Bài thuyết trình LASER

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ Khoa Cơ Khí - Công Nghệ Chủ đề 7: Laser SV thực hiên: Trần Văn Hòa Đỗ Thành Vinh Trần Văn Ninh Đinh Thị Hiệp Lớp: Công thôn 45 GVHD: Nguyễn Đăng Nhật Năm 2012 Laser I:Khái Niệm: Laser từ ghép chữ cụm từ tiếng Anh “Light Amplifier by Stimulated of Radiation” nghĩa khuếch đại ánh sáng phát xạ khích thích Laser nguồn sáng phát chùm sáng cường độ lớn dựa việc ứng dụng tượng phát xạ cảm ứng Chùm xạ phát gọi chùm tia laser II: Lịch sử hình thành:  Laser theo maser, thiết bị có chế tương tự tạo tia vi sóng xạ ánh sáng Maser tạo Charles H Townes sinh viên tốt nghiệp J.P Gordon H.J Zeiger vào năm 1953 Maser không tạo tia sóng cách liên tục Nikolay Gennadiyevich Basov Aleksandr Mikhailovich Prokhorov Liên bang Xô viết làm việc độc lập lĩnh vực lượng tử dao động tạo hệ thống phóng tia liên tục cách dùng nhiều mức lượng Hệ thống phóng tia liên tục mà không cho hạt xuống mức lượng bình thường, giữ tần suất Năm 1964, Charles Townes, Nikolai Basov Aleksandr Prokhorov nhận giải thưởng Nobel vật lý tảng cho lĩnh vực điện tử lượng tử, dẫn đến việc tạo máy dao động phóng đại dựa thuyết maser-laser  Laser hồng ngọc, laser chất rắn, tạo lần vào năm 1960, nhà vật lý Theodore Maiman phòng thí nghiệm Hughes Laboratory Malibu, California Hồng ngọc ôxít nhôm pha lẫn crôm Crôm hấp thụ tia sáng màu xanh xanh lục, để lại tia sáng màu hồng phát  Robert N Hall phát triển laser bán dẫn đầu tiên, hay laser diod, năm 1962 Thiết bị Hall xây dựng hệ thống vật liệu galiaseni tạo tia có bước sóng 850 nanômét, gần vùng quang phổ tia hồng ngoại Laser bán dẫn với tia phát thấy được trưng bày năm Năm 1970, Zhores Ivanovich Alferov Liên Xô Hayashi Panish Phòng thí nghiệm Bell độc lập phát triển laser diode hoạt động liên tục nhiệt độ phòng, sử dụng cấu trúc đa kết nối thu sua maser III:Cấu tạo, tính chất: 1:Cấu tạo:   Nguyên lý cấu tạo chung máy laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi hệ thống dẫn quang Trong buồng cộng hưởng với hoạt chất laser phận chủ yếu Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, chất đặc biệt có khả khuyếch đại ánh sáng phát xạ cưỡng để tạo laser Khi photon tới va chạm vào hoạt chất kéo theo photon khác bật bay theo hướng với photon tới Mặt khác buồng công hưởng có mặt chắn hai đầu, mặt phản xạ toàn phần photon bay tới, mặt cho phần photon qua phần phản xạ lại làm cho hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn Vì cường độ chùm laser khuếc đại lên nhiều lần Tính chất laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, người ta vào hoạt chất để phân loại laser Cấu tạo chế hoạt động laser 1) Buồng cộng hưởng (vùng bị kích thích) 2) Nguồn nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích) 3) gương phản xạ toàn phần 4) gương bán mạ 5) tia laser 2:Tính chất:    Độ định hướng cao: tia laser phát chùm song song khả chiếu xa hàng nghìn km mà không bị phân tán Tính đơn sắc cao: chùm sáng có màu (hay bước sóng) Do chùm laser không bị tán xạ qua mặt phân cách hai môi trường có chiết suất khác Đây tính chất đặc biệt mà không nguồn sáng có Tính đồng photon chùm tia laser: Có khả phát xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép tập trung lượng tia laser cực lớn thời gian cực ngắn IV:cơ chế:      Dưới tác động hiệu điện cao, electron thạch anh di chuyển từ mức lượng thấp lên mức lương cao tạo nên trạng thái nghịch đảo mật độ tích lũy electron Ở mức lượng cao, số electron rơi ngẫu nhiên xuống mức lượng thấp, giải phóng hạt ánh sáng gọi photon Các hạt photon toả nhiều hướng khác từ nguyên tử, va phải nguyên tử khác, kích thích eletron nguyên tử rơi xuống tiếp, sinh thêm photon tần số, pha hướng bay, tạo nên phản ứng dây chuyền khuyếch đại dòng ánh sáng Các hạt photon bị phản xạ qua lại nhiều lần vật liệu, nhờ gương để tăng hiệu suất khuếch đại ánh sáng Một số photon nhờ có gương bán mạ đầu vật liệu Tia sáng tia laser V: Phân loại: Laser chia làm loại chủ yếu: Laser chất rắn - Có khoảng 200 chất rắn có khả dùng làm môi trường hoạt chất laser Một số loại laser chất rắn thông dụng: - YAG-Neodym: hoạt chất Yttrium Aluminium Garnet (YAG) cộng thêm 25% Neodym, có bước sóng 1060nm thuộc phổ hồng ngoại gần Có thể phát liên tục tới 100W phát xung với tần số 1000-10000Hz - Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất tinh thể Alluminium có gắn ion chrom, có bước sóng 694,3nm thuộc vùng đỏ ánh sáng trắng - Bán dẫn: loại thông dụng diot Gallium Arsen có bước sóng 890nm thuộc phổ hồng ngoại gần Laser chất khí - He-Ne: hoạt chất khí Heli Neon, có bước sóng 632,8nm thuộc phổ ánh sáng đỏ vùng nhìn thấy, công suất nhỏ từ đến vài chục MW - Argon: hoạt chất khí argon, bước sóng 488 514,5nm - CO2: bước sóng 10.600nm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ tới megawatt (MW) Trong y học ứng dụng làm dao mổ LASER chất lỏng - Môi trường hoạt chất chất lỏng, thông dụng laser màu VI: Nguyên lý hoạt động: Gọi W1 W2 (giả sử W1 < W2) mức lượng tương ứng với trạng thái nguyên tử Nguyên tử thực hiện, trạng thái (1) (2) ba loại chuyển dời xạ (nghĩa chuyển dời kèm theo sản sinh proton) a) a) Phát xạ tự phát xảy nguyên tử hoàn toàn cô lập phát không nguyên nhân bên gây nên Các nguyên tử trạng thái lượng cao W2 khoảng thời gian ngắn Ở cuối thời gian nguyên tử chuyển dời tự phát trạng thái lượng thấp W1 xạ photon tần số v: hv = W2 – W1 Sự phát xạ tự phát không kết hợp, nguyên tử nguồn phát xạ độc lập , pha sóng khác , phân cực hướng truyền chúng độc lập Những sóng hỗn độn dùng truyền truyền hình Ta lưu ý tới hai loại chuyển dời xạ khác sinh mà nguyên tử chịu tác động số sóng điện từ mà tần số thỏa mãn điều kiện cộng hưởng Hàn Sử dụng chùm laser làm nóng chảy hai phần tiếp xúc để kết dính với phụ thuộc tốc độ hàn vào độ sâu mối hàn Những lợi điểm phương pháp hàn laser: 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 trình hàn Không cần gia công sau hàn Tốc độ hàn nhanh Nhược điểm: Giá thành đầu tư cao Sự làm lạnh nhanh dễ Gây nứt gãy Marking Sử dụng laser đánh dấu hay mã hoá thông tin sản phẩm Đối với vật liệu khác cần có bước sóng laser thích hợp Loại laser Các loại vật liệu CO2 (33%) Nhựa (PVC, PET,…) Thủy tinh Nd:YAG Nhựa (PTB, mica,…) (64%) Kim loại, bán dẫn Excimer (3%) Polymer (teflon, tefzel) thuỷ tinh, ceramic Theo thống kê (1999) 22000 đơn vị marking toàn giới Loại laser CO2 (33%) Nd:YAG (64%) Excimer (3%) Lĩnh vực ứng dụng Điện tử (ICs, tụ điện, transistor, TV tubes) Đóng gói (xà phòng, thuốc, họp chứa thức uống, đồ ăn) Điện tử (ICs, bàn phiếm, switch,…) Tự động hoá (các chi tiết kim loại) Y học (ống tiêm, thùng chứa) Không gian vũ trụ (màng hình, dây dẫn, …) Điện tử (tụ điện, dây dẫn máy bay) Những ưu điểm laser marking Độ tin cậy cao, thời gian làm việc lâu dài Dấu rửa Tốc độ nhanh Quá trình không tiếp xúc trực tiếp với sản phẩm Có thể làm việc tự động hoá Hạ giá thành sản phẩm So với phương pháp thông thường như: khắc hoá học, dập dấu học, đóng dấu nhiệt, in mực … Khoan Sử dụng xung laser ngắn để gia công lỗ sâu Phương pháp dựa sở lớp kim loại bay tác dụng nhiệt gia công Tổng lượng xung kích định kích thước lỗ Dựa vào độ xác: đột lỗ thường đột lỗ xác Dựa vào tương quan độ sâu đường kính lỗ: lỗ sâu h/d > lỗ không sâu d/h