CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ LASER VÀ QUANG KỸ THUẬT 1.1 Tổng quan chung về Laser 1. Đặc điểm của Laser Tia laser được phát minh lần đầu tiên vào năm 1960 bởi nhà vật lý Theodore Maiman. Quá trình này bắt đầu khi Albert Einstein phát hiện hiện tượng phát xạ cảm ứng vào năm 1917, mở ra cánh cửa cho việc phát triển tia laser. Maiman đã sử dụng chiếu đèn flash công suất cao vào thỏi ruby tráng bạc để tạo ra tia laser đầu tiên.
Những người có đóng góp quan trọng trong lĩnh vực này còn có Albert Einstein, Charles Townes, Arthur Schawlow… Nguyên lý hoạt động của tia laser dựa trên hiện tượng phát xạ cảm ứng. Tia laser được tạo ra bằng cách kích thích một vật liệu phát laser bằng điện hoặc ánh sáng trong một buồng kín có gương phản xạ để tạo ra một chùm ánh sáng đơn sắc, có hướng song song và có năng lượng cao [1]. Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng của tia laser bao gồm bước sóng, công suất và độ ổn định [5]. Ánh sáng laser có bốn đặc điểm độc đáo khác biệt với ánh sáng thông thường đó là: - Định hướng cao do độ rộng chùm tia hẹp - Sự kết hợp - Cường độ nguồn sáng lớn - Đơn sắc Chúng ta biết rằng ánh sáng khả kiến được phát ra khi các electron bị kích thích (các electron ở mức năng lượng cao hơn) nhảy xuống mức năng lượng thấp hơn (trạng thái mặt đất).
Quá trình các electron chuyển từ mức năng lượng cao hơn sang mức năng lượng thấp hơn hoặc mức năng lượng thấp hơn đến mức năng lượng cao hơn được gọi là quá trình chuyển đổi điện tử. Độ định hướng: Các nguồn sáng thông thường (đèn, đèn natri và đèn khò), quá trình chuyển đổi điện tử diễn ra tự nhiên, ngẫu nhiên theo thời gian, có nghĩa 9 là các photon phát ra từ các nguồn sáng này có năng lượng, tần số, bước sóng hoặc màu sắc khác nhau. Tuy nhiên, đối với laser, tất cả các photon sẽ truyền theo cùng một hướng là hướng ánh sáng, mặt khác chiều rộng của chùm tia laser lại rất hẹp. Do đó, một chùm tia laser có tính chất định hướng cao, có thể di chuyển đến khoảng cách xa mà không lan rộng.
Sự gắn kết: Đối với nguồn laser, quá trình chuyển đổi điện tử xảy ra một cách cưỡng bức, quá trình chuyển đổi điện tử xảy ra trong thời gian cụ thể. Tất cả các photon phát ra trong laser có cùng năng lượng, tần số hoặc bước sóng. Do đó, ánh sáng được tạo ra bởi laser có tính gắn kết, sự gắn kết này làm cho lượng lớn năng lượng có thể được tập trung trong một không gian hẹp. Đơn sắc: Ánh sáng đơn sắc có nghĩa là ánh sáng chứa một màu hoặc bước sóng.
Các photon phát ra từ các nguồn sáng thông thường có năng lượng, tần số, bước sóng hoặc màu sắc khác nhau. Nhưng trong laser, tất cả các photon phát ra có cùng năng lượng, tần số hoặc bước sóng. Do đó, sóng ánh sáng của laser có bước sóng hoặc màu đơn. Do đó, ánh sáng laser bao phủ một phạm vi tần số hoặc bước sóng rất hẹp.
Cường độ cao: cường độ của sóng là năng lượng trên một đơn vị thời gian chảy qua một đơn vị diện tích bình thường. Trong một nguồn sáng thông thường, ánh sáng trải đều theo mọi hướng. Trong laser, ánh sáng lan truyền trong vùng không gian nhỏ và trong một phạm vi bước sóng nhỏ. Do đó, ánh sáng laser có cường độ lớn hơn khi so với ánh sáng thông thường.
Laser được ứng dụng nhiều trong đời sống, đặc biệt trong công nghiệp bởi những ưu điểm nổi trội: - Chùm tia laser có nguồn nhiệt tập trung với mật độ nhiệt cao, vì thế nó có khả năng cắt tất cả các loại vật liệu có từ tính và không có từ tính, hợp kim. - Rãnh cắt hẹp, sắc cạnh, mép cắt đẹp, độ chính xác cao - Có thể cắt theo đường thẳng hoặc đường cong, biên dạng phức tạp - Quá trình cắt xảy ra nhanh chóng, năng suất cao 10 - Có khả năng tự động hóa điều khiển quá trình cắt - Khi cắt không có các tác dụng cơ học nên tồn tại rất ít ảnh hưởng của biến dạng trong quá trình cắt và sau cắt Hình 1. Công nghệ cắt Laser CO2 trên kim loại[3] 1. Phân loại laser Dựa theo vật liệu cấu tạo nên môi trường hoạt tính người ta chia laser thành 3 loại: laser rắn, laser lỏng và laser khí.
* Laser rắn: Laser dạng rắn được tạo thành từ việc bức xạ của một số chất có tính chất đặc biệt với một số nguyên tố có hoạt tính đặc biệt chịu sự tác dụng của bức xạ ánh sáng. Laser dạng rắn hay sử dụng là Rubin-Hồng ngọc Al2O3, với 0,0% Cr2O3; Kính, Y3Al5O12, CaWO4 Laser hồng ngọc được sử dụng rộng rãi hơn các loại khác vì nó yêu cầu năng lượng kích thích thấp hơn các loại kia. Đây là loại laser đầu tiên được chế tạo từ rubi hồng ngọc, tức là từ Oxyd nhôm với 0,05% Cr. Loại laser này có tính dẫn nhiệt, bền nhiệt tốt, cho phép làm việc với tần số cao.
Tiếp sau là laser chế tạo từ thuỷ tinh với các ion Neodim (Nd). Đây cũng là loại laser thể rắn, nguyên lý hoạt động của chúng tương tự nhau. Laser thuỷ tinh Nd có độ đồng nhất cao đảm bảo góc phân kỳ (góc mở) nhỏ và cho phép bức xạ đều.giá thành rẻ, dẫn nhiệt tốt, có độ bền cơ học, độ bền nhiệt cao, thời gian phục vụ lâu. Quá trình làm việc của loại laser này theo sơ đồ 4 mức năng lượng nên hầu như không thay đổi nhiều 11 theo nhiệt độ, các thông số của laser vì thế sẽ ổn định hơn.
Nhược điểm của loại này là tính dẫn nhiệt và chịu nhiệt kém, hạn chế khả năng nâng cao công suất hoặc khi làm việc ở chế độ liên tục. Vì thế, hai loại laser trên đang được cải thiện và hoàn chỉnh liên tục. Các loại laser trên cho phép gia công lỗ có đường kính từ 10 đến 500m với chiều dày của vật liệu từ 1mm đến 3mm. * Laser thể khí có các loại : Laser CO2 – N2.
- Laser CO2- Ne - He - Laser N2, Ar,. Laser thể khí có bước sóng dao động trong khoảng rộng, từ tử ngoại đến hồng ngoại, cho nên cho phép ta chọn được loại laser phù hợp với từng loại vật liệu gia công: kim loại, thuỷ tinh, chất bán dẫn, gốm sứ, vải, gỗ,. Hệ số hữu ích cao. Ví dụ: Laser thuỷ tinh - Nd đạt hệ số hữu ích n = 0,1.
Laser CO2, có thể đạt hệ số hữu ích n <= 25%. Công suất bức xạ đến 100KW. Có thể làm việc ở chế độ liên tục hay chế độ xung; vận hành đơn giản. Hệ số hữu ích CO2, có thể cạnh tranh trong các công việc cắt xén vải, giấy, giấy các ton, da, gỗ, cắt những tấm mỏng từ kim loại cứng.
* Laser lỏng là một trong những hướng mới của laser. Có 2 loại chất lỏng thường dùng là các hỗn hợp hữu cơ kim loại và chất màu. Loại hỗn hợp hữu cơ kim loại chứa một số nguyên tố hiếm như Eu (eu-rô-pi). Môi trường hữu cơ đóng vai trò trung gian, nhận năng lượng của nguồn ánh sáng kích thích rồi truyền lại cho các nguyên tử Eu bị kích thích và bức xạ với bước sóng 0,61m.
Các loại laser lỏng có nhược điểm là môi trường hoạt tính không bền vững, chất hữu cơ bị phân huỷ dưới tác động của ánh sáng kích thích. Vì vậy hiện nay người ta thay chúng bằng các chất vô cơ. Các dung dịch vô cơ được chế tạo từ Oxyd Clorua phot pho hoặc oxyd clorua selen với nêôdim (Nd) hoặc một ít Clorit thiếc hoặc các halogen kim loại hoà tan. Loại laser chất lỏng vô cơ có công suất bức xạ cao (cở 500W ở chế độ xung) và hiệu suất khá cao (tương đương laser rắn với hợp chất Nd).
* Laser không cần nguồn cung cấp điện : 12 + “Laser khí động học” hay “laser phản lực” : Người ta tạo ra vùng đảo bằng phương pháp giản nở khí đột ngột. + Laser hoá học Dùng năng lượng sinh ra do các phản ứng hoá học để tạo ra vùng đảo các mức năng lượng. + Laser gamma là một loại laser có cấu tạo phức tạp công suất lớn và bước sóng ngắn có thể đạt cỡ vài A° (<10-7 cm). Ứng dụng laser trong đời sống - Ngành quảng cáo: cắt chữ, Inox, đồng, nhôm, mica, alu, MDF, formex, gỗ.
Điêu khắc nghệ thuật trên mica với độ dầy từ 2 - 30mm; gỗ MDF với độ dày 2 - 50mm bằng laser đủ khổ. - Ngành cơ khí chính xác: chế bản tạo hình gia công cắt kim loại bằng máy cắt dây, máy cắt tia nước, máy plasma, máy phay. Gia công các loại khuôn mẫu, bánh răng, trên mọi chất liệu như, sắt, thép, gang, bản nhôm đúc, kim loại mầu (như đồng, nhôm, inox) - Ngành mỹ thuật: khắc 2D - 3D logo phù điêu trên các vật liệu, đồng, nhôm, mica, formex, gỗ, gạch, đá, đá nhân tạo, đá hoa cương, cắt tạo dáng. - Ngành trang trí nội ngoại thất: gia công cắt các sản phẩm về sắt, gỗ, thạch cao.
- Ngành kiến trúc: gia công cắt các sản phẩm mika, plastic, giấy bìa, nhựa pvc, nhựa phip, làm mô hình, bản đồ. - Ngành quà tặng lưu niệm: cắt khắc họa tiết hoa văn trên các sản phẩm kim hoàn, ngà voi, ngọc thạch, mã não,gỗ, tre, khắc dấu, vỏ điện thoại, làm quà tặng độc đáo sáng tạo. - Ngành may mặc thời trang: cắt hoa văn trên vải, cắt vải. - Ngành thuộc da: cắt điêu khắc hoa văn, nhãn mác, logo, biểu tượng, chữ text, trên da, túi xách, ví, va li, yên, đệm, thắt lưng da.
- Ngành mộc: khắc cắt gỗ, tre, nứa. Sản xuất tranh gỗ, đồ chơi trí tuệ, khung album cắt các chi tiết lắp ghép thành giường, tủ, bàn, ghế 1. Laser trong công nghiệp Trong công nghiệp gia công cơ khí theo yêu cầu mà cụ thể là cắt – khắc kim loại, có 2 loại máy Laser được sử dụng phổ biến là CO2 và Fiber. Mỗi loại đều có những điểm nổi bật và ứng dụng cho từng loại vật liệu và yêu cầu kỹ thuật khác nhau 13 a.
Công nghệ laser CO2 Công nghệ cắt Laser CO2 là một trong những phương pháp cắt Laser sớm nhất được phát hiện vào năm 1964. Máy cắt Laser CO2 là loại máy cắt hoạt động dựa vào tác động của khí CO2 được kích thích điện cung cấp những nguồn sáng chất lượng với năng suất cao nên được sử dụng khá phổ biến hiện nay. * Ưu điểm: - Tự động hóa cao. Máy cắt laser có năng suất cắt cao và giảm được tối đa thời gian phụ, do mức độ tự động được nâng cao vượt bậc.