Nguyên lý phát tia laser
LASER được viết tắc một thuật ngữ tiếng Anh: Light Amplication by Stimulated Emission of
Radiation - khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ cưỡng bức. Lý thuyết cơ sở đặt nền móng cho việc phát minh ra laser đã được nhà khoa học Emission nêu lên từ năm 1917. Nhưng mãi đến năm 1954 nhà khoa học Mỹ Ch.H Towner và hai nhà khoa học Nga là A.M. Prokhorov, N. G. Basov (giải Nobel chung năm 1946) mới đồng thời tìm ra được bức xạ cưỡng bức ở bước sóng vô tuyến của chữ amoniac. Và vào 16/05/1960 - Giáo sư vật lý người Mỹ Theodore Maiman đã thành công trong việc kích thích một thanh hồng ngọc tạo ra những chùm sáng hẹp có cường độ lớn bằng cách quấn quanh thanh hồng ngọc bằng một bóng đèn công suất lớn.
Nguyên lý cấu tạo chung của một máy laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser,
113
Hình 14.7. Nguyên lý cấu tạo bộ phát tia Laser
Nguồn năng lượng được tạo ra từ bộ điều khiển sự phóng điện tới đèn phát xung 2. Khi đèn phát sáng, toàn bộ năng lượng sẽ tập trung buồng cộng hưởng 1 chứa hợp chất laser (hồng ngọc (rubi), heli và neon, argen...). Những Ion của hợp chất laser bị kích lên mức năng lượng cao, khi tụt xuống chúng sẽ phát ra những lượng tử. Nhờ dao động của các gương phẳng 3 và 4, những lượng tử này sẽ đi lại nhiều lần qua hợp chất và kích các ion khác để rồi cùng phóng ra chùm tia lượng tử lớn và cứ thế khuếch đại lên nhiều lần. Tia sáng ở đầu ra là tia laser 5.
Máy phát tia laser trong phòng thí nghiệm theo nguyên lý nói trên được minh họa ở hình 14.8 Trong kỹ thuật công nghiệp, tia laser dùng để gia công cắt gọt chi tiết kim loại. Khi tia sáng đã xuyên qua kính phản chiếu ở đầu ra, thì hình thành một tia nối tiếp nhau, đã được chuẩn trực rất mạnh. Tia sáng được điều chỉnh ở tiêu cự, hướng vào mặt phẳng của vật gia công. Tia laser có đường kính khoảng 0.01mm. Vật liệu gia công hút năng lượng của chùm tia laser và chuyển năng lượng này thành nhiệt năng. Đốt nóng vật liệu gia công tới nhiệt độ có thể làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu. Được xem là máy cắt bằng tia sáng.
Ngoài ứng dụng trong cơ khí chế tạo máy, laser còn được ứng rất nhiều trong các lĩnh vực khác như: công nghệ thông tin, công nghệ sinh học, khoa học vũ trụ, y học...
- Laser dùng để kiểm tra chất lượng các sản phẩm đúc, kiểm tra độ tinh khiết của chất lỏng hoặc
khí, các sản phẩm điện tử.
- Trong y khoa, laser được ứng dụng trong việc giải phẩu, điều trị bệnh bong võng mạc mắt,
khoan .
- Laser còn thâm nhập vào cuộc sống của chúng ta qua các băng từ, máy in laser, máy photo
114
Hình 14.8. Máy phát tia laser trong phòng thí nghiệm
Hình 14.9. Sơ đồ nguyên lý máy gia công (hàn hoặc cắt) bằng tia leser rắn
1: Bộ cung cấp và điều khiển điện 2: Buồng phản xạ ánh sáng. 3: Đèn phát xung. 4: Thanh hồng ngọc. 5: Gương phản xạ toàn phần. 6: Gương phản xạ bán phần. 7: Thấu kính hội tụ. 8: Chi tiết. 9: Bàn Gá.
10: Tế bào quang điện
Máy hàn-cắt laser cấu tạo bao gồm một tinh thể hồng ngọc hình trụ. Hồng ngọc là hợp kim nhôm oxit ( AlO2 ) có chứa hợp chất tích cực Crom. Hồng ngọc được sử dụng thường là sản phẩm nhân tạo. + Hai đầu của tinh thể hồng ngọc là 2 gương phản xạ một gương phản xạ toàn phần, một gương phản xạ bán toàn phần có một lỗ nhỏ cho việc phát tia laser .
115
+ Tinh thể hồng ngọc được bao quang hoặc nằm trong lõi của đèn xoắn Xenon. Đèn Xenon đóng vai trò là nguồn cấp xung. Cả hệ thống đèn lõi hồng ngọc được chứa trong buồng phản xạ ánh sáng nhằm phản xạ tối đa ánh sáng vào tinh thể hồng ngọc. Đèn Xenon có tác dụng chuyển hóa năng lượng điện thành năng lượng ánh sáng.
+ Một hệ thống làm mát sử dụng khí hoặc chất lỏng để bảo vệ thanh hồng ngọc không bị phá hỏng bởi nhiệt sinh ra.
+ Khi đèn xenon phát sáng toàn bộ năng lượng sẽ tập trung vào thanh hồng ngọc những Ion Cr+3 chứa trong thanh hồng ngọc bị kích thích lên mức năng lượng cao, khi tụt xuống chúng sẽ phát ra những lượng tử.
+ Hai hệ thống gương phản xạ lượng tử làm chúng đi lại nhiều lần trong thanh hồng ngọc và kích thích các Ion Cr+3 khác để rồi phóng ra các chùm tia điện tử khác.
+ Chùm tia lượng tử sau khi được tập trung sẽ được phát ra qua gương phản xạ bán phần 6. Chùm tia sẽ được tập trung lại qua hệ thống thấu kính và tập trung lên chi tiết gia công và chuyển thành nhiệt năng.
Gia công bằng tia laser có hỗ trợ của dòng khí.
Khí hỗ trợ khi gia công bằng tia laser có vai trò rất quan trọng. Nó giúp thổi kim loại nóng chảy ra khỏi vùng cắt và làm nguội vùng cắt nhờ đối lưu cưỡng bức. Nếu tỉ lệ bóc tách vật liệu theo phương pháp nóng chảy không hiệu quả có thể dẫn đến việc giảm chất lượng bề mặt vết cắt. Hình 14.10 minh họa sơ đồ của quá trình cắt có hỗ trợ khí.
Hình 14.10. Cấu tạo của đầu cắt bằng tia laser có hỗ trợ khí
116
Máy laser trên thị trường khác nhau chủ yếu là loại nguồn laser sử dụng. Thông dụng nhất là laser CO2, lasers diot và laser sợi. Mỗi loại laser có riêng các ưu nhược điểm và phù hợp với các loại vật liệu khác nhau. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
1. Laser co2 (laser khí)
Laser CO2 là laser khí và được kích hoạt bằng điện thế. Với bước sóng 10.6 micrometers, nó chủ yếu được dùng để gia công vật liệu phi kim và hầu hết các loại nhựa. Laser CO2 có hiệu quả cao và chất lượng chùm tia rất tốt. Do đó nó là loại laser được sử dụng rộng dãi nhất. Nó phù hợp gia công các vật liệu: Gỗ, mika, thủy tinh, giấy, vải, các loại nhựa, màng mỏng & phim, da.
2. Laser Nd:YAG, Nd:YVO4 (laser tinh thể bơm điot)
Laser tinh thể thuộc nhóm laser bán dẫn. Ngày nay, laser dùng để đánh dấu và khắc hầu hết
được bơm kích hoạt bằng diot (trong quá khứ là đèn chớp hiện chỉ dùng cho hệ công suất lớn, cho máy hàn laser). Hai loại thông dụng là Nd:YAG (neodymium-doped yttrium aluminum garnet) và Nd:YVO (neodymium-doped yttrium ortho-vanadate). Bước sóng 1.064 micrometers, laser tinh thể có cùng bước sóng với laser sợi và chúng rất phù hợp để đánh dấu và khắc trên kim loại và nhựa. Tuổi thọ tiêu chuẩn khoảng 25.000 giờ. Nó phù hợp với các loại vật liệu: kim loại, kim loại phủ, nhựa, ceramic
3. Laser sợi
Giống laser tinh thể, Laser sợi thuộc vào nhóm laser bán dẫn. Nó được tạo ra và kích hoạt trong các sợi thủy tinh được thiết kế đặc biệt bơm kích hoạt bằng diot. Với bước sóng 1.064 micrometers, laser sợi tạo ra chùm tia rất nhỏ và cường độ gấp 100 lần so với laser CO2 có cùng công suất phát.
Laser sợi phù hợp để đánh dấu và khắc sâu trên kim loại và các loại nhựa. Laser sợi nói chung không cần bảo dưỡng và có tuổi thọ tối thiểu 25,000 giờ làm việc. Nó phù hợp với các vật liệu: kim loại, kim loại phủ, nhựa
117