đường mà bức xạ laser đi trong môi chất laser cần phải đủ lớn để đạt được độ khuếch đại về cường

độ sáng Nhưng thực tế không thể chế tạo kích thước của môi chất laser đủ lớn được vì bị hạn chế bởi các vấn đề kỹ thuật Do đó, lợi dụng tính chất sóng của ánh sáng, người ta sử dụng một hệ gồm 2 gương đặt song song đối xứng nhau tạo nên một quá trình phản xạ qua lại giữa hai gương để tăng quang lộ của tia laser đi qua môi chất laser Hơn nữa, sự phản xạ qua lại này sẽ tạo nên hiện tượng cộng hưởng sóng ánh sáng Hiện tượng này tạo nên tính khuếch đại chọn lọc các phô tôn của bức xạ laser Vì vậy, buồng gương này còn được gọi là buồng cộng hưởng quang học Dựa vào các nguyên lý, quá trình phát xạ kích thích và các tính chất của các dụng cụ quang học, người ta đã chế tạo ra các nguồn phát tia Laser có những tính chất đặc biệt khác với ánh sáng thường

Nguồn phát tia laser có cấu tạo như hình 1.3

Hình 1.3 Cấu tạo nguồn phát tia laser[1]

Tia laser được phát ra với nguyên tắc sau: Dưới tác động của hiệu điện thế lớn, các điện tử của môi trường laser di chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao tạo nên trạng thái nghịch đảo mật độ của điện tử Ở mức năng lượng cao, một số điện tử sẽ rơi ngẫu nhiên xuống mức năng lượng thấp, giải phóng ánh sáng gọi là hạt photon Các hạt phô tôn này sẽ toả ra nhiều hướng khác nhau từ một nguyên tử, va phải các nguyên tử khác, kích thích eletron ở các nguyên

tử này rơi xuống tiếp, sinh thêm các photon cùng tần số, cùng pha và cùng hướng bay, tạo nên một phản ứng dây chuyền khuếch đại dòng ánh sáng Các hạt phô tôn

bị phản xạ qua lại nhiều lần trong vật liệu, nhờ các gương để tăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng Một số phô tôn thoát ra ngoài nhờ có gương bán mạ tại một đầu của vật liệu Tia sáng đi ra chính là tia laser

1.2.2 Khả năng công nghệ của máy laser [4]

- Cắt bằng laser

- Khoan (khoan bằng đơn xung, đa xung khoan tế vi d<0,5 mm)

- Hàn bằng laser (Hàn, kiểm tra khuyết tật, kiểm tra cơ tính, kiểm tra mỏi, đo

độ cứng thường và độ cứng tế vi, kiểm tra tổ chức kim loại )

- Gia công vật liệu với độ chính xác cao

- Có thể hàn, cắt, khoan các loại vật liệu đặc biệt là vật liệu cứng và giòn như kim cương, thủy tinh, sứ

- Không tiếp xúc trực tiếp cơ học với vật gia công nên ít gây biến dạng

- Laser có thể kiểm tra chất lượng với độ chính xác cao

1.3 Một số hệ quang kỹ thuật sử dụng laser

Trong những năm gần đây công nghệ quang học đã tích hợp ngày càng nhiều vào cơ điện tử Sự tích hợp này tạo ra cách mạng trong nhiều sản phẩm cơ khí chế tạo, các hệ thống đạt độ chính xác cao, kích thước nhỏ gọn, có thể thực hiện nhiều chức năng Tích hợp quang điện tử với sự ra đời của laser tạo điều kiện cho các công nghệ khác: bốc bay điện hóa, chùm tia điện tử, công nghệ cắt gọt, đo lường bằng laser

1.3.1 Giao thoa kế Michelson

Trên hình 1.4 trình bày sơ đồ nguyên tắc của giao thoa kế Michelson S là một nguồn sáng đơn sắc rộng đặt ở mặt phẳng tiêu cự của thấu kính hội tụ O1 Gương bán mạ G đặt chếch 450 so với trục quang của O1 Tia sáng SI tới gương

bị phân thành hai: tia phản xạ IJ1 và tia khúc xạ IJ2 Tia IJ1 phản xạ vuông góc trên gương phẳng M1, truyền trở lại tới I cho tia khúc xạ IR1 và một tia phản xạ trở về nguồn S Tia IJ2 phản xạ vuông góc trên gương phẳng M2, truyền trở lại tới I, cho một tia phản xạ IR2 và một tia khúc xạ trở về nguồn Hai tia IR1 và IR2 trùng nhau

và giao thoa với nhau Hệ vân giao thoa được quan sát trong kính ngắm, tạo thành bởi vật kính O2 và thị kính C

Một trong hai gương phẳng, M2 chẳng hạn, là cố định, còn gương M1 có thể dịch chuyển song song với chính nó và có thể quay quanh hai trục vuông góc của

nó

Để đảm bảo quang trình của tia IJ1IR1 cũng qua bản thuỷ tinh 3 lần như tia

IJ2IR2, người ta đặt thêm trên đường đi của nó bản thuỷ tinh G’ song song với bản

G và cùng bề dày với bản G Ngoài ra IJ1IR1 chịu hai lần phản xạ trên môi trường chiết quang hơn, còn tia IJ2IR2 chỉ có một lần phản xạ loại đó, nên khi độ dài hình

học của hai tia sáng đó bằng nhau, thì giữa chúng vẫn còn một hiệu quang trình bằng /2

Để khảo sát đặc điểm của vân, ta thay gương M1 bằng ảnh ảo M1’ của nó qua gương bán mạ, tức là khảo sát cặp tia phản xạ từ M2 và M1’ Nếu ta điều chỉnh M1

cho M1’ hoàn toàn song song với M2 thì hệ vân là đồng độ nghiêng và định xứ ở

vô cực Nếu điều chỉnh M1 để ảnh M1’ của nó làm thành với gương M2 một góc nhỏ, thì ta được một hệ vân nêm định xứ trên M2 khi đó muốn quan sát vân giao thoa ta phải điều chỉnh kính ngắm vào đúng mặt gương M2, tại điểm giao tuyến

M1 và M2 ta có vân đen Điều chỉnh gương M1 để tăng dần hiệu quang trình của hai tia giao thoa, đếm số vân giao thoa từ lúc hai gương giao nhau cho đến khi vân giao thoa hoàn toàn biến mất ta được bậc giao thoa cực đại và từ đó suy ra độ đơn sắc  của bức xạ Như vậy quãng đường dịch chuyển của gương M1 để có ảnh giao thoa hoàn toàn phụ thuộc vào độ đơn sắc của tia laser sử dụng

Hình 1.4 Sơ đồ nguyên lý quang học của giao thoa kế Maikenxon [2]

Hiệu quang lộ của hai chùm là 2Lcos với L là khoảng cách giữa M1 và

M2,  là góc giữa bộ thu và trục quang

Quá trình hình thành phép đo:

Giả sử gương M1 dịch chuyển một đoạn là x đến vị trí mới là M1 ’’ trong khí

đó gương M2 đứng yên nên biến thiên của hiệu quang lộ chính là độ dài x cần xác định

Hiệu pha giữa các chùm là

 = 2 ( 2L cos / ) (1.1) Việc tạo nên vân giao thoa là bản chất sóng của ánh sáng Sóng ánh sáng lan truyền theo trục Z có thể được mô tả bằng công thức

Ta nhận thấy cường độ bằng không khi  = (2k + 1) 

Cường độ cực đại khi  = 2k 

Các điều kiện này tương ứng với việc tạo nên các vân sáng và tối trong ảnh giao thoa Các vân giao thoa có dạng tròn, do vị trí hình học của các điểm với hiệu pha cho trước là đối xứng với tâm nằm trên đường xuất phát từ bộ thu theo hướng pháp tuyến đối với gương (do nguồn sáng có độ mở của chùm tia ra nên nó là

nguồn sáng rộng) Khoảng cách giữa các vân giảm tuỳ theo mức độ tăng của khoảng cách bán kính vân

Khi M1 dịch chuyển các vân dịch chuyển đối với tâm theo hướng phụ thuộc vào hướng dịch chuyển của gương Sự thay đổi khoảng cách gương /2 làm xuất hiện trong tâm một vân giao thoa mới Nói cách khác khi khoảng cách M1 và M2

thay đổi /2 thì cường độ tại tâm thay đổi từ max sang min Khi đặt diafram và

bộ thu quang điện tại tâm ta sẽ nhận được sự thay đổi cường độ này

Trong giao thoa kế Maikenxơn, do quang lộ của hai chùm tia là hoàn toàn cách biệt nên có thể dùng rất thuận tiện trong các phương pháp đo qua tương tác giữa đối tượng đo với tính chất quang của chùm tia đo

1.3.1.1 Đặc điểm ảnh giao thoa trong giao thoa kế Michelson

Nguồn sáng laser dùng trong giao thoa kế Michelson này là một nguồn đơn sắc rộng mà mặt sóng của nó là mặt sóng phẳng Vì vậy đặc điểm ảnh giao thoa của nó tương tự như vân giao thoa đồng độ nghiêng

Dưới đây ta khảo sát sự hình thành vân giao thoa đồng độ nghiêng :

Ta đặt trước một nguồn sáng rộng một bản phẳng song song A, có bề dày e

Hình 1.5 Sơ đồ khảo sát sự hình thành vân giao thoa đồng độ nghiêng

Tia sáng S đến mặt bản cho ta một tia phản xạ IR và tia khúc xạ IJ, tia khúc

xạ IJ tới mặt thứ hai của bản lại cho tia phản xạ JK và tia khúc xạ JR2 Tia JR2 ló

ra khỏi bản theo phương song song với tia tới SI, còn tia JK trở lại tới mặt thứ

nhất cho tia phản xạ KJ1 và tia khúc xạ KR1 Các tia ló ra sau mặt thứ hai của bản

có cường độ chênh lệch nhau nhiều nên ta không xét

Ta xét hai tia IR và KR1, chúng có cường độ gần như nhau và song song với nhau Do đó chúng gặp nhau ở vô cực Giữa chúng có một hiệu quang trình hoàn toàn xác định, nên chúng giao thoa với nhau Hiệu quang trình chúng ta có thể tính được theo hình 1.6

Hình 1.6 Sơ đồ tính hiệu quang trình

Gọi góc tới và góc khúc xạ của tia sáng đối với bản mặt là i và r, n là chiết suất của bản, bản được đặt trong không khí với chiết suất n1 Khi đó hiệu quang trình của cặp tia IR và KR1 bằng

Trong đó H là giao điểm của tia IR với mặt phẳng dựng qua K và vuông góc với hai tia IR và KR1 Do trong hai tia có một tia ( tia IR ) phản xạ trên môi trường chiết quang hơn nên

cùng hiệu quang trình như (1.5) và có cùng trạng thái giao thoa như cặp tia IR và

KR1 Vì vậy vân của bản mặt song song được gọi là vân đồng độ nghiêng và có thể quan sát được với nguồn sáng rộng

Vì vân giao thoa định xứ ở vô cực, nên để quan sát hệ vân ta phải dùng một thấu kính hội tụ O vuông góc với các tia phản xạ Khi đó vân giao thoa của các tia này sẽ hội tụ tại tiêu điểm của thấu kính

Ta dễ nhận thấy rằng, hiệu quang trình là lớn nhất khi r = 0, tức là khi ta rọi sáng theo phương vuông góc Khi đó nếu e= 1 mm, n = 1,5 thì với bức xạ laser HeNe bậc giao thoa cực đại là

.

Một nhận xét là nếu bề mặt của bản mỏng có những vết lồi lõm /4 thì sẽ tạo nên sự bù trừ vân giao thoa giữa hai cặp tia phản xạ ở hai chỗ khác nhau trên bản và cho độ rọi trung bình

Trong thực tế, khi nguồn sáng không phải là một sóng phẳng, tức các tia sáng đến bản phẳng dưới các góc tới ii 0, trên hình 1.7, ta dễ nhận thấy các tia có cùng một góc tới ii sẽ hội tụ ở trên cùng một vòng tròn có tiêu điểm là F

Hình 1.7 Ảnh giao thoa của các vân đồng độ nghiêng qua thấu kính hội tụ

Ta sẽ xét ảnh hưởng của bề dầy e của bản đến khả năng quan sát hệ vân qua bán kính vân Giả sử ở tâm có một vân sáng và được đánh số là vân thứ 0, các vân tiếp theo tính từ trong ra được gọi là vân thứ 1 ,2 ,3 Hiệu quang trình xác định trạng thái giao thoa của vân sáng tại tâm F là

 = 2ne + 

2 =m (1.8)Vân sáng thứ j ứng với góc khúc xạ rj, và góc tới ij phải ứng với hiệu quang trình  j, nhỏ hơn  0 một lượng j, tức là ta có

Hình 1.8 Hình dáng hệ vân đồng độ nghiêng qua thấu kính hội tụ

Vậy bán kính các vân tăng tỷ lệ với căn bậc hai của các số nguyên liên tiếp,

do đó vân càng xa tâm càng gần lại với nhau Hình 1.8 trình bày dạng của hệ vân Nếu f và j không thay đổi thì  tỷ lệ nghịch với căn bậc hai của bề dầy e Bản càng mỏng vân càng thưa, chúng càng dễ được quan sát

Ta đễ thấy rằng bề dầy e trong sơ đồ khảo sát này chính là hiệu quang lộ của hai chùm sáng của giao thoa kế Maikenxơn Việc dịch chuyển gương M1 hoặc M2

tương ứng với sự thay đổi bề dày e, sẽ làm khoảng cách vân thay đổi rất nhanh Giả sử khoảng cách vân thứ nhất với vân thứ không là 0,2 mm và tiêu cự thấu kính là 50 mm thì hiệu quang lộ hai tia sẽ phải nhỏ hơn

Vậy việc xác định dịch chuyển thẳng của các gương không có ý nghĩa thực

tế Để tăng độ phân giải cho ảnh giao thoa, nguời ta thường nghiêng gương M1

hoặc M2 đi một góc quanh trục của nó Khi đó ảnh giao thoa thu được là ảnh của vân đồng độ dầy như sơ đồ ta xét dưới đây

Giả sử ta có bản một mỏng chiết suất n, bề dày thay đổi Tại điểm khảo sát hai mặt tạo với nhau một góc nhỏ  chừng vài phút, hình 1.9

Hình 1.9 Dạng vân giao thoa hình nêm

Gọi  là góc nêm, e là độ dày của nêm tại điểm cách mép nêm một khoảng

x và n là chiết suất nêm Vì góc  nhỏ nên

e = x 

Những điểm có cùng độ dày đều ở trên cùng một đường thẳng song song với mép nêm, nên vân giao thoa là những đường thẳng song song với mép nêm Trong trường hợp rọi sáng vuông góc r= 0, hai vân tối liên tiếp ứng với hai bề dày e1 và

e2:

2ne1 = m và 2ne2 = ( m+ 1 ) 