Bài giảng Kỹ thuật Laser trong chế tạo cơ khí: Chương 2 - TS. Nguyễn Thành Đông

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:56

Thêm vào BST

Báo xấu

21
lượt xem 7
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Bài giảng "Kỹ thuật Laser trong chế tạo cơ khí: Chương 2 - Các loại nguồn Laser" được biên soạn bao gồm các nội dung chính sau: Laser rắn; Laser khí; Laser bán dẫn; Các lĩnh vực áp dụng của laser. Mời các bạn cùng tham khảo bài giảng!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Bài giảng Kỹ thuật Laser trong chế tạo cơ khí: Chương 2 - TS. Nguyễn Thành Đông

Chương 2 CÁC LOẠI NGUỒN LASER 2.1 . Laser rắn 2.1.1 Đặc điểm của Laser rắn. Laser rắn là laser mà môi trường hoạt chất là chất rắn: đơn tinh thể hoặc chất vô định hình. Độ nghịch đảo tích lũy thực hiện ở mức nguyên tử hoặc ion tạp chất. Nồng độ hạt bức xạ lớn 1017÷ 1020 / cm3 , lớn hơn 100 ÷ 1000 lần laser khí, nên hệ số khuếch đại rất lớn.
Chất rắn có độ đồng nhất quang học kém sẽ hạn chế kích thước theo hoạt chất từ 15 ÷ 60 cm. Do độ đồng chất quang học nhỏ nên góc tia laser bị nhiễu xạ lớn đến hàng chục phút. Trong laser rắn các hạt tương tác nhau nên vạch bức xạ tự nhiên và bức xạ laser thường có dải phổ rộng Để tạo độ nghịch đảo độ tích lũy thường dùng bơm quang học bằng các đèn chớp sáng.
THANH HOAT CHAT Cấu tạo thanh hoạt chất có đường kính thanh từ 2 ÷ 3 cm, hai mặt đầu mài và đánh bóng tạo thành gương phản xạ. Để khử dao động kí sinh các mặt bên được làm nhám. Trong thanh hoạt chất gồm có chất nền là là đơn tinh thể hoặc vô định hình. Môi chất laser có tỷ lệ rất nhỏ chỉ khoảng vài phần trăm so với chất nền. Các tính chất cơ bản của hoạt chất do chất nền quyết định.
• Vật liệu dùng làm chất nền cần có độ trong suốt cao đối với bước sóng laser và phổ bức xạ bơm, bền về nhiệt,dễ chế tạo và gia công cơ, độ đồng nhất quang học cao laser. • Chất nền hay dùng: - Muối kiểm thổ H2WO4, H2MeO4,HF • -Nền tinh thể Ytrigranat – Y3Me5O12 (Me là kim loại Al, Fe,..) • Ưu điểm của granat là giảm công suất bơm ngưỡng và tăng được hiệu quả bức xạ. • Điển hình: -Y3Al5O12 ( kí hiệu YAG) • -Al2O3 ( Laser Rubi ) • -Thủy tinh SiO2: Dễ chế tạo và độ đồng nhất cao, kém bền nhiệt và công suất bơm lớn.
• Môi chất laser thường ở dạng ion 2 hoặc 3 điện tích. • Một số môi chất laser nguyên tố đất hiếm. • Neodim Nd 3+ λ= 1,06 μm • Dyprozy Dy 2+ λ= 2,36 μm • Camri Sm 2+ λ= 0,7 μm • Ecoi Er 2+ λ= 1,61 μm. • Cần lựa chọn nồng độ tối ưu của môi chất laser. Nồng độ hạt bức xạ tăng làm tăng công suất, khi đó xảy ra tương tác hạt làm giảm thời gian sống của các hạt, giảm độ nghịch đảo nên công suất ra giảm
• Nguồn bơm gồm bơm và hệ thống phản xạ để hội tụ ánh sáng vào hoạt chất. • . Phổ đèn bơm phải chọn sao cho lượng hấp thụ là cao nhất, do độ sáng ngưỡng thường đến vài chục W/ cm2 nên dùng bơm xung là tốt nhất . • Thường chỉ 20 ÷30 % năng lượng bơm chuyển thành năng lượng bức xạ đèn nên lượng tỏa nhiệt rất lớn làm đèn cháy hỏng, phải chọn tần số và chu kỳ phóng điện đèn hợp lý • Dùng đèn hơi thuỷ ngân phóng điện hồ quang Dùng đèn dây tóc nhưng được bơm hơi iode vào để tăng tuổi thọ cho đèn
G-¬ng ph¶n x¹ G-¬ng b¸n ph¶n x¹ Các dạng phản xạ
• 2.1.2 Laser Rubi • Là laser được chế tạo đầu tiên trên thế giới, gồm đơn tinh thể Al2O3 với các ion Cr 3+ . • Thường là thanh trụ từ Φ6 ÷ Φ 50 mm dài 50 ÷ 500 mm có độ bền cơ hóa học cao, dẫn nhiệt tốt . Kéo ở 2000oC với độ ổn định nhiệt 1/ 10o C để đảm bảo đồng nhất. • Chất nền của Al2O3 có màu đỏ, khi pha Cr 3+ trở nên màu hồng à trở nên trong suốt với ánh sáng xanh lá cây và tím.
4F1 4F2 2A 420nm E R1 R2 550nm 4A2 • Laser Rubi là laser 3 mức với bức xạ của Cr3+ có 2 vạch phổ: • Trong đó vạch phổ R1 chiếm tỉ trọng lớn hơn R2.
• Bước sóng laser rubi phụ thuộc nhiệt độ hoạt chất vì làm tách mức của trạng thái năng lượng Ví dụ T= 300 0 K T= 77 0 K R1 694,3 nm 693,4 nm R2 692,8 nm 692,0 nm
Sơ đồ cấu tạo của thiết bị phát Laser Ruby Đèn Xenon Dây dẫn điện Gương phản xạ 95% Gương phản xạ 95% Công tắc Bộ nguồn Mặt trụ nhôm phản Tinh thể Ruby xạ được đánh bóng
Laser Ruby Q-Switch Bước sóng: 694 nm Mật độ năng lượng: 23J / cm2 Tần số phát: 0,5 – 2 Hz Thích hợp: Xóa xăm nhiều màu, điều trị bớt sắc tố (xanh, đen …)
• 2.1.3 Laser NdYAG • Cấu hình cơ bản là Y3Al5O12 , kí hiệu YAG. Trong laser Neodim-YAG, Y 3+ được thay bởi Nd3+ • Sự dịch chuyển chính xảy ra từ mức 4F2 xuống 4I2 với bức xạ =1064nm. • Laser NdYAG có thể làm việc ở cả chế độ liên tục hoặc xung với bơm bằng đèn Xe hoặc laser bán dẫn AlGaAs. • Chất nền ở dạng thanh có đường kính từ 3 đến 6 mm, chiều dài từ 5 đến 15cm. Công suất ra từ 1 đến 3kW. Nếu bơm bằng laser diot thì chỉ từ 15 đến 100W.
4F7/2 4F5/2 4F3/2 730nm 1064nm 800nm 4F11/2 4I9/2 Hình 2.4 Đồ thị mức năng lượng của Ion Nd3+
_Độ đồng nhất cao đảm bảo góc phân kỳ nhỏ và cho phép bức xạ đều, giá thành rẻ, dẫn nhiệt tốt, có độ bền cơ học, bền nhiệt cao, thời gian phục vụ lâu _Tính dẫn nhiệt và chịu nhiệt kém, hạn chế khả năng nâng cao công suất hoặc khi làm việc ở chế độ liên tục
• Laser NdYAG được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong gia công vật liệu như khoan, hàn với tần số xung từ 10 đến 100Hz, và độ dài xung từ 1 đến 10ms. • Trong các ứng dụng hàn, với việc sử dụng sợi quang, NdYAG có mhiều ưu điểm về tính mềm dẻo hơn so vơi laser CO2.
• 2.1.4 Laser Nd thuỷ tinh5 . • Độ rộng vạch phổ của laser thuỷ tinh rộng hơn so với laser NdYAG khoảng 40 lần. • Do nhiệt độ nóng chảy của thuỷ tinh thấp nên dễ chế tạo thanh hoạt chất với kích thước lớn và dải phổ hấp thụ cũng lớn hơn laser NdYAG. Mật độ môi chất Nd 3+ lớn hơn 2 lần và hiệu suất bơm lớn hơn 1,6 lần. Nhược điểm của thuỷ tinh là nhiệt dung thấp nên chỉ dùng với laser có tần số xung thấp hơn 5Hz.
2.2 Laser khí. 2.2.1 Đặc điểm của laser khí • Hoạt chất là chất khí hoặc hơi kim loại. • Nghịch đảo độ tích lũy là trạng thái kích thích của nguyên tử hoặc phân tử. • Do mật độ hạt và áp suất thấp nên tương tác ít, vạch phổ bức xạ hẹp chỉ cỡ 1 Hz và hẹp nhất trong các loại laser. • Độ mở rộng đường phổ chủ yếu là mở rộng không đồng nhất Đốp-lơ. • Độ đồng nhất quang học cao nên góc mở của laser nhỏ chỉ cần dùng gương phẳng song song đã đạt độ mở nhỏ hơn 1 phút.
• Độ nghịch đảo tích lũy thực hiện chủ yếu bằng phóng điện chất khí. Thường sử dụng thêm va chạm cộng hưởng và phân rã ở mức laser dưới bằng va chạm để làm tăng mật độ nghịch đảo độ tích luỹ dạng Laser 4 mức. • Cấu tạo chung của laser khí gồm một ống chứa khí bằng thủy tinh hoặc thủy tinh thạch anh đường kính từ 1 mm đến vài cm và dài từ vài chục cm đến hàng chục mét, đặt giữa 2 gương song song nhau. • Hai cách bố trí gương: là gương đặt trong buồn thuỷ tinh và đặt ngoài. Song thường sử dụng gương đặt ngoài.
• Gương đặt ngoài ống phóng khí có các ưu điểm: • -Hệ cơ điều chỉnh gương đơn giản • - Tuổi thọ ống khí dài hơn vì không có chi tiết cơ khí nằm trong làm giảm chất lượng khí. • - Độ bền gương tăng vì không bị ion bắn phá và dễ thay thế. • - Ống khí chế tạo đơn giản hơn vì không phải gắn giữa thủy tinh và kim loại. • - Dễ dàng đặt vào buồng cộng hưởng các linh kiện chọn lọc những dịch chuyển bức xạ cần thiết. • Nhược điểm gương ngoài: Tiêu hao hai đầu ống do phản xạ , hấp thụ , tiêu hao do tán xạ phụ thuộc góc tới, chiết suất và dạng phân cực của ánh sáng.