Giáo trình Công nghệ laser - Chương 3: Công nghệ laser

Ch−¬ng 3 : C«ng nghÖ LASER

3.1 Më ®Çu

LASER - nguån n¨ng l−îng míi trong ngµnh gia c«ng c¸c lo¹i vËt liÖu

Ngµy nay gia c«ng kim lo¹i b»ng c¸c chïm tia cã nguån nhiÖt tËp trung ®·

®−îc sö dông kh¸ phæ biÕn. Cã thÓ liÖt kª c¸c ph−¬ng ph¸p ®ã lµ : gia c«ng b»ng

c¸c chïm tia Plasma, gia c«ng b»ng tia l÷a ®iÖn, gia c«ng b»ng chïm tia ®iÖn tö,

gia c«ng b»ng chïm tia laser. Trong ®ã gia c«ng b»ng chïm tia laser ®−îc øng

dông rÊt nhiÒu trong c«ng nghÖ hiÖn ®¹i. Laser lµ nguån sãng ®iÖn tõ tr−êng cña

bøc x¹ trong vïng cùc tÝm (tö ngo¹i), trong vïng ¸nh s¸ng nh×n thÊy ®−îc vµ vïng

tia hång ngo¹i. §Æc tr−ng cña c¸c nguån n¨ng l−îng nµy lµ møc ®é ®¬n s¾c vµ ®é

tËp trung cao . ChÝnh v× thÕ mµ mËt ®é nguån nhiÖt t¹i vïng gia c«ng rÊt tËp trung

vµ rÊt cao.

Tõ nh÷ng n¨m 1960 ng−êi ta ®· b¾t ®Çu nghiªn cøu øng dông laser trong

c«ng nghÖ gia c«ng kim lo¹i vµ c¸c vËt liÖu kh¸c. Laser c«ng suÊt nhá ®−îc øng

dông cho hµn, c¾t vµ mét sè c«ng nghÖ gia c«ng kh¸c víi kim lo¹i cã chiÒu dµy

bÐ. Laser - Nguån n¨ng luîng tuy míi xu¸t hiÖn vµo nh÷ng n¨m 60 nh−ng cã

nhiÒu −u viÖt nªn ®· ®−îc øng dông nhiÒu trong c¸c lÜnh vùc khoa häc c«ng nghÖ,

trong y tÕ, trong kü thuËt qu©n sù, th«ng tin liªn l¹c, kü thuËt ¶nh,....

Laser - TiÕng Anh cã nghi· lµ : Light amplification by the Stimulated

Emission of Radiaction (Cã nghÜa lµ khuyÕch ®¹i ¸nh s¸ng b»ng c¶m øng). Thùc

chÊt cña qu¸ tr×nh ®ã cã thÓ lý gi¶i nh− sau :

Theo ThuyÕt vÒ nguyªn tö cña Bo th× sù bøc x¹ cña c¸c v¹ch quang phæ lµ

do c¸c ®iÖn tö chuyÓn ®éng tõ møc n¨ng l−îng nµy sang møc n¨ng l−îng kh¸c .

Mçi lÇn thay ®æi møc n¨ng l−îng c¸c nguyªn tö sÏ bøc x¹ mét l−îng tö n¨ng

l−îng:

ε

= h ν

Trong ®ã

h - H»ng sè Pl¨ng;

ν - tÇn sè cña ¸nh s¸ng;

25

W_k

Bøc x¹ n¨ng

l−îng

HÊp thô

n¨ng l−îng

W_i

H×nh 3.1 S¬ ®å m« t¶ qu¸ tr×nh h¸p thô vµ bøc x¹

W_k- Møc n¨ng l−îng ë quü ®¹o k; W_i- Møc n¨ng l−îng ë quü ®¹o i

B−íc chuyÓn ®iÖn tö tõ i vÒ k øng v¬Ý sù hÊp thô n¨ng l−îng;

B−íc chuyÓn ®iÖn tö tõ k vÒ i øng v¬Ý sù bøc x¹ ;

The Anh -Stanh th× b−íc chuyÓn tï K vÒ i gåm 2 lo¹i :

• B−íc chuyÓn tù ph¸t. Lo¹i nµy cã c«ng suÊt bøc x¹ nhá kh«ng cã t¸c dông

trong c¸c m¸y ph¸t l−îng tö.

• B−íc chuyÓn c¶m øng : B−íc chuyÓn nµy chÞu ¶nh h−ëng cña bøc x¹ bªn

^{ngoµi cã tÇn sè}ν _ki.

Ng−êi ta ®· chøng minh ®−îc r»ng muèn cã mét m«i tr−êng cã kh¶ n¨ng

khuyÕch ®¹i ¸nh s¸ng th× mËt ®é nguyªn tö ë møc n¨ng l−îng cao ph¶i lín h¬n

mËt ®é nguyªn tö ë møc n¨ng l−îng thÊp. Lóc ®ã, sÏ cã sù ®¶o lén vÒ mËt ®é

nguyªn tö trªn c¸c møc n¨ng l−îng (t¹o nghÞch ®¶o ®é tÝch luü). Ng−êi ta sö dông

mét trong ph−¬ng ph¸p t¹o ra kh¶ n¨ng ®ã lµ ph−¬ng ph¸p b¬m quang häc. Trong

laser khÝ ng−êi ta sö dông hiÖu øng va ch¹m gi÷a c¸c nguyªn tö hoÆc ph©n tö ®Ó

t¹o nghÞch ®¶o ®é tÝch luü; trong laserphaan tö ng−êi ta sö dông ph−¬ng ph¸p ph©n

r· ph©n tö; ...

3.2 Mét sè ph−¬ng ph¸p t¹o nghÞch ®·o ®é tÝch luü

Gi¶ sö m«i tr−êng ta ®ang xÐt cã 3 møc n¨ng l−îng W₁, W₂, W₃. Khi cã t¸c

^{dông cña ¸nh s¸ng tÇn sè}ν₁₃, nguyªn tö sÏ chuyÓn tõ møc W1 lªn W3, lóc nµy

W2 ch−a cã nguyªn tö nµo c¶ nªn ta cã sù chªnh lÖch lín gi÷a 2 møc W3

vµ W2 vµ nguyªn tö chuyÓn ®éng vÒ W₂vµ cã ®−îc bøc x¹ c¶m øng :

26

W₃

W₂

Bøc x¹ laser

ν₃₂

ν₁₃

W₁

H×nh 3.2 S¬ ®å m« t¶ ph−¬ng ph¸p b¬m quang häc 3 møc kiÓu 1 [1]

ν −ν

3

2

ν =

32

h

Sau ®ã nguyªn tö ë møc W₂sÏ chuyÔn vÒ møc W₁. Qu¸ tr×nh nµy cÇn ph¶i

nhanh v× nÕu kh«ng th× c¸c nguyªn tö møc W₂sÏ hÊp thô bøc x¹ ν₃₂vµ lµm gi¶m

sù khuyÕch ®¹i khi cho bøc x¹ cã tÇn sè ν₃₂®i qua. Nãi mét c¸ch kh¸c s¬ ®å 3

møc nh− kiÓu ®ang xÐt ë trªn cã thÓ lµm viÖc ®−îc khi cã sù tÝch tho¸t gi÷a møc

W2 vµ W1 tiÕn hµnh nhanh h¬n gi÷a møc W₃vµ W₂

Tr−êng hîp tÝch tho¸t gi÷a møc W2 vµ W1 x¶y ra chËm h¬n gi÷a møc W3

vµ W2 th× c¸c nguyªn tö sÏ tËp trung trªn møc W2 ®Õn mét lóc nµo ®ã sè nguyªn

tö ë møc W2 sÏ nhiÒu h¬n sè nguyªn tö ë møc W1, lóc ®ã ta sÏ ®−îc khuyÕch ®¹i

^{¸nh s¸ng víi tÇn sè}ν ₂₁( H×nh 3..3 ) .

W₃

W₂

Bøc x¹ laser

ν₁₃

W₁

H×nh 3.3 S¬ ®å m« t¶ ph−¬ng ph¸p b¬m quang häc 3 møc kiÓu 2 [1]

27

M¸y ph¸t l−ìng tö víi tinh thÓ RUBI hång Ngäc lµm viÖc theo s¬ ®å

nguyªn lý ba møc n¨ng l−îng kiÓu 2. Rubi hång ngäc lµ «xyd nh«m cã chøa 0,05

% Cr. Nguyªn tö Cr trong tinh thÓ cã kh¶ n¨ng hÊp thô mét kho¶ng kh¸ réng ¸nh

s¸ng vïng nh×n thÊy ®−îc vµ vïng tö ngo¹i. Khi hÊp thô ¸nh s¸ng c¸c nguyªn tö

Cr chuyÓn rÊt nhanh lªn c¸c møc kÝch thÝch W3, sau ®ã tõ møc kh«ng æn ®Þnh nµy

chóng chuyÓn vÒ møc W2. KÕt qu¶ lµ sè nguyªn tö ë møc siªu bÒn W2 nhiÒu h¬n

ë møc W1. Gi÷a W2 vµ W1 ®· cã sù ®¶o lén vÒ mËt ®é c¸c nguyªn tö. Chóng

chuyÓn ®éng ®ång lo¹t vÒ W1 vµ bøc x¹ mét n¨ng l−îng (d¹ng photon ¸nh s¸ng)

víi tÇn sè :

W₂− W

1

ν₂₁=

h

Víi s¬ ®å 3 møc nh− trªn cã nh−îc ®iÓm lµ cÇn tÇn sè b¬m ph¶i lín h¬n 2

lÇn tÇn sè bøc x¹ cña m¸y ph¸t l−îng tö. V× vËy trong thùc tÕ ng−êi ta cßn sö dông

s¬ ®å 4 møc n¨ng l−îng (xem h×nh 3.4).

W₄

W₃

W₂

W₁

A/

H×nh 3.4 S¬ ®å nguyªn lý mét sè ph−¬ng ph¸p t¹o nghÞch ®¶o ®é tÝch luü

theo s¬ ®å 4 møc [ 3 ]

b/

c/

d/

^{a/ B¬m thùc hiÖn ë 2 tÇn sè}ν₁₄vµ ν₂₄.

^{b/ B¬m thùc hiÖn ë c¶ 2 dÞch chuyÓn víi tÇn sè}ν₁₃vµ ν₃₄.(gäi lµ b¬m kÐp)

28

c/ B¬m thùc hiÖn ë tÇn sè ν₁₄dÞch chuyÓn c«ng t¸c sÏ lµ 2-1 vµ 4-3 : víi tÇn sè

ν₂₁vµ ν₄₃.

^{a/ B¬m thùc hiÖn ë 2 tÇn sè}ν₁₃vµ ν₃₄(ν₁₃= ν₃₄) dÞch chuyÓn c«ng t¸c sÏ lµ 4-

^{3 víi tÇn sè}ν₄₃.

§èi víi c¸c lo¹i laser khÝ, ®Ó t¹o nghÞch ®¶o tÝch luü mËt ®é c¸c nguyªn tö

ng−êi ta th−êng dïng c¸c hiÖu øng va ch¹m gi÷a nh÷ng nguyªn tö hoÆc ph©n tö

khÝ víi nh÷ng ®iÖn tö tù do cã tèc ®é chuyÓn ®éng nhanh d−íi t¸c dông cña ®iÖn

tr−êng ngoµi. Do va ch¹m víi nh÷ng ®iÖn tö chuyÓn ®éng nhanh, nh÷ng nguyªn

tö hoÆc ph©n tö khÝ trong b×nh cã ¸p suÊt thÊp (10^-2- 1 mmHg) sÏ bÞ ion ho¸ hoÆc

kÝch thÝch ho¸, kÕt qu¶ lµ c¸c ®iÖn tö cña nguyªn tö hay ph©n tö ®−îc n¨ng l−îng

do va ch¹m sÏ dÞch chuyÓn lªn c¸c møc n¨ng l−îng cao h¬n, t¹o nªn nghÞch ®¶o

®é tÝch luû vµ cho ta bøc x¹ c¶m øng. Ngoµi ra ng−êi ta cßn sö dông ph−¬ng ph¸p

ph©n r· ph©n tö ®èi víi nh÷ng laser mµ ho¹t chÊt lµ c¸c ph©n tö.

Qu¸ tr×nh b¬m sÏ t¹o nªn sù kÝch thÝch do va ch¹m theo 2 h×nh thøc sau :

e^-+ X Æ X’ + e^-.

Khi n¨ng l−îng cña ®iÖn tö lín th× cã thÓ x¶y ra qu¸ tr×nh kÝch thÝch do va ch¹m

theo s¬ ®å :

e^-+ X Æ X’ + 2e^-.

H×nh thøc va ch¹m lo¹i 2 :

A’ + B Æ B’ + ∆E.

§Ó bøc x¹ c¶m øng ®−îc khuyÕch ®¹i cÇn ®−a ho¹t chÊt vµo hèc céng

h−ëng quang häc (xem h×nh 3-6)

29

ν₃₂

ν₁₃

H×nh 3-6 S¬ ®å nguyªn lý m¸y khuyÕch ®¹i l−îng tö (Héc céng h−ëng) [ 3 ]

^{Khi ®−a vµo héc céng h−ëng, tÝn hiÖu cÇn khuyÕch ®¹i cã tÇn sè}ν₃₂. Th×

trong hèc sÏ h×nh thµnh sãng ®øng ph¶n x¹ tõ thµnh èng l¹i vµ èng ®· ®−îc ®iÒu

chØnh céng h−ëng ë tÇn sè ®ã. D−íi t¸c dông cña sãng ®øng ®ã trong ho¹t chÊt sÏ

ph¸t sinh vµ ph¸t triÓn qu¸ tr×nh bøc x¹ c¶m øng . Nh÷ng l−îng tö n¨ng l−îng sinh

ra do h¹t dÞch chuyÓn tõ møc 3 xuèng møc 2 sÏ kÕt hîp víi sãng ®iÖn tõ kÝch thÝch

(tÝn hiÖu vµo) vµ sÏ duy tr× dao ®éng sinh ra trong hèc. N¨ng l−îng ®iÖn tõ trong

hèc ®−îc bøc x¹ c¶m øng khuyÕch ®¹i lªn.

3.3 S¬ ®å nguyªn lý cÊu t¹o cña m¸y ph¸t laser

4

5

6

1- M«i tr−êng ho¹t tÝnh

2- Nguån ¸nh s¸ng kÝch thÝch

3- Tia ¸nh s¸ng kÝch thÝc

4- Héc céng h−ëng quang häc

5- HÖ thèng g−¬ng (thÊu kÝnh

hoÆc l¨ng kÝnh,...

1

7

6- G−¬ng b¸n trong suèt

7- Chïm tia laser

8- G−¬ng ph¶n x¹

3

8

2

30

H×nh 3-7 S¬ ®å nguyªn lý m¸y ph¸t laser [1]

3.4 C¸c bé phËn chÝnh cóa m¸y ph¸t laser

M¸y ph¸t laser ®−îc cÊu t¹o bëi 3 phÇn chÝnh :

• M«i tr−êng ho¹t tÝnh

• Nguèn kÝch thÝch

• PhÇn quang häc

M«i tr−êng quang häc lµ bé phËn quan träng - “tr¸i tim cña laser”cã nhiÖm

vô t¹o ra sãng ®iÖn tõ hay sãng ¸nh s¸ng. M«i tr−¬ng ho¹t tÝnh cña laser cã thÓ

dïng c¸c chÊt :

• KhÝ vµ hæn hîp khÝ (Ne, He, CO₂,...

• Tinh thÓ (Rubi-hång ngäc,...) Thuû tinh hîp chÊt

• ChÊt láng : c¸c dung dÞch s¬n, chÊt h÷a c¬, v« c¬,...

• ChÊt b¸n dÉn (Ge, Si,...)

§Ó cung cÊp cho m«i tr−êng ho¹t tÝnh mét n¨ng l−îng cÇn thiÕt ®Ó t¹o nªn

vïng ®¶o c¸c h¹t ë c¸c møc n¨ng l−îng cao ng−êi ta dïng nguån kÝch thÝch.

Nguèn kÝch thÝch th−êng dïng lµ : nguån ¸nh s¸ng ®Ìn víi hÖ thèng g−¬ng

ph¶n chiÕu; dßng ®iÖn tÇn sè cao; còng cã thÕ dßng ®iÖn mét chiÒu hay

dßng ®iÖn cã tÇn sè thÊp.

3.5 Ph©n lo¹i laser :

Cã nhiÒu ph−¬ng ph¸p ®Ó ph©n lo¹i laser. Dùa theo vËt liÖu cÊu t¹o nªn m«i

tr−êng ho¹t tÝnh ng−êi ta chia laser thµnh 3 lo¹i : laser r¾n, laser láng vµ laser khÝ.

• Laser r¾n :

Laser d¹ng r¾n ®−îc t¹o thµnh tõ viÖc bøc x¹ cña mét sè chÊt cã tÝnh chÊt

®Æc biÖt víi mét sè nguyªn tè cã ho¹t tÝnh ®Æc biÖt chÞu sù t¸c dông cña bøc x¹ ¸nh

s¸ng.

Laser d¹ng r¾n : hay sö dông lµ Rubin-Hång ngäc Al₂O₃víi 0,0 % Cr₂O₃;

KÝnh, Y₃Al₅O₁₂, CaWO₄;

31

Laser hång ngäc ®−îc sö dông réng r·i h¬n c¸c lo¹i kh¸c v× nã yªu cÇu n¨ng

l−îng kÝch thÝch thÊp h¬n c¸c lo¹i kia. §©y lµ lo¹i laser ®Çu tiªn ®−îc chÕ t¹o tõ rubi hång

ngäc, tøc lµ tõ Oxyd nh«m víi 0,05 % Cr . Lo¹i laser nµy cã tÝnh dÉn nhiÖt, bÒn nhiÖt tèt,

cho phÐp lµm viÖc víi tÇn sè cao. TiÕp sau lµ laser chÕ t¹o tõ thuû tinh víi c¸c ion

Neodim ( Nd) . §©y còng lµ lo¹i laser thÓ r¾n, nguyªn lý ho¹t ®éng cña chóng t−¬ng tù

nhau. Laser thuû tinh Nd cã ®é ®ång nhÊt cao ®¶m b¶o gãc ph©n kú (gãc më) nhá vµ cho

phÐp bøc x¹ ®Òu.gi¸ thµnh rÎ, dÉn nhiÖt tèt, cã ®é bÒn c¬ häc, ®é bÒn nhiÖt cao, thêi gian

phôc vô l©u. Qu¸ tr×nh lµm viÖc cña lo¹i laser nµy theo s¬ ®å 4 møc n¨ng l−îng nªn hÇu

nh− kh«ng thay ®æi nhiÒu theo nhiÖt ®é, c¸c th«ng sè cña laser v× thÕ sÏ æn ®Þnh h¬n.

Nh−îc ®iÓm cña lo¹i nµy lµ tÝnh dÉn nhiÖt vµ chÞu nhiÕt kÐm, h¹n chÕ kh¶ n¨ng n©ng cao

c«ng suÊt hoÆc khi lµm viÖc ë chÕ ®é liªn tôc. V× thÕ, hai lo¹i laser trªn ®ang ®−îc c¶i

thiÖn vµ hoµn chØnh liªn tôc . C¸c lo¹i laser trªn cho phÐp gia c«ng lç cã ®−êng kÝnh tõ

10 ... 500 µm víi chiÒu dµy cña vËt liÖu tõ 1 .. 3 mm

• Laser thÓ khÝ cã c¸c lo¹i : Laser CO₂- N₂.

- Laser CO₂- Ne - He

- Laser N₂, Ar,...

Laser thÓ khÝ cã b−íc sãng dao ®éng trong kho¶ng réng, tõ tö ngo¹i ®Õn

hång ngo¹i, cho nªn cho phÐp ta chän ®−îc lo¹i laser phï hîp víi tõng lo¹i vËt liÖu

gia c«ng : kim lo¹i, thuû tinh, chÊt b¸n dÉn, gèm sø, v¶i, gç,...

HÖ sè höu Ých cao

VÝ dô : Laser thuû tinh - Nd ®¹t hÖ sè höu Ých

2... 3%)

η = 0,1 ... 1 % (cã thÓ ®¹t

Laser CO₂cã thÓ ®¹t hÖ sè höu Ých

C«ng suÊt bøc x¹ ®Õn 100KW

η <= 25 %,

Cã thÓ lµm viÖc ë chÕ ®é liªn tôc hay chÕ ®é xung; vËn hµnh ®¬n gi¶n.

HÖ sè höu Ých CO₂cã thÓ c¹nh tranh trong c¸c c«ng viÖc c¾t xÐn v¶i, giÊy,

giÊy c¸c ton, da, gç, c¾t nh÷ng tÊm máng tõ kim lo¹i cøng.

• Laser láng lµ mét trong nh÷ng h−íng míi cña laser. Cã 2 lo¹i chÊt láng

th−êng dïng lµ c¸c hæn hîp h÷u c¬ kim lo¹i vµ chÊt mµu. Lo¹i hæn hîp h÷u c¬

kim lo¹i chøa mét sè nguyªn tè hiÕm nh− Eu (eu-r«-pi). M«i tr−êng h÷u c¬

32

®ãng vai trß trung gian, nhËn n¨ng l−îng cña nguån ¸nh s¸ng kÝch thÝch råi

truyÒn l¹i cho c¸c nguyªn tö Eu bÞ kÝch thÝch vµ bøc x¹ víi b−íc sãng 0,61 µm.

C¸c lo¹i laser láng cã nh−îc ®iÓm lµ m«i tr−êng ho¹t tÝnh kh«ng bÒn v÷ng,

chÊt h÷u c¬ bÞ ph©n huû d−íi t¸c ®éng cña ¸nh s¸ng kÝch thÝch. V× vËy hiÖn nay

ng−êi ta thay chóng b»ng c¸c chÊt v« c¬. C¸c dung dÞch v« c¬ ®−îc chÕ t¹o tõ

Oxyd Clorua phot pho hoÆc oxyd clorua selen víi nª«dim (Nd) hoÆc mét Ýt

Clorit thiÕc hoÆc c¸c halogen kim lo¹i hoµ tan. Lo¹i laser chÊt láng v« c¬ cã

c«ng suÊt bøc x¹ cao (cë 500W ë chÕ ®é xung) vµ hiÖu suÊt kh¸ cao (t−¬ng

®−¬ng laser r¾n víi hîp chÊt Nd)

• Laser kh«ng cÇn nguån cung cÊp ®iÖn :

+ “Laser khÝ ®éng häc” hay “laser ph¶n lùc” : Ng−êi ta t¹o ra vïng ®¶o b»ng

ph−¬ng ph¸p gi¶n në khÝ ®ét ngét .

+ Laser ho¸ häc Dïng n¨ng l−îng sinh ra do c¸c ph¶n øng ho¸ häc ®Ó t¹o ra

vïng ®¶o c¸c møc n¨ng l−îng.

+ Laser gamma lµ mét lo¹i laser cã cÊu t¹o phøc t¹p c«ng suÊt lín vµ b−íc

sãng ng¾n cã thÓ ®¹t cë vµi A^o(<10^-7cm).

B¶ng 3.1 c¸c th«ng sè ®Æc tr−ng cña mét sè lo¹i Laser [4]

M«i tr−êng

B−íc

TÇn sè

Thêi gian

mét xung

Kho¶ng thêi gian

cho phÐp lµm viÖc

C«ng dông

ho¹t tÝnh

sãng

Hz

0,6943 1 ... 5

1 xung (gi©y)

µKm

Rubin

(0,5 -3).10^-3

1 10^-7... 2.10^-3

(50... 100).10³xung

Hµn, khoÐt lç

hµn khoan lç hîp

kim cøng

Thuû tinh + 1,06

Nd

0,05 ... 10

YAl5O12

1,06

10,6

50 ... 100

Liªn tôc

50 ... 200

2.10^-4

(50... 100).10³xung

500 ... 1000 giê

C¾t

CO2-N2-He

Hµn vµ c¾t

N2

0,3371 100 ... 150

500... 1000 giê

Gia c«ng mµng

máng vµ chÊt b¸n

dÉn

33

3.6. §Æc ®iÓm vµ kh¶ n¨ng øng dông cña laser

3.6.1 §Æc ®iÓm cña laser

1. C«ng suÊt ( C−êng ®é ) cña nguån bøc x¹ b»ng ¸nh s¸ng rÊt m¹nh so víi

nguån n¨ng l−îng ®iÖn tõ cã cïng nguån.

2. §é ®¬n s¾c cao . §é ®¬n s¾c ®−îc ®Æc tr−ng bëi tû sè µ = ∆λ / λ_o.

S = ∆ω / ωo

Trong ®ã

∆λ - ChiÒu réng quang phæ; µ - Møc ®é ®¬n s¾c

ωo - TÇn sè øng víi ®é dµi b−íc sãng λ_o

Laser Rubin-Hång Ngäc : λ = 0,69 µm

Víi D = 1 cm §−êng kÝnh chïm tia bøc x¹ th× gãc ph©n kú

θ_0,5= 0,85.10^-4rad ≈ 14''

Laser CO₂: λ = 10,6 µm

Víi D = 1,2.10^-3cm §−êng kÝnh chïm tia bøc x¹ th×

θ_0,5= 0,85.10-4 rad ≈ 3'20''

Trong thùc tÕ gãc ph©n kú cã lín h¬n do ¶nh h−ëng cña ®é ®ång nhÊt vÒ sù

ph©n bè biªn ®é vµ c¸c pha trong vïng bøc x¹.

VÝ dô - kÝch th−íc vïng bøc x¹ cña tinh thÓ hång ngäc kho¶ng 100 µm; kÝch

th−íc vïng bøc x¹ cña hæn hîp hång ngäc kho¶ng 850 µm (R−kalinpage 8)

3. TÝnh ®ång lo¹t cao :

Thêi gian kÕt hîp ®èi víi tia ¸nh s¸ng th−êng lµ

: 10^-8s

Thêi gian kÕt hîp ®èi víi tia laser lµ

: 10^-2- 10^-1s

4. KÝch th−íc chïm tia nhá, cã h−íng tËp trung vµ cã tÝnh héi tô cao

5. TÇn sè æn ®Þnh;

6. Thêi gian mét xung ng¾n kho¶ng 10^-9gi©y

34

10^-9s

10^-8s

10^-3s

Liªn tôc

τ

Lo¹i laser

Nd-thuû tinh

Rubin, N₂;

YAG, Rubun, CO2

Thuû tinh + Nd

§ét lç

Vïng

Gia c«ng mµng máng

C¾t

øng dông

H×nh 4-1 Kho¶ng thêi gian bøc x¹ cña mét sè lo¹i lase [5](trang.1)

7. B−íc sãng ng¾n vµ cã d·i sãng bøc x¹ lín tõ tia cù tÝm ®Õn hång ngo¹i

nªn kh¶ n¨ng øng dông réng. ChiÒu dµi b−íc sãng trong kho¶ng ( 0,1 -

trong kho¶ng 0,4 - 10,6 µm. V× trong kho¶ng nµy nguån laser ®· ®¹t

®−îc mét sè th«ng sè yªu cÇu : nguån nhiÖt l−îng, c«ng suÊt xung vµ

c«ng suÊt khi m¸y ph¸t lµm viÖc liªn tôc cã ý nghÜa cho qu¸ tr×nh gia

c«ng kim lo¹i.

Hång ngo¹i

Tö ngo¹i

0,33

10,6

0,5

0,69

1,06

0,2

0,63

λ

Hg N₂

Ar Xe

He - Ne Rubin Nd

CO₂.

Líp mµng máng

HÊp thô cao

Kim lo¹i

Phi kim lo¹i

35

8. MËt ®é nguån nhiÖt lín ( 10⁷... 10⁸W/ cm².

Cã thÓ ®¹t 10¹⁰- 10¹⁴W/cm².

2

3

4

5

1

Q

w/cm²

10¹⁰

1- Nguån nhiÖt cña tia l÷a ®iÖn

2- Nguån nhiÖt cña laser cã xung

tuÇn hoµn (q=10¹⁰-10¹⁴w/cm².

3- Nguån nhiÖt cña laser liªn tôc cã

q = 10⁸-10⁹w/cm².

6

10⁶

10²

4- Nguån nhiÖt cña chïm tioa ®iÖn

tö

5- Nguån nhiÖt cña hå quang hµn

6- Nguån nhiÖt cña hå quang

plasma

10^-2

1,0

§−êng kÝnh ®iÓm nãng ch¶y, mm

7

H×nh 3-10 S¬ ®å møc ®é tÊp trung cña c¸c nguån nhiÖt [6]

Ng−êi ta tÝnh r»ng nÕu tËp trung nguån nhiÖt nµy lªn mét diÖn tÝch hÑp th×

o

kh¶ n¨ng nµy ng−êi ta ®ang nghiªn cøu sö dông chïm tia laser ®Ó gia c«ng :

khoan, khoÐt, hµn, c¾t c¸c lo¹i vËt liÖu cøng vµ siªu cøng.

trong y khoa, trong kü thuËt ¶nh, trong th«ng tin liªn l¹c, ...

3.6.2 Kh¶ n¨ng øng dông cña laser [1], [15].

Laser ®−îc øng dông trong nhiÒu lÜnh vùc khoa häc vµ c«ng nghÖ. Theo [15] c«ng

nghÖ laser ®−îc sö dông trong mét sè lÜnh vùc sau :

1. Laser trong c«ng nghÖ ho¸ häc

2. Laser trong c«ng nghÑ vËt liÖu b¸n dÉn

36

3. Laser trong c«ng nghÖ chÕ t¹o vËt liÖu kim lo¹i

4. Laser trong c«ng nghÖ gia c«ng vËt liÖu

5. Laser -c«ng nghÖ n¨ng l−îng

6. Laser trong lÜnh vùc topography

7. Laser trong c¸c lÜnh vùc kh¸c (kiÕn tróc, nghÖ thuËt,y tÕ,

Trong chuyªn ®Ò nµy chØ ®Ò cÆp ®Õn c«ng nghÖ laser trong gia c«ng vËt

liÖu.

• C¾t b»ng laser

• Khoan (khoan b»ng ®¬n xung, ®a xung, khoan tÕ vi (d < 0,5 mm),

• Hµn b»ng laser ( Hµn, kiÓm tra khuyÕt tËt, kiÓm tra c¬ tÝnh, kiÓm tra

mâi, ®o ®é cøng th−êng vµ ®é cøng tÕ vi, kiÓm tra tæ chøc kim lo¹i,...

• Hµn v¶y (v¶y hµn cøng)

• Hµn v¶y (v¶y hµn mÒm)

• BiÕn cøng bÒ mÆt

• Lµm bãng vµ ®«ng cøng bÒ mÆt

• Hîp kim ho¸ bÒ mÆt vµ phñ bÒ mÆt

• LuyÖn kim bét

1 Trong c«ng nghiÖp :

• Gia c«ng vËt liÖu víi ®é chÝnh x¸c cao

• Cã thÓ hµn, c¾t, khoan c¸c lo¹i vËt liÖu ®Æc biÖt lµ vËt liÖu cøng vµ dßn

nh− kim c−¬ng, thuû tinh, sø,...

• Cã vai trß quan träng trong s¶n xuÊt c«ng nghiÖp vi ®iÖn tö

• Laser cßn lµ ng−êi kiÓm tra chÊt l−îng lý t−ëng víi ®é chÝnh x¸c vµ tin

cËy cao nhê cã kh¶ n¨ng ¸nh s¸ng tËp trung, héi tô cao,... (kÝnh hiÓn vi

laser, thiÕt bÞ kiÓm tra tham sè h×nh häc, thiÕt bÞ kiÓm tra bÒ mÆt,...)

37

2 Laser trong th«ng tin liªn l¹c

• TruyÒn tin trªn mÆt ®Êt vµ trong vò trô b»ng tia laser v× tia s¸ng laser

nh− mét luång sãng ®iÖn tõ rÊt m¹nh, ®Þnh h−íng cao, cã kh¶ n¨ng

mang mét l−îng th«ng v« cïng lín.

• §iÒu khiÓn hÖ m¸y bay cÊt c¸nh vµ h¹ c¸nh,...

3 Laser trong khoa häc kü thuËt

• Dïng tia laser c«ng suÊt lín ®Ó “b¬m” n¨ng l−îng cho m«i tr−êng

plassma ®Õn nhiÖt ®é cÇn thiÕt cho ph¶n øng nhiÖt h¹ch.

• Sö dông tia laser ®Ó lµm giµu uranium ...

• Chïm tia laser - “§¹i b¸c laser” víi n¨ng l−îng 10¹⁴-10¹⁶w/cm²cã thÓ

lµm ch¸y, lµ xuyªn thñng bÊt kú môc tiªu nµo.

• C¸c lo¹i m¸y ®o cù ly, radar laser lµ ng−êi trinh s¸t tinh t−êng vµ chÝnh

x¸c

• Sö dông laser trong ®iÒu khiÓn ®−êng bay cña bom, tªn l÷a (tªn l÷a

laser, bom laser,...) sai sè cña bom laser kho¶ng 3-4 m trong khi sai sè

cña bom th−êng lµ 100-150m.

5 Laser vµ kü thuËt toµn h×nh (hologrrahy)

• T¹o ¶nh toµn h×nh

6 Laser trong y häc

• Tia laser - mét y cô gi¶i phÈu tuyÖt vêi; (Vi phÈu thuËt m¾t, c¸c vÕttrªn

da, c¸c khèi u,...

• Sö dông sîi quang dÉn ®Ó truyÒn ¸nh s¸ng laser ®Õn c¸c bé phËn bªn

trong c¬ thÓ (nh− d¹ dµy, ruét,... ) ®Ó chÈn ®o¸n vµ ®iÒu trÞ

7. øng dông laser trong phôc chÕ c¸c t−îng ®µi kû niÖm, c¸c di tÝch lÞch sö bÞ

hoen è, ...

38

8. Laser trong n«ng nghiÖp

• Dïng tia laser ®Ó kÝch thÝch t¨ng tr−ëng

• Dïng tia laser ®Ó xö lý h¹t gièng, t¨ng tû lÖ n¶y mÇm

9. Tia laser trong lÜnh vùc b¶o vÖ m«i tr−êng

39