Muốn nghiên cứu về hệ thống đánh lửa laser trên động cơ đốt trong thì ta cần phải biết được laser là gì và đặc tính của laser như thế nào. Từ đó, dựa vào các đặc tính này mới có thể điều khiển năng lượng sao cho phù hợp để đốt cháy hoàn toàn hoà khí. Laser nó là một tia đơn sắc một chùm sáng có cường độ mạnh được phát ra nhờ hiện tượng phát xạ cảm ứng (hay còn gọi là phát xạ cưỡng bức), tia laser có tính định hướng, tính đơn sắc, và tính kết hợp cao và có cường độ lớn. Laser nó được viết tắt từ tiếng Anh của các chữ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation có nghĩa là chúng là những dạng ánh sáng rất có trật tự chỉ có một bước sóng và một hướng. Điều này có nghĩa là có nhiều electron ở trạng thái kích thích hơn các electron ở trạng thái năng lượng thấp hơn. Khi một electron giải phóng năng lượng (một photon), các electron khác dường như giao tiếp với nhau và cũng bắt đầu giải phóng photon. Phản ứng dây chuyền giải phóng photon này được gọi là phát xạ kích thích. Vấn đề bây giờ là các photon này được giải phóng theo các hướng ngẫu nhiên. Để đảm bảo năng lượng này bị ép buộc theo cùng một hướng, các gương được đặt đối diện để hướng các photon. Các photon bị phản xạ từ gương và chúng va đập vào nhau gây nên trạng thái kích thích. Laser có nhiều loại:
khí ga dùng Helium – Neon (He – Ne) để tạo ra tia laser. Laser tạo ra từ các hóa chất chúng có được năng lượng thông qua phản ứng hóa học được sử dụng chủ yếu cho vũ khí. Thuốc nhuộm cũng có thể làm ra tia laser sử dụng thuốc nhuộm hữu cơ.
Thể rắn sử dụng môi trường thử được gọi là chất rắn (thay vì môi trường lỏng như trong thuốc nhuộm hoặc laser khí) được sử dụng làm vũ khí. Chất bán dẫn còn được gọi là đi ốt laser, một laser bán dẫn là chúng hoạt động trong môi trường bán dẫn như một đi ốt phát quang có ứng dụng trong viễn thông và y học.
Thực chất, laser là một chùm ánh sáng. Năm 1677, nhà khoa học người Đan Mạch Ole R¨omer đã chứng minh rằng ánh sáng là “thứ gì đó” di chuyển với tốc độ hữu hạn. Nghiên cứu về “thứ gì đó” có thể được thực hiện lần đầu tiên trên cơ sở
khoa học của nhà vật lý Hà Lan, Christiaan Huygens, trong một luận thuyết nhỏ về quang học xuất bản năm 1678. Tầm nhìn của ông về ánh sáng nó là một dạng gợn phát ra từ mọi điểm trong một nguồn nào đó. Nhà khoa học Thụy Sĩ Leonard Euler là người đầu tiên đề xuất, vào năm 1768 cho rằng cũng như bước sóng của sóng âm xác định độ cao của nó, bước sóng của ánh sáng gợn sóng xác định màu sắc của ánh sáng đó. Tuy nhiên, khái niệm về ánh sáng như một sự lan truyền bởi một gợn sóng hoặc một loại sóng nào đó mà không chống lại giả thuyết cho rằng ánh sáng là một dòng các hạt nhỏ (lý thuyết phân tử) được thúc đẩy bởi nhà khoa học người Anh Isaac Newton năm 1704. Gần một thế kỷ sau, vào năm 1801, một bác sĩ y khoa người Anh, Thomas Young, thí nghiệm “ánh sáng và hai khe” nổi tiếng, đã thiết lập vững chắc bản chất sóng của ánh sáng từ quan sát các vân – đó là các mẫu tối và sáng trên màn hình. Cuối cùng, Newton áp đặt học thuyết rằng lý thuyết ánh sáng dựa trên bản chất “đặc biệt” và điều này mâu thuẫn với nhà bác học Young. Ánh sáng là một chùm sóng và một chùm hạt rất khác nhau nhiều thứ. Nó có tính chất lưỡng nguyên sóng – hạt. Vào năm 1900, nhà khoa học người Đức Max Planck đã dựa trên kinh nghiệm có được liên quan chính xác đến màu sắc (định lượng bởi bước sóng, 𝜆) và cường độ tương ứng của một vật thể phát sáng. Từ đó, ông đưa ra công thức về định luật bức xạ:
2 5 1
( , ) (2 )/ {exp( / ) 1}
I T hc hc kT (2.1) Trong đó:
- 𝜆 (lambda) là bước sóng,
- 𝜈 (neue) là tần số tương ứng (𝜈 = c / 𝜆) của ánh sáng,
- T là nhiệt độ (tính bằng đơn vị Kelvin) của vật phát ra (blackbody), h là hằng số Planck, ≈ 6,62 × 10−34 Joules.sec,
k là hằng số Boltzmann ≈ 1,38 10−22 Joules.K − 1, c là vận tốc (tốc độ) của ánh sáng ≈ 3 × 108 m.sec – 1
Hình 2.1: Bức xạ của ánh sáng đơn sắc (laser) 2.1.2 Cách tạo hiệu ứng laser
Tia laser phát ra là tia đơn sắc có mức năng lượng cao gắn kết bởi hai yếu tố không gian và thời gian. Sự gắn kết không gian có nghĩa là mối quan hệ pha cố định giữa các điện trường tại các vị trí khác nhau trên chùm tia. Thông thường nó được thể hiện thông qua đầu ra là một chùm hẹp là nhiễu xạ giới hạn, còn được gọi là
“chùm bút chì”. Các chùm tia laser có thể được tập trung vào các điểm rất nhỏ, đạt được độ rọi rất cao. Sự gắn kết tạm thời có nghĩa là sự tương quan mạnh mẽ giữa các điện trường tại một địa điểm, nhưng thời gian khác nhau. Nd: Laser YAG trong loại laser trạng thái rắn này gồm nhôm garnet yttrium pha tạp neodymium (Nd:
Y3Al5O12), được biết đến với tên gọi là tinh thể Nd: YAGNeodymium ion hóa triply thay thế yttrium trong cấu trúc tinh thể của nhôm yttriumgarnet (YAG), vì những tinh thể này có kích thước tương tự nhau. Với ≈ 1% neodymium (bằng phần trăm nguyên tử). Nguồn với Nd: YAG rất phổ biến, và họ đã tìm thấy sử dụng rộng rãi trong một phạm vi rộng các lĩnh vực ứng dụng và khoa học, bao gồm lĩnh vực nghiên cứu hệ thống đánh lửa bằng laser và lĩnh vực năng lượng vật liệu. Những laser này phát ra ánh sáng với bước sóng 1064 nm trong một bước sóng rất hẹp và có thể được vận hành cả ở chế độ xung và liên tục. Xung Nd: Laser YAG thường được vận hành ở chế độ ‘Q – Switched’.
Hệ thống đánh lửa bằng laser có bộ phát laser với cáp quang được cấp nguồn bằng ắc quy của ô tô. Chiếu chùm tia laser vào thấu kính và các chùm này hội tụ lại một điểm gọi là độ rọi. Khi nhiên liệu có trong buồng đến thời điểm đánh lửa thì tia laser này được chiếu vào thấu kính và phản xạ theo một góc nào đó và đi vào buồng đốt động cơ để đốt cháy hoà khí. Cấu tạo cơ bản để có thể tạo ra tia laser là: buồng cộng hưởng (vùng bị kích thích), nguồn nuôi (năng lượng bơm vào vùng bị kích thích), gương phản xạ toàn phần, gương bán mạ. Buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, đó là một chất đặc biệt có khả năng khuyếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức để tạo ra laser. Khi 1 photon tới va chạm vào hoạt chất này thì kéo theo đó là 1 photon khác bật ra bay theo cùng hướng với photon tới. Mặt khác buồng cộng hưởng có 2 mặt chắn ở hai đầu, một mặt phản xạ toàn phần các photon khi bay tới, mặt kia cho một phần photon qua một phần phản xạ lại làm cho các hạt photon va chạm liên tục vào hoạt chất laser nhiều lần tạo mật độ photon lớn. Vì thế cường độ chùm laser được khuếch đại lên nhiều lần. Ánh sáng kích thích từ bộ phân phối tới bộ phát laser sẽ đi qua buồng cộng hưởng, buồng cộng hưởng khuyếch đại ánh sáng tới thành chùm tia laser. Chùm tia laser đầu tiên sẽ đi qua bộ tạo xung Q – switch, sau đó đi qua hai gương cầu để tạo thành tia laser tập trung có đủ năng lượng cho đánh lửa.
Hình 2.2: Sơ đồ tạo tia laser [9]