Tieu luan KỸ THUẬT LASER TRONG CƠ KHÍ

Sự hấp thụ và phát xạ quang học Khi cung cấp cho các hạt năng lượng, điện tử của nó sẽ chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao, đó là quá trình kích thích.. * Phát xạ kích t

LỜI NÓI ĐẦU

Cùng với sự phát triển của các ngành công nghiệp, ngành công nghiệp quang học trong đó đặc biệt là công nghiệp laser đã có những phát triển mạnh

mẽ, laser được ứng dụng rất phổ biến trong tất cả các lĩnh vực như: cơ khí chế tạo máy (đo kiểm, gia công, xử lý bề mặt, giám sát…), y học (phẫu thuật bằng laser, đo thân nhiệt), xây dựng (đo khoảng cách, đo góc,…), vệ tinh, vũ khí, công nghiệp điện tử…

Nghiên cứu về kỹ thuật laser xây dựng cho người học một cơ sở tri thức quan trọng, mang tính thực tế cao, tính ứng dụng rất cao, góp phần giải quyết hàng loạt vấn đề đặc biệt quan trọng như: đo kiểm với độ chính xác cao, đo không tiếp xúc, đo với tốc độ cao, đo không dừng…; gia công các loại vật liệu

có cơ tính đặc biệt (độ cứng cao, độ bền cao, không dẫn điện…), gia công bề mặt với khả năng lựa chọn vật liệu; hàn ngầm, hàn kích thước rất nhỏ…

Được sự tận tình hướng dẫn, giảng dạy của PGS TS Nguyễn Văn Vinh,

em đã được học và nắm bắt nhiều kiến thức cơ bản, quý báu về kỹ thuật laser Đây cũng là tiền đề để em học tập và phát triển trong thực tế công tác

Trong quá trình học tập, em đã tập trung nghiên cứu nghiêm túc, tích cực

để thực hiện bài tiểu luận Tuy nhiên, mặc dù rất cố gắng nhưng do kiến thức

và thời gian có hạn nên bài tiểu luận không thể tránh được những thiếu sót Em rất mong tiếp tục nhận được sự chỉ bảo của thầy, cũng như sự góp ý của bạn bè, đồng nghiệp và những người quan tâm

Em xin chân thành cảm ơn!

Thanh Hóa, ngày 04 tháng 10 năm

2018

Học viên thực hiện

Mai Huy Phúc

Câu hỏi 1:

Nguyên lý cấu tạo và hoạt động của nguồn sáng laser (lấy một nguồn sáng laser cụ thể để minh họa)

Trả lời:

* Cơ sở vật lý của nguồn sáng laser

Theo lý thuyết về cấu tạo nguyên tử của Borh, trong một nguyên tử các electron chuyển động bao quanh hạt nhân tạo thành lớp vỏ điện tử của nguyên

tử Lớp vỏ điện tử được cấu thành bởi các lớp và các 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 trong lớp

- 2, 6, 10…: số điện tử trong mỗi phân lớp

Sự phân lớp có thể chồng lấn lên nhau, phân lớp cao của lớp trong có thể

có mức năng lượng cao hơn phân lớp thấp của lớp ngoài, như lớp 4s2 nằm thấp hơn lớp 3d10 Tại mỗi phân lớp còn có thể xảy ra sự chia nhỏ thành các mức năng lượng nhỏ hơn gọi là hiện tượng suy biến các mức năng lượng

Ở trạng thái bình thường số điện tử của một nguyên tử sẽ lấp đầy các lớp

vỏ từ trong ra ngoài (còn gọi là trạng thái cơ bản) Các điện tử ở lớp vỏ ngoài

có thể chuyển lên các mức cao hơn (khi hấp thụ năng lượng) hoặc ngược lại (khi phát xạ năng lượng) gọi là các dịch chuyển trạng thái

Ánh sáng phát ra khi điện tử dịch chuyển từ mức năng lượng cao sang mức năng lượng thấp trong lớp vỏ nguyên tử

Ánh sáng được coi là có tính chất lưỡng tính sóng- hạt

+ Nếu coi ánh sáng có tính chất hạt (được gọi là photon) thì năng lượng của hạt là: E = h. hoặc E = h.f

Trong đó: -E: năng lượng của hạt photon ánh sáng

-h: hằng số Pờ-lăng có giá trị là 6,626.10-34

-, f: tần số sóng ánh sáng

+ Nếu coi ánh sáng có tính chất sóng thì tần số và bước sóng của nó có mối quan hệ: . = c

Trong đó: -: là bước sóng ánh sáng

-c: vận tốc ánh sáng trong môi trường truyền sóng Các dịch chuyển hấp thụ hoặc phát xạ ánh sáng được gọi là các dịch chuyển quang học (xem hình 1.1)

Hình 1.1 Sự hấp thụ và phát xạ quang học

Khi cung cấp cho các hạt năng lượng, điện tử của nó sẽ chuyển từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao, đó là quá trình kích thích

Hạt ở trạng thái kích thích thường có thời gian tồn tại rất ngắn chỉ khoảng

10-8 đến 10-9 giây, sau đó sẽ phát xạ ánh sáng hoặc năng lượng cơ hay nhiệt và chuyển về trạng thái có mức năng lượng thấp hơn

Bức xạ laser là sóng điện từ ánh sáng có tần số từ 1011 ÷1017 Hz, ứng với bước sóng khoảng  = 1mm ÷ 1nm

Mỗi hạt photon ánh sáng là một đoàn sóng điện từ có tần số  xác định Sóng ánh sáng truyền trong các môi trường dẫn quang và chân không chính là

sự lan truyền của sóng điện từ

* Phát xạ kích thích sóng ánh sáng Laser

Trong môi trường hoạt chất laser bao gồm các hạt ở trạng thái năng lượng

Ek và các photon có năng lượng h Khi các hạt hấp thụ h sẽ chuyển từ mức năng lượng Ek lên trạng thái kích thích có mức năng lượng Ei (hình 1.2a) Ngược lại, khi hạt ở trạng thái kích thích với mức năng lượng Ei, sau thời gian tồn tại rất ngắn sẽ chuyển về mức năng lượng thấp hơn Ek và phát xạ ra photon

có mức năng lượng E = h = Ei - Ek (hình 1.2b) Quá trình kích thích và phát xạ này cũng xảy ra tương tự khi ta kích thích các hạt bằng các dạng năng lượng khác có mức năng lượng tương ứng thỏa mãn điều kiện tương tác lượng tử:

E = h

Hình 1.2 Tương tác giữa trường bức xạ và các hạt

Năm 1917 Anh-xtanh khi khảo sát quá trình bức xạ của vật đen tuyệt đối

đã đưa ra giả thuyết về sự phát xạ kích thích Theo Anhxtanh: “Nếu photon tác động lên hạt ở trạng thái kích thích mà hiệu mức năng lượng dịch chuyển cho phép của hạt tương ứng năng lượng của photon thì sẽ xảy ra bức xạ kích thích” Mức năng lượng Ei và Ek khi đó còn được gọi là mức laser trên và mức laser dưới

Đặc điểm của quá trình phát xạ kích thích là:

- Mức năng lượng dịch chuyển cho phép của hạt bị kích thích phải bằng với năng lượng của photon kích thích Đây là điều kiện cần thiết của quá trình phát xạ kích thích

- Photon phát ra trong quá trình phát xạ kích thích có cùng tần số, biên độ, pha, hướng dịch chuyển và trạng thái phân cực như photon kích thích Photon kích thích không bị biến đổi và giữ nguyên tính chất và trạng thái ban đầu Kết quả của quá trình phát xạ kích thích là từ một photon kích thích sẽ tạo ra được một cặp photon giống nhau (hình 1.2c), hệ quả của quá trình này là quá trình khuếch đại thác lũ (hình 1.2d)

Phát xạ kích thích là yếu tố cơ bản để tạo ra nguồn phát ánh sáng laser Tuy nhiên để phát ra được tia laser cần thiết phải có môi trường nghịch đảo mật

độ tích luỹ và buồng cộng hưởng để bức xạ laser được khuếch đại chọn lọc tạo nên các tính chất cơ bản của chùm tia laser là độ đơn sắc cao, độ kết hợp cao,

độ định hướng cao và khả năng đạt được mật độ năng lượng cao

* Nguyên lý cấu tạo của nguồn phát laser

Để năng lượng bức xạ laser phát ra có độ lớn cần thiết thì số lượng tương tác của các photon lên các hạt ở trạng thái kích thích phải lớn, do đó yêu cầu mật độ hạt ở trạng thái kích thích và quãng đường photon di chuyển z phải lớn Để đạt được điều đó người ta tạo ra 1 buồng khuếch đại bằng 1 hệ gương

đặt song song, đối xứng để làm tăng lộ trình của tia laser; đồng thời sử dụng nguồn năng lượng kích thích từ bên ngoài để kích thích các hạt trong buồng khuếch đại (gọi là nguồn bơm) như hình 1.3

Hình 1.3 Nguyên lý cấu tạo của nguồn sáng laser

1 Gương phản xạ toàn phần

3 Nguồn bơm (bơm kích thích)

5 Chùm tia laser

2 Môi chất laser

4 Gương phản xạ một phần Các thành phần cấu tạo cơ bản của nguồn phát laser:

- Môi chất laser (2): là chất làm môi trường phát xạ bức xạ kích thích của tia laser Môi chất laser cần có các mức năng lượng tương ứng mà dịch chuyển lượng tử phát xạ quang học cho phép tương ứng với tần số ánh sáng laser cần phát và phải trong suốt đối với bước sóng của bức xạ laser

Môi chất laser có thể là chất rắn, lỏng, khí hoặc ion Có khoảng trên 1000 chất có thể sử dụng làm môi chất laser song thực tế chỉ sử dụng khoảng hơn

100 chất có hiệu quả nhất

Ví dụ: môi chất laser HeNe là các nguyên tử He và Ne, môi chất laser Ruby là tinh thể Al2O3 có gắn ion Cr3+, môi chất laser CO2 là phân tử khí CO2…

- Bơm kích thích (3): là khái niệm chỉ chung các bộ phận thực hiện việc cấp năng lượng để kích thích các phần tử của môi chất laser lên trạng thái kích thích để tạo ra nghịch đảo mật độ tích luỹ

Các phương pháp thực hiện bơm tạo nghịch đảo mật độ tích luỹ là: kích thích bằng ánh sáng, kích thích bằng điện tử, va chạm cộng hưởng…

Việc lựa chọn phương pháp bơm phụ thuộc vào đặc điểm của từng loại môi chất laser sao cho các hạt có thể nhận được năng lượng kích thích

Ví dụ: đối với laser Ruby, bơm kích thích là đèn Flash cường độ cao

- Buồng cộng hưởng laser (1-4): là 2 gương phẳng đặt song song với nhau

ở hai đầu buồng chứa hoạt chất laser Hai gương có tác dụng làm cho tia sáng phản xạ đi lại với quãng đường quang học dài hơn Do là buồng cộng hưởng

mở nên các tia có phương lan truyền tạo với trục quang một góc đủ lớn sẽ đi ra ngoài buồng cộng hưởng sau một số lần phản xạ Vì vậy trong buồng cộng hưởng chỉ có các photon có phương lan truyền song song với trục buồng cộng hưởng mới được khuếch đại

Như vậy, các sóng bức xạ ánh sáng laser lan truyền dọc theo trục buồng cộng hưởng đi qua môi trường hoạt chất nhiều nhất và được khuếch đại mạnh nhất sẽ quyết định công suất phát thực của nguồn laser và có tính định hướng rất cao Các sóng phản xạ qua gương nhiều lần mà vẫn bảo toàn pha, đồng thời các sóng bức xạ kích thích có tần số, pha, chiều phân cực giống ánh sáng kích thích nên bức xạ ra là bức xạ kết hợp

Do buồng cộng hưởng có thể thực hiện các phương pháp chọn lọc dao động sóng ánh sáng khác nhau để tạo ra được chùm bức xạ trong một giải phổ rất hẹp, gần như hoàn toàn đơn sắc Có thể nói rằng: buồng cộng hưởng quang học đóng vai trò quyết định trong việc hình thành các tính chất cơ bản của tia laser

Sự chọn lọc xảy ra khi bức xạ laser lan truyền trong môi chất laser gặp 2 gương của buồng cộng hưởng sẽ bị phản xạ lại nhiều lần mang tính chất lặp lại

Vì sóng ánh sáng là sóng điện từ ngang phẳng nên khi khoảng cách L giữa 2 gương là một số nguyên q lần của nửa bước sóng, sẽ hình thành quá trình cộng hưởng kiểu sóng dọc: L = q(/2)

* Ví dụ về nguồn sáng laser Ruby (hình 1.4)

Hình 1.4 Cấu tạo của nguồn sáng laser Ruby

Laser ruby gồm đơn tinh thể Al2O3 với các ion Cr3+ Thường là thanh trụ

từ Φ6 ÷ Φ 50mm dài L = 50 ÷ 500 mm có độ bền cơ hóa học cao, dẫn nhiệt tốt Kéo ở 20000C với độ ổn định nhiệt 1/ 100C để đảm bảo đồng nhất Chất nền của Al2O3 có màu đỏ, khi pha Cr3+ trở nên màu hồng và trở nên trong suốt với ánh sáng xanh lá cây và tím

Hình 1.5 Đồ thị mức năng lượng của Ion Cr 3+

Laser Rubi là laser 3 mức với bức xạ của Cr3+ có 2 vạch phổ:

Vạch phổ R1 khi xảy ra dịch chuyển từ mức E xuống mức 4A2

Vạch phổ R2 khi xảy ra dịch chuyển từ mức 2A xuống mức 4A2

Trong đó vạch phổ R1 chiếm tỉ trọng lớn hơn R2

Bước sóng laser ruby phụ thuộc nhiệt độ hoạt chất vì làm tách mức của trạng thái năng lượng

T = 3000K T = 770K

Công suất laser Rubi đến vài chục Wat, ở chế độ xung τx = 10 ms đến vài

kW Ở chế độ liên tục dù chỉ vài chục Wat, song công suất bơm cần đến 1 kW Laser rubiyngày nay ít được sử dụng, mà thường được thay thế bởi Laser NdYAG hoặc Nd thuỷ tinh Hiện nay Laser ruby thường chỉ còn dùng trong nghiên cứu khoa học hoặc các ứng dụng cần bước sóng ngắn hơn laser Nd

Câu hỏi 2:

Nguyên tắc an toàn đối với nguồn sáng laser

Trả lời:

* Các mối nguy hiểm của laser đối với người làm việc là:

- Nguy hiểm do tác động vật lý của tia laser

Nguy hiểm nhất của tia laser là với võng mạc, điểm nhạy cảm nhất của mắt, thủy tinh thể và sau đó là da Võng mạc nhạy cảm nhất với laser ở bước sóng nhìn thấy 0,4μm < λ< 0,7μm và vùng gần hồng ngoại 0,7μm < λ< 1,4μm Laser ở vùng cực tím λ< 0,4μm không nhạy cảm với võng mạc song dễ gây tổn thương tới thủy tinh thể Thủy tinh thể có thể bị tác động bởi laser ở các bước sóng bất kỳ

+ Nguy hiểm đối với mắt

Chỉ những tia có 0,4μm < λ < 1,4μm mới có thể đi vào trong mắt đến võng mạc, xem đặc trưng phổ của mắt người – hình 1.6

Hình 2.1 Đặc trưng phổ của mắt người

Tổn thương lên võng mc tùy thuộc vào chiều dài bước sóng Các bước sóng 0,4μm < λ và λ > 1,4μm không gây tác dụng lên võng mạc song tác dụng lên thủy tinh thể Sự tác động lên võng mạc sẽ lớn hơn rất nhiều so với khi ta quan sát ở ngoài vì vết hội tụ ở võng mạc có thể đạt tới 20 μm

Độ tăng tỉ lệ công suất (dp/dr)2 tỉ lệ với dp là đường kính pu-pin mắt và dr

là đường kính hội tụ lên mõng mạc

Ví dụ: dp ≈ 5 mm, dr ≈ 20.10-3 mm thì mật độ công suất lên 6.104 lần so với mật độ công suất khi vào mắt Mắt là nơi nguy hiểm nhất ngay cả khi các

bộ phận khác chưa đạt đến độ nguy hiểm

Hình 2.2 Mật độ công suất nguồn trải rộng và nguồn điểm tại võng mạc

Mức độ tổn thương tăng theo thời gian tác dụng, độ lớn đường kính vết laser và độ dài xung Khi thời gian tác động rất ngắn thì sự tác động do truyền nhiệt thực tế không tồn tại tổn thương không phụ thuộc vào đường kính vết Khi thời gian đủ lớn thì do truyền nhiệt thương tổn khi đường kính vết nhỏ giảm vì ở diện tích nhỏ nhiệt dễ dàng thất thoát khi truyền nhiệt hơn ở diện tich lớn

Ánh sáng có bước sóng ngắn gần vùng xanh thì dễ gây tổn thương hơn ánh sáng đỏ Ở vùng ánh sáng xanh do bước sóng ánh sáng ngắn đó chủ yếu gây lên sự bỏng do tác dụng quang hóa chứ không phải tác dụng nhiệt như ở vùng ánh sáng đỏ Điều này hết sức cần thiết khi xây dựng tiêu chuẩn an toàn

Về các vùng khác ít được nghiên cứu

Về tác dụng tích lũy: Ví dụ laser GaAs khi công suất 562μJ/ tần số 40Hz tương đương 22μJ/1000Hz về khả năng gây tổn thương

Laser CO2 ở vùng hồng ngoại chỉ tác dụng lên thủy tinh thể do mắt người không nhạy cảm, nên cùng một công suất nó ít nguy hiểm hơn laser vùng khả kiến do sự tiêu tụ của mắt

Các thông số cần xem xét khi laser tác dụng lên mắt: mật độ, công suất, bước sóng, thời gian tác động

Việc xác định chính xác giá trị ngưỡng năng lượng nguy hiểm của laser khó đạt được do nhiều nguyên nhân, đặc biệt là không thử nghiệm được trên mắt người

+ Nguy hiểm đối với da

Khi sử dụng các nguồn laser công suất lớn, bức xạ laser có thể gây ra các vết bỏng trên da Tác động của laser lên da phụ thuộc vào bước sóng và sắc tố

da và theo khả năng phản xạ của da, xem biểu đồ khả năng phản xạ của da người – hình 1.8

Hình 2.3 Khả năng phản xạ của da người

A- Sắc tố da yếu B- Sắc tố da mạnh

Ở vùng ánh sáng nhìn thấy độ phản xạ của da là lớn nhất và ở vùng hồng ngoại xạ là ít nhất

Bước sóng λ= 1,5μm hệ số cho phản xạ của vải là cực đại, gần 20% năng lượng sáng đi qua vải λ > 1,4μm và λ < 0,5μm độ cho qua của vải gần xấp xỉ 0

%

Ngược lại khi λ > 10μm độ hấp thụ rất cao

Đối với vết bỏng da người ta khảo sát chủ yếu với laser CO2 vì CO2 là laser phổ biến nhất trong các laser công suất có khả năng làm bỏng da

Khả năng phản xạ của da trên bước sóng 10μm rất yếu, hầu như bị da hấp thụ, còn vùng phổ hồng ngoại và vùng nhìn thấy hầu như bị phản xạ

Do hệ số hấp thụ rất cao nên nó bị giữ ở lớp mỏng trên bề mặt da

Bảng tổng hợp các tác động sinh học của bức xạ laser lên mắt và da:

Miền phổ quang sinh

Tử ngoại C

Ban đỏ (cháy nắng) Ung thư da

Tử ngoại B

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

Khả kiến

(400-780nm)

Thương tổn võng mạc do nhiệt và quang hóa Giảm thị lực màu sắc và

nhìn đêm

Cháy da Phản ứng nhạy sáng

Hồng ngoại A

(780-1400nm)

Cháy võng mạc

Hồng ngoại B

(1400-3.000nm)

Cháy giác mạc Tóe thủy dịch Đục nhãn hồng ngoại

Cháy da

Hồng ngoại C

- Nguy hiểm về điện

Trong hầu hết các loại laser (trừ laser bán dẫn) thường yêu cầu điện thế cao, cường độ dòng điện cao để tạo ra chùm tia Do đó trong hệ thống luôn tồn tại các điểm có điện thế và dòng điện cao Mặt khác, điện tích trong các tụ điện của hệ thống cũng đặc biệt nguy hiểm vì nó có thể tạo ra dòng điện cường độ cao với điến áp cao ngay cả khi laser đã tắt Do đó phải cẩn thận khi tiếp xúc các chi tiết của hệ thống laser, đặc biệt là khi đã bị tháo vỏ hoặc sửa chữa…

- Các mối nguy hiểm khác:

+ Tác hại hóa học: các hóa chất, khí được tạo ra trong quá trình gia công bằng laser có thể gây ngộ độc, cháy, nổ…

+ Tác dụng do sóng: tác dụng bởi sóng bức xạ tương tự như tia X

* Nguyên tắc an toàn đối với người làm việc

- Hiện tại, do Việt Nam chưa xây dựng được tiêu chuẩn an toàn đối với laser nên các quy định về an toàn được dựa trên tiêu chuẩn của AISI Standard