Tieu luan KỸ THUẬT LASER TRONG CƠ KHÍ

LỜI NÓI ĐẦU Cùng với phát triển ngành cơng nghiệp, ngành cơng nghiệp quang học đặc biệt cơng nghiệp laser có phát triển mạnh mẽ, laser ứng dụng phổ biến tất lĩnh vực như: khí chế tạo máy (đo kiểm, gia công, xử lý bề mặt, giám sát…), y học (phẫu thuật laser, đo thân nhiệt), xây dựng (đo khoảng cách, đo góc,…), vệ tinh, vũ khí, cơng nghiệp điện tử… Nghiên cứu kỹ thuật laser xây dựng cho người học sở tri thức quan trọng, mang tính thực tế cao, tính ứng dụng cao, góp phần giải hàng loạt vấn đề đặc biệt quan trọng như: đo kiểm với độ xác cao, đo khơng tiếp xúc, đo với tốc độ cao, đo không dừng…; gia công loại vật liệu có tính đặc biệt (độ cứng cao, độ bền cao, không dẫn điện…), gia công bề mặt với khả lựa chọn vật liệu; hàn ngầm, hàn kích thước nhỏ… Được tận tình hướng dẫn, giảng dạy PGS TS Nguyễn Văn Vinh, em học nắm bắt nhiều kiến thức bản, quý báu kỹ thuật laser Đây tiền đề để em học tập phát triển thực tế cơng tác Trong q trình học tập, em tập trung nghiên cứu nghiêm túc, tích cực để thực tiểu luận Tuy nhiên, cố gắng kiến thức thời gian có hạn nên tiểu luận tránh thiếu sót Em mong tiếp tục nhận bảo thầy, góp ý bạn bè, đồng nghiệp người quan tâm Em xin chân thành cảm ơn! Thanh Hóa, ngày 04 tháng 10 năm 2018 Học viên thực Mai Huy Phúc Câu hỏi 1: Nguyên lý cấu tạo hoạt động nguồn sáng laser (lấy nguồn sáng laser cụ thể để minh họa) Trả lời: * Cơ sở vật lý nguồn sáng laser Theo lý thuyết cấu tạo nguyên tử Borh, nguyên tử electron chuyển động bao quanh hạt nhân tạo thành lớp vỏ điện tử nguyên tử Lớp vỏ điện tử cấu thành lớp phân lớp, ví dụ: 1s2 2s2 2p6 3s2 3p6 4s2 3d10 4p6 5s2 4d1 (nguyên tử Yttri) Trong đó: - 1, 2, 3…: Chỉ số lớp - s, p, d…: thứ tự phân lớp lớp - 2, 6, 10…: số điện tử phân lớp Sự phân lớp chồng lấn lên nhau, phân lớp cao lớp có mức lượng cao phân lớp thấp lớp ngoài, lớp 4s nằm thấp lớp 3d10 Tại phân lớp xảy chia nhỏ thành mức lượng nhỏ gọi tượng suy biến mức lượng Ở trạng thái bình thường số điện tử nguyên tử lấp đầy lớp vỏ từ ngồi (còn gọi trạng thái bản) Các điện tử lớp vỏ ngồi chuyển lên mức cao (khi hấp thụ lượng) ngược lại (khi phát xạ lượng) gọi dịch chuyển trạng thái Ánh sáng phát điện tử dịch chuyển từ mức lượng cao sang mức lượng thấp lớp vỏ nguyên tử Ánh sáng coi có tính chất lưỡng tính sóng- hạt + Nếu coi ánh sáng có tính chất hạt (được gọi photon) lượng hạt là: E = h.υ E = h.f Trong đó: -E: lượng hạt photon ánh sáng -h: số Pờ-lăng có giá trị 6,626.10-34 -υ, f: tần số sóng ánh sáng + Nếu coi ánh sáng có tính chất sóng tần số bước sóng có mối quan hệ: λ.υ = c Trong đó: -λ: bước sóng ánh sáng -c: vận tốc ánh sáng mơi trường truyền sóng Các dịch chuyển hấp thụ phát xạ ánh sáng gọi dịch chuyển quang học (xem hình 1.1) Hình 1.1 Sự hấp thụ phát xạ quang học Khi cung cấp cho hạt lượng, điện tử chuyển từ mức lượng thấp lên mức lượng cao, q trình kích thích Hạt trạng thái kích thích thường có thời gian tồn ngắn khoảng 10-8 đến 10-9 giây, sau phát xạ ánh sáng lượng hay nhiệt chuyển trạng thái có mức lượng thấp Bức xạ laser sóng điện từ ánh sáng có tần số từ 10 11 ÷1017 Hz, ứng với bước sóng khoảng λ = 1mm ÷ 1nm Mỗi hạt photon ánh sáng đồn sóng điện từ có tần số υ xác định Sóng ánh sáng truyền mơi trường dẫn quang chân khơng lan truyền sóng điện từ * Phát xạ kích thích sóng ánh sáng Laser Trong mơi trường hoạt chất laser bao gồm hạt trạng thái lượng Ek photon có lượng hυ Khi hạt hấp thụ hυ chuyển từ mức lượng Ek lên trạng thái kích thích có mức lượng Ei (hình 1.2a) Ngược lại, hạt trạng thái kích thích với mức lượng E i, sau thời gian tồn ngắn chuyển mức lượng thấp E k phát xạ photon có mức lượng E = hυ = Ei - Ek (hình 1.2b) Q trình kích thích phát xạ xảy tương tự ta kích thích hạt dạng lượng khác có mức lượng tương ứng thỏa mãn điều kiện tương tác lượng tử: E = hυ Hình 1.2 Tương tác trường xạ hạt Năm 1917 Anh-xtanh khảo sát trình xạ vật đen tuyệt đối đưa giả thuyết phát xạ kích thích Theo Anhxtanh: “Nếu photon tác động lên hạt trạng thái kích thích mà hiệu mức lượng dịch chuyển cho phép hạt tương ứng lượng photon xảy xạ kích thích” Mức lượng Ei Ek gọi mức laser mức laser Đặc điểm q trình phát xạ kích thích là: - Mức lượng dịch chuyển cho phép hạt bị kích thích phải với lượng photon kích thích Đây điều kiện cần thiết q trình phát xạ kích thích - Photon phát trình phát xạ kích thích có tần số, biên độ, pha, hướng dịch chuyển trạng thái phân cực photon kích thích Photon kích thích khơng bị biến đổi giữ nguyên tính chất trạng thái ban đầu Kết q trình phát xạ kích thích từ photon kích thích tạo cặp photon giống (hình 1.2c), hệ trình trình khuếch đại thác lũ (hình 1.2d) Phát xạ kích thích yếu tố để tạo nguồn phát ánh sáng laser Tuy nhiên để phát tia laser cần thiết phải có mơi trường nghịch đảo mật độ tích luỹ buồng cộng hưởng để xạ laser khuếch đại chọn lọc tạo nên tính chất chùm tia laser độ đơn sắc cao, độ kết hợp cao, độ định hướng cao khả đạt mật độ lượng cao * Nguyên lý cấu tạo nguồn phát laser Để lượng xạ laser phát có độ lớn cần thiết số lượng tương tác photon lên hạt trạng thái kích thích phải lớn, u cầu mật độ hạt trạng thái kích thích quãng đường photon di chuyển ∆z phải lớn Để đạt điều người ta tạo buồng khuếch đại hệ gương đặt song song, đối xứng để làm tăng lộ trình tia laser; đồng thời sử dụng nguồn lượng kích thích từ bên ngồi để kích thích hạt buồng khuếch đại (gọi nguồn bơm) hình 1.3 Hình 1.3 Nguyên lý cấu tạo nguồn sáng laser Gương phản xạ toàn phần Mơi chất laser Nguồn bơm (bơm kích thích) Gương phản xạ phần Chùm tia laser Các thành phần cấu tạo nguồn phát laser: - Môi chất laser (2): chất làm mơi trường phát xạ xạ kích thích tia laser Mơi chất laser cần có mức lượng tương ứng mà dịch chuyển lượng tử phát xạ quang học cho phép tương ứng với tần số ánh sáng laser cần phát phải suốt bước sóng xạ laser Mơi chất laser chất rắn, lỏng, khí ion Có khoảng 1000 chất sử dụng làm mơi chất laser song thực tế sử dụng khoảng 100 chất có hiệu Ví dụ: mơi chất laser HeNe nguyên tử He Ne, môi chất laser Ruby tinh thể Al2O3 có gắn ion Cr3+, mơi chất laser CO2 phân tử khí CO2… - Bơm kích thích (3): khái niệm chung phận thực việc cấp lượng để kích thích phần tử môi chất laser lên trạng thái kích thích để tạo nghịch đảo mật độ tích luỹ Các phương pháp thực bơm tạo nghịch đảo mật độ tích luỹ là: kích thích ánh sáng, kích thích điện tử, va chạm cộng hưởng… Việc lựa chọn phương pháp bơm phụ thuộc vào đặc điểm loại môi chất laser cho hạt nhận lượng kích thích Ví dụ: laser Ruby, bơm kích thích đèn Flash cường độ cao - Buồng cộng hưởng laser (1-4): gương phẳng đặt song song với hai đầu buồng chứa hoạt chất laser Hai gương có tác dụng làm cho tia sáng phản xạ lại với quãng đường quang học dài Do buồng cộng hưởng mở nên tia có phương lan truyền tạo với trục quang góc đủ lớn buồng cộng hưởng sau số lần phản xạ Vì buồng cộng hưởng có photon có phương lan truyền song song với trục buồng cộng hưởng khuếch đại Như vậy, sóng xạ ánh sáng laser lan truyền dọc theo trục buồng cộng hưởng qua môi trường hoạt chất nhiều khuếch đại mạnh định công suất phát thực nguồn laser có tính định hướng cao Các sóng phản xạ qua gương nhiều lần mà bảo tồn pha, đồng thời sóng xạ kích thích có tần số, pha, chiều phân cực giống ánh sáng kích thích nên xạ xạ kết hợp Do buồng cộng hưởng thực phương pháp chọn lọc dao động sóng ánh sáng khác để tạo chùm xạ giải phổ hẹp, gần hồn tồn đơn sắc Có thể nói rằng: buồng cộng hưởng quang học đóng vai trò định việc hình thành tính chất tia laser Sự chọn lọc xảy xạ laser lan truyền môi chất laser gặp gương buồng cộng hưởng bị phản xạ lại nhiều lần mang tính chất lặp lại Vì sóng ánh sáng sóng điện từ ngang phẳng nên khoảng cách L gương số nguyên q lần nửa bước sóng, hình thành q trình cộng hưởng kiểu sóng dọc: L = q(λ/2) * Ví dụ nguồn sáng laser Ruby (hình 1.4) Hình 1.4 Cấu tạo nguồn sáng laser Ruby Laser ruby gồm đơn tinh thể Al2O3 với ion Cr3+ Thường trụ từ Φ6 ÷ Φ 50mm dài L = 50 ÷ 500 mm có độ bền hóa học cao, dẫn nhiệt tốt Kéo 20000C với độ ổn định nhiệt 1/ 100C để đảm bảo đồng Chất Al2O3 có màu đỏ, pha Cr3+ trở nên màu hồng trở nên suốt với ánh sáng xanh tím Hình 1.5 Đồ thị mức lượng Ion Cr3+ Laser Rubi laser mức với xạ Cr3+ có vạch phổ: Vạch phổ R1 xảy dịch chuyển từ mức E xuống mức 4A2 Vạch phổ R2 xảy dịch chuyển từ mức 2A xuống mức 4A2 Trong vạch phổ R1 chiếm tỉ trọng lớn R2 Bước sóng laser ruby phụ thuộc nhiệt độ hoạt chất làm tách mức trạng thái lượng R1 R2 T = 3000K 694,3nm 692,8nm T = 770K 693,4nm 692,0nm Công suất laser Rubi đến vài chục Wat, chế độ xung τx = 10 ms đến vài kW Ở chế độ liên tục dù vài chục Wat, song công suất bơm cần đến kW Laser rubiyngày sử dụng, mà thường thay Laser NdYAG Nd thuỷ tinh Hiện Laser ruby thường dùng nghiên cứu khoa học ứng dụng cần bước sóng ngắn laser Nd Câu hỏi 2: Nguyên tắc an toàn nguồn sáng laser Trả lời: * Các mối nguy hiểm laser người làm việc là: - Nguy hiểm tác động vật lý tia laser Nguy hiểm tia laser với võng mạc, điểm nhạy cảm mắt, thủy tinh thể sau da Võng mạc nhạy cảm với laser bước sóng nhìn thấy 0,4μm < λ< 0,7μm vùng gần hồng ngoại 0,7μm < λ< 1,4μm Laser vùng cực tím λ< 0,4μm không nhạy cảm với võng mạc song dễ gây tổn thương tới thủy tinh thể Thủy tinh thể bị tác động laser bước sóng + Nguy hiểm mắt Chỉ tia có 0,4μm < λ < 1,4μm vào mắt đến võng mạc, xem đặc trưng phổ mắt người – hình 1.6 Hình 2.1 Đặc trưng phổ mắt người Tổn thương lên võng mc tùy thuộc vào chiều dài bước sóng Các bước sóng 0,4μm < λ λ > 1,4μm khơng gây tác dụng lên võng mạc song tác dụng lên thủy tinh thể Sự tác động lên võng mạc lớn nhiều so với ta quan sát ngồi vết hội tụ võng mạc đạt tới 20 μm Độ tăng tỉ lệ công suất (dp/dr)2 tỉ lệ với dp đường kính pu-pin mắt dr đường kính hội tụ lên mõng mạc Ví dụ: dp ≈ mm, dr ≈ 20.10-3 mm mật độ cơng suất lên 6.10 lần so với mật độ công suất vào mắt Mắt nơi nguy hiểm phận khác chưa đạt đến độ nguy hiểm Hình 2.2 Mật độ công suất nguồn trải rộng nguồn điểm võng mạc Mức độ tổn thương tăng theo thời gian tác dụng, độ lớn đường kính vết laser độ dài xung Khi thời gian tác động ngắn tác động truyền nhiệt thực tế không tồn tổn thương khơng phụ thuộc vào đường kính vết Khi thời gian đủ lớn truyền nhiệt thương tổn đường kính vết nhỏ giảm diện tích nhỏ nhiệt dễ dàng thất truyền nhiệt diện tich lớn Ánh sáng có bước sóng ngắn gần vùng xanh dễ gây tổn thương ánh sáng đỏ Ở vùng ánh sáng xanh bước sóng ánh sáng ngắn chủ yếu gây lên bỏng tác dụng quang hóa khơng phải tác dụng nhiệt vùng ánh sáng đỏ Điều cần thiết xây dựng tiêu chuẩn an tồn Về vùng khác nghiên cứu Về tác dụng tích lũy: Ví dụ laser GaAs cơng suất 562μJ/ tần số 40Hz tương đương 22μJ/1000Hz khả gây tổn thương Laser CO2 vùng hồng ngoại tác dụng lên thủy tinh thể mắt người khơng nhạy cảm, nên cơng suất nguy hiểm laser vùng khả kiến tiêu tụ mắt Các thông số cần xem xét laser tác dụng lên mắt: mật độ, công suất, bước sóng, thời gian tác động Việc xác định xác giá trị ngưỡng lượng nguy hiểm laser khó đạt nhiều nguyên nhân, đặc biệt không thử nghiệm mắt người + Nguy hiểm da Khi sử dụng nguồn laser công suất lớn, xạ laser gây vết bỏng da Tác động laser lên da phụ thuộc vào bước sóng sắc tố da theo khả phản xạ da, xem biểu đồ khả phản xạ da người – hình 1.8 phan xa A 0,8 0,6 0,4 B 0,2 Buoc song λ 500 1000 1500 nm Hình 2.3 Khả phản xạ da người A- Sắc tố da yếu B- Sắc tố da mạnh Ở vùng ánh sáng nhìn thấy độ phản xạ da lớn vùng hồng ngoại xạ Bước sóng λ= 1,5μm hệ số cho phản xạ vải cực đại, gần 20% lượng sáng qua vải λ > 1,4μm λ < 0,5μm độ cho qua vải gần xấp xỉ % Ngược lại λ > 10μm độ hấp thụ cao Đối với vết bỏng da người ta khảo sát chủ yếu với laser CO CO2 laser phổ biến laser cơng suất có khả làm bỏng da Khả phản xạ da bước sóng 10μm yếu, bị da hấp thụ, vùng phổ hồng ngoại vùng nhìn thấy bị phản xạ Do hệ số hấp thụ cao nên bị giữ lớp mỏng bề mặt da Bảng tổng hợp tác động sinh học xạ laser lên mắt da: Miền phổ quang sinh học (Dải CIE) Ảnh hướng đến mắt Ảnh hướng đến da Tử ngoại C (200-280 nm) Quang sừng hóa Ban đỏ (cháy nắng) Ung thư da Tử ngoại B (280-315nm) Quang sừng hóa Ban đỏ (cháy nắng) Tăng lão hóa da, sạm da Tử ngoại A (315-400nm) Quang hóa tử ngoại Đục nhãn mắt Sạm đen Cháy da Thương tổn võng mạc nhiệt quang hóa Giảm thị lực màu sắc nhìn đêm Cháy da Phản ứng nhạy sáng Hồng ngoại A (780-1400nm) Cháy võng mạc Đục nhãn mắt Cháy da Hồng ngoại B (1400-3.000nm) Cháy giác mạc Tóe thủy dịch Đục nhãn hồng ngoại Cháy da Hồng ngoại C (3.000-1.000.000nm) Cháy giác mạc Cháy da Khả kiến (400-780nm) - Nguy hiểm điện Trong hầu hết loại laser (trừ laser bán dẫn) thường yêu cầu điện cao, cường độ dòng điện cao để tạo chùm tia Do hệ thống ln tồn điểm có điện dòng điện cao Mặt khác, điện tích tụ điện hệ thống đặc biệt nguy hiểm tạo dòng điện cường độ cao với điến áp cao laser tắt Do phải cẩn thận tiếp xúc chi tiết hệ thống laser, đặc biệt bị tháo vỏ sửa chữa… - Các mối nguy hiểm khác: + Tác hại hóa học: hóa chất, khí tạo q trình gia cơng laser gây ngộ độc, cháy, nổ… + Tác dụng sóng: tác dụng sóng xạ tương tự tia X * Nguyên tắc an toàn người làm việc - Hiện tại, Việt Nam chưa xây dựng tiêu chuẩn an toàn laser nên quy định an toàn dựa tiêu chuẩn AISI Standard (Z136.1) Theo tiêu chuẩn này, biện pháp đảm bảo an toàn người làm việc: + Ngăn cản vật chắn + Đảm bảo kiểm tra khống chế, loại trừ tia laser tác động lắp ráp hiệu chỉnh không tia laser + Có biện pháp ngăn cản chủ yếu phân xưởng công nhân + Biện pháp kiểm tra khống chế dùng thiệt bị đo kĩ sư chuyên gia lành nghề + Phổ biến với mắt dùng kính bảo vệ đặc trưng mật độ quang bước sóng bảo vệ + Có báo hiệu nguy hiểm + Có cửa che an toàn - Phân cấp mức độ nguy hiểm laser theo tiêu chuẩn AISI Z136.1 Cụ thể sau: • Cấp (Class 1): laser với mức công suất xạ không gây nên mức độ nguy hiểm biết Cấp 1A: laser thiết kế riêng cho ứng dụng chiếu vào mắt người máy in, qt …có cơng suất nhỏ 4mW • Cấp 2A (Class 2): laser liên tục công suất thấp vùng khả kiến Bức xạ laser cấp I nhỏ 1mW Phản ứng trước độ chói ánh sáng laser bảo vệ người Gây nên tổn thương nhìn với thời gian dài Cấp 2B: Laser có cơng suất tức thời ( với laser liên tục từ 1-5mW), mà xạ gây thương tổn nhìn trực tiếp chùm tia Đa số laser trình chiếu thuộc loại IIB • Cấp 3A (Class 3): Các laser khơng gây nên tổn thương nhìn tời gian ngắn , song gây nên tổn thương có thấu kính quang hội tụ Cấp 3B: Gồm phần lớn nguồn laser đại có khả gây nguy hiểm nhìn trực tiếp • Cấp (Class 4): Các laser công suất cao, liên tục 500mW, xung 10J/s phản xạ phân tán.Gây tổn thương nhìn trực tiếp tán xạ, gây nên bỏng da Cần thiết phải kiểm soát dễ dàng laser cấp - Các biện pháp an toàn theo tiêu chuẩn AISI Z136.1 Phân cấp Cấp Cấp Loại laser Các loại laser không gây nguy hiểm Các laser cơng suất nhỏ vùng nhìn thấy Biện pháp bảo hiểm Không cần thiết Theo dẫn in laser Cấp Laser cơng suất trung bình Có 11 biện pháp: bảo vệ mắt, làm việc buồng đặc biệt, hạn chế đường tia, dẫn cụ thể học thao tác Cấp 3a Các laser liên tục có cơng suất