các phương pháp gia công tiên tiến: gia công bằng tia laser

MỤC LỤC : I.Khái Niệm và Các Tia Laser Đầu TiênII.Nguên Lý Gia CôngIII.Thiết Bị và Dụng CụIV.Thông Số kỹ Thuật và Khả Năng Công Nghệ.V.Đặc Điểm và Dụng Cụ.I.KHÁI NIỆM CÁC TIA LASER ĐẦU TIÊNI.1.KHÁI NIỆM: Laser nghĩa là quá trình khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức. Laser được sử dụng như là một dụng cụ phát ra tia năng lượng tập trung rất mạnh mà trong tương lai gần trong một số lĩnh vực nào đó, nó là một cuộc cách mạng kỹ thuật trong gia công kim loại. Hiện tại thì có thể sử dụng thành công trong việc gia công siêu tinh, trong công nghệ hàn những điểm rất nhỏ và trong luyện kim. Gia công chùm tia laser là quá trình xử lý nhiệt trong đó tia laser được dùng làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu. Máy tia laser là máy cắt bằng tia sáng hoạt động theo chế độ xung. Năng lượng xung của nó không lớn, nhưng nó được hội tụ trong một chùm tia có đường kính khoảng 0.01 mm và phát ra trong khoảng thời gian một phần triệu giây tác động vào bề mặt chi tiết gia công, nung nóng, làm chảy và bốc hơi vật liệu. Tia sáng ấy được gọi là tia laze, viết tắt theo tiếng Anh là LASER (light Amplification Simulated Emission of Radiation) và thường dịch nghĩa tiếng việt là máy phát lượng tử ánh sáng. I.2.MỘT SỐ TIA LASER ĐẦU TIÊN: Tia laser đầu tiên được phát minh vào tháng 5 năm 1960 bởi Maiman. Nó là loại laser hồng ngọc (rắn). Nhiều loại laser đã được phát minh ngay sau laser hồng ngọc – laser uranium đầu tiên bởi phòng thí nghiệm IBM (tháng 11 năm 1960)

CHỦ ĐỀ : PHƯƠNG PHÁP GIA CÔNG BẰNG TIA LASER

MỤC LỤC :

I.Khái Niệm và Các Tia Laser Đầu Tiên

II.Nguên Lý Gia Công

Máy tia laser là máy cắt bằng tia sáng hoạt động theo chế độ xung Năng lượng xung của nó không lớn, nhưng nó được hội tụ trong một chùm tia có đường kính khoảng 0.01

mm và phát ra trong khoảng thời gian một phần triệu giây tác động vào bề mặt chi tiết giacông, nung nóng, làm chảy và bốc hơi vật liệu Tia sáng ấy được gọi là tia laze, viết tắt theo tiếng Anh là LASER (light Amplification Simulated Emission of Radiation) và thường dịch nghĩa tiếng việt là máy phát lượng tử ánh sáng

I.2.MỘT SỐ TIA LASER ĐẦU TIÊN:

Tia laser đầu tiên được phát minh vào tháng 5 năm 1960 bởi Maiman Nó là loại laser hồng ngọc (rắn) Nhiều loại laser đã được phát minh ngay sau laser hồng ngọc – laser

Neon đầu tiên bởi Phòng thí nghiệm Bell vào năm 1961, laser bán dẫn đầu tiên bởi

Robert Hall ở phòng thí nghiệm General Electric năm 1962, laser khí CO2 và Nd:YAG đầu tiên bởi phòng thí nghiệm Bell năm 1964, laser hóa năm 1965, laser khí kim loại năm1966,…Điều này cho thấy nhiều loại có thể tạo ra laser

Để sử dụng gia công vật liệu, laser phải có đủ năng lượng Người ta thường dùng các laser sau để gia công vật liệu: laser CO2, laser Nd-YAG hoặc laser Nd-thủy tinh và laser excimer Trong lĩnh vực gia công kim loại thường dùng laser rắn vì công suất chùm tia tương đối lớn và có kết cấu thuận tiện

II.NGUYÊN LÝ GIA CÔNG BẰNG CHÙM TIA LASER:

Máy gia công bằng chùm tia laser được chế tạo vào năm 1960, và ngày nay phươngpháp này thực sự có giá trị trong gia công cơ khí

Từ laser là viết tắt các chữ đầu của các từ “Light Amplification by Stimulated Emission

of Radiation” – Sự khuyết đại ánh sáng bằng bức xạ của chất phóng xạ Loại vật liệu cóthể gia công được làm từ tia laser không phụ thuộc vào độ dài sóng Năng lượng củachùm tia laser tập trung vào phần nhỏ của chùm tia laser làm cho phần vật liệu đó bay hơi

đi Máy gia công bằng tia laser được sử dụng trong khoan, xẻ rãnh, cắt, tạo hình…

Gia công bằng chùm tia laser là quá trình xử lý nhiệt trong đó tia laser được dùng làmnóng chảy và bốc hơi vật liệu Nguyên lý hoạt dộng của chùm tia laser được trình bàytrên hình 5.1

2

5

Tia laser

Hì

nh 5.1 Sơ đồ nguyên lý hoạt động của chùm tia laser

1 Môi trường hoạt tính 2.Nguồn ánh sáng kích thich

3 Buồng cộng hưởng quang học

4 Gương phản xạ toàn phần (độ phản xạ ánh sáng 100%)

5 Gương phản xạ bán phần trong suốt (độ phản xạ ánh sáng 50%).Trên hình 5.1 có thể thấy một không gian quang học 3 Trong không gian này ởhai phía là hai kính phản chiếu(4 và 5) và giữa chúng là môi trường hoạt tính 1 (haythanh laser), những nguyên tử trong môi trường này bị kích thích bởi đèn số 2 ở trạngthái ổn định, những proton được phóng ra và hướng vào trục quang họccủa thanh laser.Các proton này va chạm nhau và tiếp tục phóng ra các proton khác, các proton này nốikết nhau về pha cũng như về hướng Quá trình này tiếp diễn cho đến khi các protonchuyển động dọc theo trục quang học và sau nhiều lần phản xạ các proton này có đủ nănglượng để rời khỏi thanh laserqua kính số 5, phần còn lại bị phản xạ trở lại và tiếp tục quátrình nhân proton Khi tia sáng đã chiếu xuyên qua kính phản chiếu ở hai đầu ra thì hìnhthành một chùm tia nối tiếp nhau Chùm tia này sẽ đi qua một thấu kính hội tụ để tậptrung năng lượng tại một điểm, nếu đặt vật cần gia công tại tiêu điểm này thì nhiệt độ cục

bộ tại đó có thể lên đến 80000C trong 1ms

Sau đây là nguyên lý gia công của một loại máy điển hình :

- Hình 5.2 chỉ ra nguyên lý gia công tia lazer trên máy K-3M:

Hình 5.2

Nguyên lý gia công chùm tia laser

2)Buồng phản xạ ánh sáng3) Đèn phát xung

4) Thanh hồng ngọc 5) Gương phản xạ toàn phần6) Gương phản xạ 50%

7) Thấu kính hội tụ8) Chi tiết gia công

9) Bàn gá10) Tế bào quang điện -Nguồn điện công nghiệp 1 qua biến thế và nắn dòng được nạp vào hệ thống tụ Điện áptối đa của tụ là 2KV để điều khiển sự phóng điện tới đèn phát xung 3 đặt ở trong bộ phậnphản xạ ánh sáng 2 Bộ phận này có dạng hình trụ với tiết diện mặt trụ ngang là

elíp Khi đèn 3 phát sáng , toàn bộ năng lượng sẽ tập trung tại vị trí có đặt thanh hồngngọc 4 Những ion Cr+3 của thanh hồng ngọc bị kích lên mức năng lượng cao, khi tụtxuống chúng sẽ phát ra những lượng tử Nhờ hệ dao động của các gương phẳng 5 và 6,những lượng tử này sẽ đi lại nhiều lần qua thanh hồng ngọc và kích các ion Cr+3 khác đểrồi cùng phóng ra chùm tia lượng tử Gương 5 có dộ phản xạ ánh sáng gần 99%, còngương 6 gần 50% Nhờ đó, một mặt ta vẫn nhận được chùm tia laser ở phía dưới, mặtkhác khoảng 1% chùm tia phát ra qua gương 5 sẽ được tế bào quang điện 10 thu lại vàqua hệ thống chuyển đổi ta biết được năng lượng của chùm tia đã phát ra khỏi máy.Chùm tia nhận được qua gương 6sẽ được tập trung bởi hệ quang học 7 và tác dụng lênchi tiết gia công 8 (đặt trên bàn máy 9) có khả năng di chuyển tọa độ theo 3 phương X, Y,Z

-Khi tập trung tia laser vào vị trí gia công cần chọn hệ thống quang học và chế độ giacông như năng lượng chùm tia tới, thời gian xung tác dụng của chùm tia, tiêu cự của hệthống quang học và số xung laser

- Quá trỉnh tác dụng của chùm tia laser vào vị trí gia công được chia ra các giai đoạnsau:

+ Vật liệu gia công hút năng lượng của chùm tia laser và chuyển năng lượng này thànhnhiệt năng

+ Đốt nóng vật liệu gia công tới nhiệt độ có thể phá hỏng vật liệu đó Giai đoạn nàyứng với quá trình truyền nhiệt trong vật rắn tuyệt đối bị giới hạn về một phía theo phương

+ Phá hỏng vật liệu gia cơng và đẩy chúng ra khỏi vùng gia cơng Giai đoạn này ứng vớiquá trình truyền nhiệt mà bề mặt tác dụng luơn luơn thay đởi theo phương tác dụng củachùm tia laser.

+ Vật liệu gia cơng nguội dần sau khi chùm tia laser tác dụng xong

III.THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ:

III.1.Các loại Laser:

Cĩ nhiều cách để phân loại Laser, nhưng thơng thương người ta thương phân loại laser theo vật liệu cấu tạo nên mơi trương hoạt tính của chúng Cĩ thể chia laser thành ba loại chính như sau: laser rắn, laser lỏng và laser khí

*Laser rắn:

Cĩ thể nĩi rằng phần quan trọng nhất của laser là laser với trái tim hồng ngọc Ra đờisau laser hồng ngọc là hàng loạt các laser hợp chất Nhờ việc chế tạo thủy tinh hợp chấtmột cách dễ dàng và khá rẻ tiền, nên loại laser này ngày càng chiếm một vị trí quan trọngtrong nhiều lĩnh vực và ứng dụng khác nhau Laser thủy tinh hợp chất nêodim có công

Hình 5.3 Cắt bằng tia laser

suất bức xạ lớn và tần số lặp lại cao Công suất trung bình của chùm ánh sáng có thểđạt đến hàng trăm KW trong một tương lai không xa.

Nhược điểm của loại laser rắn là hiệu suất thấp, chỉ cỡ 5  7% Tuy nhiên, loại laserrắn có kích thước tương đối gọn nhẹ nên được ứng dụng trong rất nhiều lĩnh vực khácnhau như trong thông tin liên lạc, vô tuyến truyền hình, trong công nghiệp, y tế, quânsự, …

Trong các loại laser rắn, người ta chú ý nhiều nhất đến laser bán dẫn Môi trườnghoạt tính của chúng là các bán dẫn loại N hay loại P (gecmani, silic, axenit gali …).Loại laser bán dẫn có hiệu suất cao hơn hẳn bất kỳ loại laser nào khác Về lý thuyết,hiệu suất của các loại laser bán dẫn có thể đạt tới 100% Tuy nhiên, trên thực tế hiệusuất của loại laser này chỉ đạt đến 70% Việc chế tạo loại laser bán dẫn cũng còn gặpmột số khó khăn kỹ thuật, do đó hiệu suất của chúng chưa đạt được cao lắm Tấtnhiên, so với các loại laser khác như laser khí (hiệu suất 20%), laser rắn (hiệu suất57%), laser bán dẫn ưu việt hơn nhiều Tuy vậy, công suất bức xạ của loại laser bándẫn còn nhỏ, chưa thể so sánh với các loại laser khí hay laser tinh thể khác được Ngoài ra, laser bán dẫn còn có đặc điểm là dễ điều khiển, có thể biến đổi công suấtbức xạ theo một quy luật cho trước một cách dễ dàng Khi dòng điện đi qua một môitrường hoạt tính bán dẫn bị biến thiên, thì công suất ra cũng sẽ biến thiên đúng nhưvậy Đặc tính này làm cho laser bán dẫn có một tầm quan trọng đặc biệt, nhất là tronglĩnh vực truyền thông tin và vô tuyến truyền hình

*Laser khí:

Cho đến năm 1961, laser khí mới ra đời nhưng không được chú ý nhiều, vì về côngsuất bức xạ ánh sáng và hiệu suất làm việc nó còn kém xa loại laser ra đời trước đó

khả năng định hướng cao Năm 1964, laser khí CO2 xuất hiện, với một công suất rấtcao Trong những năm gần đây, laser khí CO2 (và hỗn hợp của nó) đã đạt được côngsuất bức xạ tới hàng chục KW, trong chế độ làm việc liên tục, với hiệu suất 20% Loại laser CO2 khí động học có công suất bức xạ đến 100 KW.

Ưu điểm của loại laser khí là công suất lớn, tính đơn sắc và khả năng định hướngcao, thích hợp cho việc sử dụng chúng ở chế độ liên tục Dải bước sóng của loại laserkhí kéo dài từ sóng mm cho đến vùng tử ngoại Môi trường hoạt tính của loại laser khílà các chất khí hay hỗn hợp khí khác nhau Thông dụng nhất là khí nguyên tử neon,agon, kripton, xênon, hơi kim loại cadimi, đồng, selen, xêzi, và khí phân tử như oxytcacbon, cacbonic, hơi nước …

*Laser lỏng:

Một trong những phương hướng mới của laser là laser có môi trường hoạt tính chấtlỏng Có hai 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 êropi Môi trường hữu

cơ đóng vai trò trung gian, nhận năng lượng cho nguồn ánh sáng kích thích, truyền lạicho các nguyên tử êropi Các nguyên tử êropi bị kích thích và bức xạ ánh sáng vớibước sóng 0,61 m (màu đỏ)

Nhược điểm của các loại laser hữu cơ lỏng là môi trường hoạt tính không bền vững,chất hữu cơ bị phân hủy dưới tác động của ánh sáng kích thích Gần đây người ta thaychất hữu cơ bằng chất vô cơ để tránh sự phân hủy nói trên Loại laser chất lỏng vô cơcó công suất bức xạ và hiệu suất khá cao, có thể sánh vai cùng các loại laser rắn vớihợp chất nêodim Hiện nay loại laser vô cơ lỏng có thể cho công suất trung bình gần

500 W ở chế độ xung, và ở chế độ xung đơn với năng lượng hàng trăm Jun

Tuy nhiên, chất lỏng oxít clorua selen là một loại chất độc, có hại cho cơ thể conngười, do đóù khi làm việc với nó phải tuân theo nhiều biện pháp an toàn phức tạp.Nói chung, cũng như các loại laser khác, laser chất lỏng cũng có những ưu điểm riêngcủa nó Điều dễ dàng nhìn thấy nhất là việc làm nguội môi trường hoạt tính rất đơngiản, bằng phương pháp lưu thông dòng chất lỏng trong laser

Các loại laser như đã nói ở trên đều cần nguồn cung cấp điện để tạo ra môi trườnghoạt tính Nguồn điện năng được sử dụng có thể dưới dạng dòng điện cao tầng để ionhóa hỗn hợp khí trong laser khí, hoặc dòng điện một chiều chạy qua lớp tiếp xúc P-Ntrong laser bán dẫn, hoặc dưới dạng ánh sáng đèn chiếu sáng như trong các laser rắn

… Các phương pháp kích thích môi trường hoạt tính này đều có hiệu suất khá cao vàcho công suất bức xạ của laser lớn Tuy nhiên, trong thực tế không phải nơi nào cũngcó nguồn điện năng Như vậy, sự ra đời của laser khí động học và laser hóa học làmột giải pháp thực tế nhất

*Laser Gama:

Trong những năm gần đây, ngành điện tử lượng tử đã phát triển rất mạnh Sự pháttriển của nó gắn liền với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, quang học, vật lý, hóa họcvà nhiều lĩnh vực khoa học khác Sự tương quan hữu cơ này đã thúc đẩy sự phát triển,không những của chính bản thân kỹ thuật laser, mà còn những ngành có liên quan Có thể nói rằng, sự ra đời của laser Gamma là sự kết hợp hài hòa giữa yêu cầu cầncó một nguồn ánh sáng điện từ đơn sắc, có công suất lớn với bước sóng < 107 cm vàsự phát minh ra hiệu ứng Mesbauer Với bước sóng này, laser Gamma cho phépnghiên cứu đặc điểm cầu trúc của thế giới vi mô, và mở ra nhiều triển vọng mới trongngành sinh học, hóa học vật lý và kỹ thuật …

Năm 1972 – 1973, nhà bác học Xô Viết lỗi lạc, viện sĩ Viện Hàn lâm Khoa học LiênXô đã đặt nền móng cho một phương hướng nghiên cứu laser mới – laser Gamma Cơsở vật lý của laser Gamma là hiệu ứng Mesbauer cho phép ta thực hiện quá trình bứcxạ, hấp thụ và tán xạ cộng hưởng tia Gamma với độ phẩm chất rất lớn Trong laserGamma, các mức năng lượng làm việc là các mức chuyển tiếp trạng thái của hạt nhânphóng xạ Hạt nhân sẽ bức xạ tia Gamma, khi nó chuyển trạng thái từ mức nănglượng cao xuống các mức năng lượng thấp hơn Hiện tượng bức xạ tia Gamma này gọilà hiện tượng phân rã Gamma.

Để kích thích các hạt nhân có thể dùng các hạt nhân khác, các notron, proton hay tiaGamma

Về nguyên lý chung, laser Gamma làm việc cũng tương tự như các laser khác (laserkhí, laser rắn …) Tuy nhiên, hiện tượng vật lý xảy ra trong môi trường hoạt tính củaloại laser này phức tạp hơn nhiều Khả năng tiềm tàng của loại laser này rất lớn tuynhiên kỹ thuật chế tạo nó rất phức tạp, và do đó việc ứng dụng của nó chưa được phổbiến rộng rãi Nhờ sự ra đời của laser Gamma, chúng ta đã mở rộng được dải sóng, từhồng ngoại cho đến bước sóng một vài Amstrong (Ao) Tuy nhiên trong tương lai, khómà nói rằng đó là phương pháp cuối cùng của kỹ thuật laser

Sự ra đời và phát triển rất mạnh của kỹ thuật laser đã góp phần rất lớn vào việc giảiquyết nhiều vấn đề kỹ thuật và nghiên cứu khoa học

III.2.Cấu tạo máy laser:

Những nguyên tử, cũng tương tự như phân tử, cũng có cấu trúc năng lượng, các mứcđó mang tính chất lượng tử, khoảng cách các mức cũng cố định với từng loại phân tử.Nhờ đó mà các phân tử đều có thể bức xạ điện tử nếu chúng bị kích thích Muốn chocác nguyên tử phát ra ánh sáng (sóng điện từ nói chung) chúng phải được kích thích,

tức là electron phải được đẩy lên mức năng lượng cao hơn Có thể dùng: đốt nóng,dùng ánh sáng mạnh chiếu vào, dòng điện đi qua Khi nhận năng lượng này electronnhảy lên mức năng lượng cao hơn, chúng sống tạm một thời gian ở mức năng lượngmới và sẽ trở về mức năng lượng cũ và phát ra ánh sáng Do đặc điểm bức xạ tự phátnên trong một thời điểm electron chuyển mức năng lượng bức xạ ra proton khác tạonên một quá trình vô cùng nhanh Khi các electron chuyển mức năng lượng thì quátrình bức xạ sẽ dừng lại, do đó chúng ta phải có nguồn kích thích năng lượng từ bênngoài để tiếp tục đẩy các electron lên mức cao hơn.

Tóm lại tia laser truyền đi đơn sắc, song song với độ phân kỳ lớn, độ sáng cao, tiêubiểu cho sự khuyếch đại ánh sáng bởi sự bức xạ được kích hoạt Máy laser là một bộphận tạo ra bức xạ ánh sáng với các mức năng lượng lớn và có thể điều khiển được.Khi chiếu vào một vật liệu mức năng lượng này đủ lớn để gây ra hiệu ứng cục bộ.Sức nóng của tia laser được điều khiển để ra kết quả mong muốn ở vùng cụ thể vàđảm bảo biến dạng là nhỏ Dưới đây là nguyên lý máy laser:

Nguồn sáng

Nguồn sáng

BànHệ thống

làm mát

Nguồn điện

Băng bảo vệ

Tia laser

Đồ gá

Kim loại bay hơi

Chi tiết

Độ dài tiêu cự

Gương phản xạ bán phần

Gương

phản xạ

toàn phần

Thấu kính

Hình 5.4 Sơ đồ nguyên lý máy laser.

*Máy laser được cấu tạo bởi 3 phần chính sau:

III.2.1.Môi trường hoạt tính:

Là phần quan trọng nhất có nhiệm vụ phát ra sóng điện từ hay sóng ánh sáng Tuỳtheo yêu cầu kỹ thuật người ta có thể dùng các loại hoạt tính là chất lỏng, chất rắn,khí Một số chất thường được sử dụng hoạt tính là:

+ Chất khí: N2, H2, CO2

+ Chất rắn: Tinh thể và thủy tinh hợp chất (hồng ngọc, thạch anh …)

+ Chất lỏng: các dung dịch sơn, chất hữu cơ, vô cơ

Môi trường hoạt tính của chất khí thường được sử dụng trong laser có công suất lớn,phương pháp kích thích đơn giản

Đối với laser rắn dạng tròn, môi trường hoạt tính là chất rắn dạng tròn, chữ nhật,dạng tâm … Người ta thường dùng nguồn ánh sáng kích thích từ bên ngoài

* Môi trường hoạt tính khí:

Loại laser khí được sử dụng tương đối phổ biến vì việc kích thích phóng điện vàđiều khiển tương đối dễ dàng Ta có thể chia làm 3 loại laser khí: nguyên tử trunghòa, loại ion hóa, loại phân tử

Phần cơ bản của máy laser là ống kính làm bằng thủy tinh hay sứ chứa môi trườngkhí, hai đáy của ống hình trụ làm bằng muối đá hay axê magali cho ánh sáng đi quavới bước sóng 0,16 m để làm giảm sự mất mát do sự phản xạ trở lại từ bề mặt cáccửa sổ Các cửa sổ này nếu đặt nghiêng với trục của ống 1 góc Bruster thì không bị

phản xạ lại Để kích thích sự phóng điện bằng dòng điện một chiều hay xoay chiềutần số thấp, đưa hai cực vào ống và nối chúng với nguồn điện áp Với dòng điện xoaychiều tần số cao, chỉ cần kích thích sự phóng điện bằng cách đưa điện áp đến hai vànhkim loại áp vào thành ngoài ống Để tạo sự phản hồi dương ở hai đầu ống khí, đặt haigương quang học tạo thành hệ cộng hưởng mở mang tên Phabripero Hai gương nàyphải song song và vuông góc trục ống Nhờ hệ thống như gương này Proton sinh ra dobức xạ sẽ di chuyển qua môi trường hoạt tính nhiều lần Một trong hai gương sẽ làgương trong suốt.

Hình 5.5 Sơ đồ nguyên lý laser khí.

*Môi trường hoạt tính rắn:

Máy phát

Tia laser

Cửa sổOáng chứa khí

Gương phản xạ

Muốn laser trạng thái rắn phù hợp tốt nhất là dùng loại ống thủy tinh Neon đen làmống dẫn chùm laser Các đầu cuối của ống được cấu tạo hai gương phản xạ Một mặtgương phản xạ toàn phần, mặt còn lại là phản xạ bán phần cho phép chùm tia laserxuyên qua khi mật độ chùm tia laser đạt đến mức độ nhất định Chùm tia laser đầuđược kích thích bằng bóng đèn có cường độ cao Các gương đặt trong ống laser – ốngdao động, quang học được dùng để phản xạ và hội tụ ánh sáng trong môi trường dungmôi.

*Môi trường hoạt tính bán dẫn:

Môi trường hoạt tính trong laser gồm có hai phần loại bán dẫn P và N Phần thực tếlàm việc với lớp chuyển tiếp P-N, lớp này mỏng cỡ vài m, loại bán dẫn phù hợp nhấtcho mục đích này là hợp chất khí (axêtic gali) Cho dòng điện chạy qua lớp này kíchthích năng lượng cao Trên lý thuyết mỗi cặp electron và hai lỗ trống gặp nhau chúngsẽ trung hòa với nhau và phát ra ánh sáng Do hiệu suất của laser bán dẫn đạt 70%hơn hẳn các loại laser khác Đối với laser bán dẫn chúng ta biến đổi được công suấtcủa chúng bằng phương pháp biến điện kích thích

Tia laser

Lỗ trốngCặp lỗ trống điện tử

Aùnh sáng phản

xạ lại từ gương

Môi trường hoạt tínhMặt gương

Hình 5.6 Sơ đồ nguyên lý hoạt động laser bán dẫn.

III.2.2 Nguồn kích thích:

Muốn cho môi trường hoạt tính làm việc ta phải tạo nên vùng đảo hạt ở mức nănglượng cao Để làm được việc đó chúng ta phải cung cấp cho môi trường hoạt tính mộtnăng lượng Có nhiều phương pháp để kích thích môi trường hoạt tính

Hình 5.7 Các loại nguồn kích thích.

Nguồn sáng đèn: phương pháp này thường được sử dụng với các laser rắn, nguồn ánh

sáng gồm một hay nhiều đèn xenon Để tập trung ánh sáng từ các đèn lên môi trườnghoạt tính người ta dùng hệ thống gương phản chiếu Đối với thanh hoạt tính hình trụhệ thống gương hình ellipe Ngoài ra người ta còn dùng các loại đèn chiếu hình xoắn

Gương phản chiếu

Thanh hoạt tính

A

CB

D

Hình 5.8 Nguồn sáng đèn với laser và hệ thống quang học HL 54 P.

Nguồn kích thích dòng điện: đối với môi trường hoạt tính khí người ta thường dùng

dòng điện cao tầng để tạo nên môi trường phóng điện ion hóa Đối với dòng điện mộtchiều hay tần số thấp người ta phải đưa điện cực trực tiếp vào môi trường khí

Bộ cộng hưởng quang học: sau khi tạo được lớp đảo, môi trường hoạt tính trở

thành môi trường khuyếch đại ánh sáng Để có thể nhận được ánh sáng phải tạo nênmột phản hồi dương Bộ cộng hưởng quang học đóng vai trò này và là bộ phận hướngtia ánh sáng chọn lọc

Phôi

Vòi phun trong

Khí cắt áp suất cao

Vòi phun ngoài

Khí cắt áp suất thấpThấu kính hội tụ

Tia laser

Hình 5.9 Vòi phun khí điển hình.

Bộ cộng hưởng quang học là hệ thống gương quang học Trên bề mặt phản chiếucủa gương có phủ một lớp kim loại hoặc một lớp điện môi Một trong hai gương kiaphải là gương bán trong suốt Trong trường hợp gương làm bằng kim loại phải khoanmột lỗ cho ánh sáng đi qua, trong laser khí gương cộng hưởng nằm ở hai đầu ống Đốivới laser rắn gương hoạt tính đồng thời là hai mặt của thanh hoạt tính Ngoài cácgương nói trên, bộ cộng hưởng quang học còn có những phần phụ kèm theo như lăngkính có nhiệm vụ lọc ánh sáng

Hình 5.10 Bộ cộng hưởng quang học.

Vậy về nguyên lý, gia công bằng tia laser rất đơn giản Bằng cách tập trung năng

Gương phản xạ

rất cao, và do đó nhiệt độ tại đó cũng lên rất cao Tùy theo mục đích và yêu cầu kỹthuật mà nhiệt độ sẽ được đều chỉnh cho phù hợp.

Hình 5.11 Sơ đồ máy laser khí.

III.2.3.Các bộ phận máy Laser gồm:

+ Máy phát tia laser: Có thể làm việc ở chế độ hoạt động theo xung hay liên tục.Tuỳ theo nhiệt độ ở điểm tập trung mà ta chọn máy laser có công suất lớn hay nhỏ,và chế độ hoạt động liên tục hay gián đoạn (xung), tần số của xung

Page 18

Nguồn điện và

mạch định thì

Lăng kính hoặc

gương phản xạ

Hệ thống làm mát

Đèn ống

Gương phản xạ bán phần

Laser rắn hoặc khí

Tia laser đi ra Bao kín với bề mặt bên

trong phản xạ được

+ Bộ hội tụ tia: Đây là bộ phận rất quan trọng Nhiệm vụ của nó là tập trung các tialaser tại một điểm hay các vùng nhỏ, làm cho mật độ năng lượng và nhiệt độ tại điểmđó tăng cao cục bộ Bộ phận này thường là thấu kính hội tụ

Hình 5.13 Sơ đồ máy laser rắn.

Đèn kích thích

Thấu kínhChi tiết

Chùm tia hội tụ

trên chi tiết

Oáng xả hay bộ dao

động quang học

Đầu phản xạ có gương ở cuối đường zíc-zắc

Tia laseer đi ra

+ Bộ lọc: Do máy phát tia laser không có duy nhất một bước sóng mà thể có nhiềubước sóng khác nhau Do đó chúng ta sử dụng bộ lọc cho ra bước sóng duy nhất để cócộng hưởng cao Thông thường bộ lọc làm việc theo nguyên tắc phản xạ ánh sáng.

a Một số máy phát laser.

Dưới đây là một số máy phát laser hồng ngọc Trên hình 5.14 giới thiệu sơ đồ máyphát laser hồng ngọc

Trên hình 5.14 ta thấy thanh hồng ngọc đặt trong vòng xoắn của đèn bức xạ đượccung cấp điện từ bộ cung cấp và điều khiển điện Mặt khác thanh hồng ngọc được đặttrong ống thủy tinh, qua đó thường xuyên được làm sạch Thanh hồng ngọc được đặtcố định bằng một lò xo Khi làm việc, do sự kích thích của thanh hồng ngọc, tia sángphát ra và hướng ra ngoài từ một đầu của thanh hồng ngọc

510

4

678

9

231

Bộ cung cấp và điều khiển điện

Buồng phản xạ ánh sáng

Đèn phát xung

Thanh hồng ngọc

Gương phản xạ toàn phần

Gương phản xạ bán phần

Thấu kính hội tụ

Chi tiết

Bàn gá

Tế bào quang điện

Hình 5.14 Sơ đồ nguyên lý làm việc của máy K-3M.

Trên hình 5.15 giới thiệu 1 máy có kết cấu khác

Thanh hồng ngọc 8 có  = 6,3 mm và dài 63 (mm) đặt trong 1 pha phản xạ có đặt

1 đèn xung dùng khí trơ xênon 7 dạng bút chì dài 76 (mm), được cấp 1 dòng điện xungtừ phía ngoài gồm tụ điện 4 với điện dung 400 F và cuộc cảm 3 được nối với biếnthế 6 tạo xung với điện thế 14 (kV) Khi đóng mạch điện bằng bộ cầu dao 1 vào bộ tụphóng

64

78

12

a Với đèn bức xạ chuyên dùng b Với gương phản xạ hình elíp.

Khi một vật bị kích thích bởi một nguồn năng lượng từ bên ngoài, các nguyên tốhoạt tính trong năng lượng đó được đưa lên một mức năng lượng cao hơn, nhưng ởmức năng lượng này độ bền vững rất kém nên khi ngưng kích thích thì chúng có xuhướng tụt xuống mức năng lượng thấp hơn Lúc đó thế năng của chúng giảm đi, đồngthời mỗi nguyên tử hoạt tính phát ra 1 hoặc 2 lượng tử tuỳ theo quá trình tụt xuống làtự phát hay cưỡng bức

Trên cơ sở đó máy phát tia laser để gia công kim loại gồm 3 bộ phận chính:

- Đầu tia phát laser

- Bộ phận cung cấp và điều khiển điện

- Bộ phận gá đặt chi tiết gia công

Để tạo tia laser trên vật thể rắn ta có thể sử dụng các tinh thể của các khoáng chấtkhác nhau hoặc thủy tinh với các tạp chất của các nguyên tố hiếm, ví dụ: tinh thểhồng ngọc (rubi), thủy tinh nêodim (Nd), …

Máy phát tia laser : Sơ đồ máy phát tia laser kiểu MLC – 1 cho trong hình 5.36

Máy phát quang lượng tử

Màng ngăn

Oáng ngắm

Vật kính của kính hiển vi

Tấm kính bảo vệ

Chi tiết gia công

Bộ nguồn