Hướng dẫn thí nghiệm môn học kỹ THUẬT LASER TRONG CHẾ tạo cơ KHÍ

TRNG I HC BCH KHOA H NI VIN C KH B MễN C KH CHNH XC V QUANG HC - Hng dn thớ nghim mụn hc K THUT LASER TRONG CH TO C KH H v tờn sinh viờn: Mó lp hc: Mó lp thớ nghim: H ni, 2015 Bi I O KCH THC LN CA B PHN V CHI TIT MY BNG LASER THEO PHNG PHP BIN I PHA Mc ớch: - Sinh viờn hiu c phng phỏp o kớch thc ln ca cỏc b phn hoc chi tit mỏy theo phng phỏp bin i pha - Bit cỏch s dng dng c o khong cỏch bng tia laser Thit b thớ nghim : Dng c o khong cỏch bng laser cm tay Leica DISTO A2 Chi tit o mu cht tr cú ng kớnh d theo hỡnh v 1.3 Mụ t thit b o, nh chp v cỏc b phn Ni dung thớ nghim: Tỡm hiu v nm c nguyờn lý hot ng ca dng c o - Thc hin phộp o trc tip khong cỏch tõm hai l L - Thc hin phộp o giỏn tip khong cỏch tõm hai l L Trỡnh t thớ nghim: - Tỡm hiu nguyờn lý hot ng ca thit b o Nguyờn lý hot ng ca dng c o Phng phỏp o ny da trờn nguyờn lý o quóng thi gian i v ca xung ỏnh sỏng laser S nguyờn lý chung ca cỏc thit b kiu ny nh hỡnh 1.1 Hỡnh 1.1 S nguyờn lý o khong cỏch ln bng xung laser Tia laser t ngun c iu bin thnh dng xung vuụng ngn cú rng xung ph thuc vo chớnh xỏc cn o Khi xung laser i qua b ly mu, mt xung mu c tỏch a n ng b m thi gian ca b x lý tớn hiu o Xung laser o c truyn n vt cn o t khong cỏch cn o L Sau phn x li s c thu trờn h quang in P v a n b x lý tớn hiu o dng b m thi gian Khong cỏch o L tng ng vi mt na quóng ng i ca xung laser: L = c.t / - c l tc ỏnh sỏng khụng khớ 2,83.108 m/s - t l thi gian i v v ca xung laser Do tc ca ỏnh sỏng ln nờn chớnh xỏc ca phộp o ph thuc vo chớnh xỏc ca phộp o thi gian v cht lng ca dng xung laser Cỏch s dng thit b o (4).Kt qu o (2).Thit lp gc ta (3).n v o (1).Khi ng thit b o (5).Tng cỏc ln o (6).Hiu cỏc ln o (7).o din tớch (8).ốn chiu sỏng mn hỡnh (9).Xúa mn hỡnh Hỡnh 1.2: nh dng c o khong cỏch cm tay Leica DISTO A2 Kh nng o: t 0,05m n 60m chớnh xỏc 1,5mm Cỏch s dng : Bm nỳt ON/ DIST (1) ng thit b Hng tia laser vo im cn o, bm nỳt ON/ DIST l c kt qu giỏ tr o (4) trờn mn hỡnh Cú th thit lp gc ta o(2) t phớa u hoc phớa cui ca dng c o Bm nỳt (5) v (6) tớnh tng v hiu hai ln o liờn tip Bm nỳt (7) o din tớch, th tớch ca chi tit d d d=8mm d d L=10001 Hỡnh 1.3: Chi tit o v cht tr Chi tiờt o Cht tr Dng c o Thc trũn Hỡnh 1.4: nh b trớ thớ nghim o trc tip khong cỏch tõm hai l L Bc 1: Gỏ hai cht tr vo hai l, ci t dng c o laser khong cỏch cho gc ta phn cui ca dng c o Bc 2: t dng c o lờn mt u ca cht hng tia laser v phớa cht cũn li, bm nỳt ON/DIST cho tia laser cú phng trựng vi ng ni hai tõm cht Bm nỳt ON/DIST ln th v c ch th hin th trờn mn hỡnh ca dng c o ta c khong cỏch t gc ta o n cht A Lp li thao tỏc trờn ln v ghi kt qu vo bng 1.1 Khong cỏch hai tõm l L s l: L= A +d o giỏn tip khong cỏch tõm hai l L Cú nhng chi tit khụng th thc hin o khong cỏch hai tõm l theo phng phỏp o trc tip ta cú th o khong cỏch giỏn tip nh sau: thit b gm hai cht tr ng kớnh d V mt thc trũn T cú 4600 xung trờn mt vũng chia 360 o thit b o c gn lờn thc o gúc quay gia hai phng ca kớch thc l1 v l2 o c gúc quay ta m s xung trờn dng c o gúc ú gúc c tớnh bng cụng thc: = d soxung x360o 4600 d=8mm d 10001 d d L l1 l2 Hỡnh 1.5: S o khong cỏch giỏn tip Bc 1: Gỏ hai cht tr vo hai l, t dng c o laser khong cỏch lờn a chia Bc 2: Bm nỳt ON/DIST chiu tia laser v phớa cht tr th nht cho phng ca tia laser trựng vi phng ca ng ni t tõm a chia n cht tr, ci t dng c o laser cho gc ta phn u ca dng c o, set cho v trớ ca dng c o vi a chia bng cỏch bm nỳt reset trờn thit b o gúc Bm nỳt ON/DIST ln th v c ch th hin th trờn mn hỡnh ca dng c o ta c khong cỏch t gc ta o n cht l Xoay dng c o v hng tia laser v phớa cht tr th cho tia laser i qua phng ca ng ni tõm cht tr th v tõm a chia Bm nỳt ON/DIST v c ch th trờn mn hỡnh ca dng c o ta c khong cỏch l2 Xỏc nh v trớ ca dng c o trờn a chia bng cỏch c s xung trờn dng c o gúc ta o c gúc quay ca dng c o Lp li thao tỏc trờn ln v ghi kt qu vo bng 1.2 Khong cỏch hai tõm l s l: L= ( l1 + r ) + ( l2 + r ) ( l1 + r ) ( l2 + r ) cos r l bỏn kớnh cht tr r= d BO CO TH NGHIM BI I Tờn hc sinh thớ nghim : Lp : Ngy thớ nghim : Ngi hng dn : ỏnh giỏ: S LIU TH NGHIM V TNH TON KT QU O o trc tip kớch thc L=10001 Bng s liu 1-1 Thụng s A Ln o (mm) Giỏ tr trung bỡnh A= Khong cỏch hai tõm l L: L= A +d= o giỏn tip kớch thc L=11631 Bng s liu 1-2 Thụng s l1 (mm) Ln o l2 (mm) S xung (o) Khong cỏch L (mm) Khong cỏch hai tõm l L trung bỡnh: L = i =1 Li = So sỏnh kt qu ca hai phng phỏp o trc tip v giỏn tip a nhn xột v chớnh xỏc ca hai phng phỏp: Bi II XC NH TNH CHT PHN CC CA LASER V MI QUAN H GIA NGUN NUễI V CễNG SUT CA LASER GaAs Mc ớch: Xỏc nh tớnh cht phõn cc ca mt ngun sỏng laser bỏn dn GaAs V s ph thuc ca cụng sut phỏt theo dũng nuụi Thit b thớ nghim : Ngun laser GaAs bc súng 650 nm, P=1 mWhy Ngun in mt chiu iu chnh c dũng in Ngun in chiu Ngun laser GaAs Hỡnh 2.1 nh ngun laser v ngun nuụi Ampe k in t (mA) Tm phõn cc Thit b o cụng sut laser Cm bin quang in B o cụng sut Hỡnh 2.2 nh cm bin quang in v ngun nuụi Ni dung thớ nghim: - Xem xột v mụ t v cu to ca laser GaAs - Xỏc nh phõn cc ca laser GaAs - o s thay i ca cụng sut phỏt laser GaAs theo dũng Trỡnh t thớ nghim: Tỡm hiu nguyờn lý, cu to laser bỏn dn GaAs Laser diode bao gm mt n tinh th ca Ga As, kớch thớch theo dng tip giỏp p-n v c t mt in th ban u Hỡnh 2.3 Cu trỳc n gin ca diode laser tip giỏp n To phõn b o v tng kh nng tỏi hp li, khong 1mm rng gi l vựng hot ng laser, iu quan trng õy l mt dũng cao hng trm ampe trờn mi mm2 Khi u cho s phỏt laser c c trng bi dũng phun gi l dũng ngng, di dũng ngng Ith ny, s phỏt x ỏnh sỏng l t phỏt v khụng kt hp hai u ca diode c ỏnh búng to bung cng hng quang, cỏc cnh bờn c lm nhỏm tỏn x ỏnh sỏng, hỡnh 2.3 Laser bỏn dn cú c im l cụng sut v ph phỏt x ph thuc vo dũng nuụi Bi vy, vic n nh dũng nuụi ú l ht sc quan trng Trờn hỡnh 2.2, l mt mch ngun in hỡnh Dũng khụng i nhn c bi s thay th mt diode zener vo ch ca tr khỏng, thng gia nn v t Dũng i qua laser diode c cho bi: I0=VI - VBE/RE VI : l in ỏp phỏ hng ca diode zener VBE : in ỏp Bazer- Emiter RE : tr khỏng Emiter a, b, Hỡnh 2.4 Mch nuụi in hỡnh cho diode laser(a), Mch ngun chiu iu chnh dũng (b) Laser bỏn dn cú in tr ng nh, ch mt s thay i nh in th t vo s cú mt s thay i rt ln dũng qua laser Do vy ngun nuụi laser thng l ngun dũng Ngun dũng nuụi laser phi cp dũng n nh v gim thiu ti a tỏc ng ca xung tc thi S phõn cc ca ỏnh sỏng qua tm phõn cc Hỡnh 2.5 S truyn ca bn phõn cc Cỏc bn phõn cc minh hỡnh 2.5 thc l nhng b lc gm cỏc phõn t polymer chui di nh theo mt hng Ch cú ỏnh sỏng ti dao ng cựng mt phng vi cỏc phõn t polymer nh hng b hp th, cũn ỏnh sỏng dao ng vuụng gúc vi mt phng polymer thỡ truyn qua b lc phõn cc Xỏc nh tớnh cht phõn cc ca laser bỏn dn GaAs P T QD Laser BD A N G 10 Bng s liu 2-1 (o ) I (mW) (o ) I (mW) (o ) 0o(360o) 120o 240o 20o 140o 260o 40o 160o 280o 60o 180o 300o 80o 200o 320o 100o 220o I (mW) 340o V th I = f() Xỏc nh mt phng phõn cc ca tia laser sau v th trờn hỡnh 2.8: 13 Hỡnh 2.8 th biu din s phõn cc ca laser o s thay i ca cụng sut phỏt laser GaAs theo dũng Bng s liu 2-2 I(mA) P(W) I(mA) 40 90 50 100 60 110 70 120 80 130 14 P(W) I (mA) th biu din quan h gia ngun nuụi v cụng sut phỏt Bi III 15 O KCH THC CHI TIT NH BNG NHIU X TIA LASER Mc ớch: Sinh viờn hiu c cỏch o cỏc chi tit cú kớch thc rt nh khong t vi chc àm tr xung nh cỏc dõy dn, chi tit nh, rng ca vch trờn thc quang bng hin tng nhiu x tia laser Thit b thớ nghim : Ngun laser GaAs bc súng 650 nm, P=1 mW Chi tit o l ln ca cỏc vch trờn thc quang hc dựng mỏy CNC: thc quang hc l tm kớnh mng sut vi nhng ng k song song cỏch u trờn ú Khong cỏch d gia hai vch en c gi l chu k rng ca mi vch l a= d d a a b Hỡnh 3.1 nh thc quang a, nh phúng i (450 ln) cỏc vch trờn thc quang Thc o dch chuyn cú phm vi o 0ữ50 mm phõn gii 0,01mm Mn chn Ni dung thớ nghim: - Tỡm hiu nguyờn lý ca hin tng nhiu x ca chựm laser chiu qua mt cỏch t nhiu x phng - o kớch thc cỏc vch khc trờn thc quang hc Trỡnh t thớ nghim: 16 Nguyờn lý ca hin tng nhiu x Hiu tng nhiu x xy ta chiu mt chựm tia laser vo mt dõy hoc mt vt nh cú kớch thc d cú ln gn vi bc súng ỏnh sỏng laser x Hỡnh 3.2 Hin tng nhiu x Khi ú ta s hng c trờn mn nh khong cỏch L cỏc im sỏng nhiu x cú phõn b nng lng nh trờn hỡnh 3.1 tan = x L Nu gúc l rt nh nờn tan sin Do ú x/L=n/d Trong ú: d= n L x L l khong cỏch ca mn nh n vt x l khong cỏch trờn mn nh t vt sỏng trung tõm n cỏc võn sỏng th cp n= 1,2,3,4 Hỡnh 3.3 S nguyờn lý o theo nhiu x 17 Trờn hỡnh 3.2 l s nguyờn lý o ca thit b o nhiu x o ng kớnh dõy nh Kh nng o ca phng phỏp ny o c ng kớnh dõy n 0,25àm vi sai s t n 5% o kớch thc cỏc vch khc trờn thc quang hc M L Q L=300mm T G Hỡnh 3.4 S b trớ thớ nghim L : Laser bỏn dn GaAs M : Mn chn Q:Thc khc vch G : Giỏ quang hc T : Thc o khong cỏch Thit b thớ nghim gm mt diot laser GaAs phỏt chựm tia mu chiu vuụng gúc vo tõm ca mt thc quang khc vch cho tia laser nm trờn vch ca thc quang Khi ú s ng thi xy hin tng nhiu x ỏnh sỏng gõy bi mi khe hp v hin tng giao thoa ca cỏc chựm tia nhiu x t cỏc khe hp truyn ti Mn nh hng cỏc im nhiu x phõn b nng lng cỏch thc quang mt khong L= 300mm Mn nh c gn trờn thc o dch chuyn D o khong cỏch ca cỏc phõn b nng lng nhiu x x Hỡnh 3.4 nh cỏc võn sỏng trờn mn nh Trờn hỡnh 3.4 l nh cỏc võn sỏng thu c trờn mn nh, phn tụ en trờn hỡnh l biu th võn sỏng Tin hnh o khong cỏch t võn trung tõm n cỏc võn th cp v ghi kt qu vo bng 3.1 18 Sau o c v chi kt qu vo bng 3.1, tớnh toỏn rng trung bỡnh ca d= vch khc trờn thc quang bng cụng thc : n L x BO CO TH NGHIM BI III Tờn hc sinh thớ nghim : Lp : Ngy thớ nghim : Ngi hng dn : ỏnh giỏ: S LIU TH NGHIM V TNH TON KT QU O n Ta x(mm) -1 x= Giỏ tr trung bỡnh Chu k ca cỏc vch trờn thc quang: d= n L= x rng trung bỡnh ca vch trờn thc quang: a= d = Bi IV O DCH CHUYN NH BNG GIAO THOA K LASER MICHELSON Mc ớch: Sinh viờn hiu c phng phỏp o kớch thc v dch chuyn o chớnh xỏc bng giao thoa k laser 19 Thit b thớ nghim : Ngun laser GaAs bc súng = 650 nm, P=1 mW B vi dch chuyn ca Mitutoyo cú phm vi o 0ữ50 mm phõn gii 1àm Mn chn Ni dung thớ nghim: - Tỡm hiu nguyờn lý ca giao thoa laser - o dch chuyn Trỡnh t thớ nghim: Nguyờn lý ca giao thoa k laser Hin tng giao thoa xy hai súng ỏnh sỏng n sc v kt hp gp ti mt im, hay núi mt cỏch khỏc hai súng ỏnh sỏng phi phỏt t hai ngun sỏng ging ht nhau, thng ngi ta s dng hai súng c tỏch t cựng mt ngun phỏt súng Nu ngun sỏng laser cú gúc m rt nh thỡ cú th coi b mt súng ca chựm tia l phng S giao thoa trng hp ny l s giao thoa ca hai súng phng nh giao thoa nhn c trờn mt phng nh M cú cng sỏng I u trờn ton b nh giao thoa v ph thuc vo hiu pha , vo cng sỏng I1, I2 ca ca hai chựm tia chun St v chựm tia o S giao thoa X =N 2n - Quan sỏt trng thỏi sỏng ti trờn mn M khụng cho bit dch chuyn x theo hng no vỡ ta nhn c kt qu dch chuyn cỏc võn sỏng - ti nh dch chuyn x l theo hng xa hay gn vo tm chia chựm tia Khú khn ny s c gii quyt s dng s giao thoa k nh hỡnh 4.5 phỏt hin chiu bin i ca dch chuyn x, cn phi xoay gng tnh nghiờng mt gúc nh s nguyờn lý trờn hỡnh 4.1 Khi ú nh giao thoa cú dng l nh ca cỏc võn giao thoa ng dy gm cỏc vch thng l võn sỏng v ti xen k nhau, song song vi trc nghiờng ca gng Khong cỏch gia cỏc võn cựng tờn c gi l bc võn H 20 H= 2n ) St Gt Nguồn Laser CT S Sđ S't,S'đ M Gđ x Hỡnh 4.1 S nguyờn lý giao thoa k nghiờng gng Khi cho gng ng G dch chuyn mt khong x = /2n , cỏc võn cựng tờn s dch chuyn v trớ i mt lng bng mt bc võn H Chiu dch chuyn ca cỏc võn ny l: + Khi gng ng G chy xa so vi gng tnh, tc l khong cỏch x tng lờn thỡ cỏc võn s dch chuyn theo hng v phớa nh nờm + Khi gng ng G chy li gn gng tnh Gt, cỏc võn s dch chuyn ri xa nh nờm Khi dựng hai cm bin quang in Cb1 v Cb2 t cỏch mt phn t bc võn H trờn mt phng hng nh giao thoa, ta s nhn c hai tớn hiu sin tớnh lch pha 900 nh trờn hỡnh 4.2 (a), (b) Du lch pha ny tu theo hng dch chuyn ca G v vi mt b m chu k tớn hiu sin nhy pha ta cú th xỏc nh c quóng ng v hng dch chuyn ca gng ng Cb1 S nguyờn lý giao thoa Gt o chiu di dng gng tnh nghiờng cú cu k I to n gin, ) phõn gii cao.Gđ nhiờn nú cú nhc im l chxs dng c Tuy Cb2 mt phn nng lng ca nh giao thoa chuyn i sang dng tớn hiu in v H a) gng ng nhy cm nhiu i vi rung ng caDịch chuyển thuận quỏ trỡnh dch chuyn S I nguyờn lý ny s dng thớch hp nht cỏc Cb1 o cn chớnh xỏc cao phộp I Cb2 x cỏc phũng thớ nghim v o lng chun Cb1 Cb2 b) Dịch chuyển nghịch 21 Hỡnh 4.2 Dng võn nghiờng gng v tớn hiu thu cm bin Tớn hiu thu trờn cm bin CB1 v CB2 l: CB1 = Acos [ ( / ).x ] CB1 = Acos [ ( 4x / )( x/4) ] Du /4 ph thuc vo chiu dch chuyn gng quỏ trỡnh o Dựng cỏc mch in xỏc nh pha hai tớn hiu CB1 v CB2 ta s xỏc nh c chiu dch chuyn o kớch thc bng giao thoa k Hỡnh 4.3 S nguyờn lý thớ nghim Tia laser cú ng kớnh 2mm t ngun laser bỏn dn GaAsP cú bc súng =650 nm vi cụng sut mW c chia lm hai tia bi tm chia chựm PC t cỏch ngun 80 mm Tia th nht S i n gng phng c nh G2 t cỏch tm chia chựm 40 mm, cú quang l khụng i v c gi l tia chun Tia th hai S i n gng dch chuyn ng G1 khong cỏch n tm chia chựm bin i t 30 n 90 mm, cú quang l bin i gp ụi dch chuyn ca gng G1 v c gi l tia o Gng G1 c gn trờn sng trt bi cú dch ngang khụng quỏ àm 22 v c di chuyn bi b vi dch chuyn CT cú phõn gii 1àm (164-152, Mitutoyo) Hai tia phn x S1 v S2 giao thoa trờn mt phng t phụtụdiot D t cỏch gng G1 mt khong m = 60 mm, to nờn nh giao thoa Vi ngun laser bỏn dn cú nh hng ca tia khụng cao (gúc m chựm = 0,03 rad), nh giao thoa cú dng cỏc võn trũn ng tõm tng t nh dng nh giao thoa ca ngun sỏng rng qua h bn phng song song v thu kớnh iu chnh nh giao thoa rừ nột Trờn mn nh mn ny c gn cỏc phụtụdiot D1 v D2 Cng sỏng ti mi im ca nh giao thoa: I = I1 + I2 +2( I1I2)1/2 cos - l hiu pha v I1; I2 l cng ca phn tia S1; S2 ti im giao thoa ú G= tng phn ca nh: Trong ú: ( I max I ) ( I max + I ) Imax = I1 + I2 +2( I1I2)1/2 l cng võn sỏng Imin = I1 + I2 - 2( I1I2) 1/2 l cng võn ti Tớn hiu thu c trờn phụtụdiot D1 s t l vi cng sỏng trung bỡnh ca nh giao thoa trờn b mt cm quang ca nú Trong trng hp ny l ln in ỏp t l vi cụng sut bc x laser ca nh giao thoa trờn ton b din tớch thu ca phụtụdiot, vi h s chuyn i 100 mV/1 mW Dch chnh gng o G bng b vi dch chyn cú phõn gii àm ca Mitutoyo t n 1000àm mi bc dch x=100àm 23 (9).Mn hỡnh (1).Ngun nuụi laser (8) Mch m (2).B m (7).B vi dch chuyn (3).Ngun laser (6).Gng bỏn thu (4).Gng G2 (5).Gng G1 Hỡnh 4.4 S b trớ thớ nghim Khi cho gng G1 dch chuyn dc theo chiu ca tia S 1, v trớ trung tõm cỏc võn sỏng v ti s dch chuyn t ngoi vo võn trung tõm, cũn dch chuyn theo chiu tia S1 thỡ ngc li Vỡ vy, cụng sut tớn hiu thu c trờn D s bin i theo qui lut sin tớnh i vi dch chuyn x ca gng G1: x P = ( Pmax Pmin )cos ữ Vi Pmax v Pmin l cụng sut thu c tõm võn sỏng v võn ti trựng vi tõm D1 xỏc nh chiu dch chuyn x ca gng, phụtụdiot D c b trớ lch vi D1 mt khong bng na bc võn Vỡ vy pha tớn hiu trờn D s sm hoc chm hn trờn D1 900 gng G1 dch chuyn thun hay nghch B so pha SP s quyt nh b m N m tin hay lựi v ú n t l vi khong cỏch thc gia hai im o u cui x1 v x2 Qua b m N, c s m trờn b hin th ghi vo bng 4-1 Ta nhn c s chu k n ca tớn hiu o tng ng vi quóng ng dch chuyn thc, m quóng ng ny c tớnh bng biu thc: 24 xt = n (nm) Sau tớnh toỏn khong cỏch x v th sai s sau mi lm dch chuyn gng G1 v tớnh toỏn sai s gia quóng ng dch chuyn thc ca gng v khong dch chuyn ca b vi dch chnh 25 BO CO TH NGHIM BI IV Tờn hc sinh thớ nghim : Lp : Ngy thớ nghim : Ngi hng dn : ỏnh giỏ: S LIU TH NGHIM V TNH TON KT QU O Bng tớnh toỏn quóng ng dch chuyn thc xt Bng s liu 4-1 Bc dch chuyn ca gng G1(x=100àm) 1x Giỏ tr c trờn b hin th (n) 2x 3x 4x 5x 6x 7x 8x 9x 10x 26 Quóng ng dch chuyn thc xt(nm) xt (nm) x (nm) Hỡnh 4.5 th sai s Nhn xột t th v sai s ca quóng ng dch chuyn thc: 27