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

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!
Nội dung trích xuất từ tài liệu:
Bài giảng Kỹ thuật Laser trong chế tạo cơ khí: Chương 2 - TS. Nguyễn Thành ĐôngChương 2 CÁC LOẠI NGUỒN LASER2.1 . Laser rắn 2.1.1 Đặc điểm của Laser rắn. Laser rắn là laser mà môi trường hoạt chất là chất rắn: đơntinh thể hoặc chất vô định hình. Độ nghịch đảo tích lũy thực hiện ở mức nguyên tử hoặc iontạp chất. Nồng độ hạt bức xạ lớn 1017÷ 1020 / cm3 , lớn hơn 100 ÷ 1000lần laser khí, nên hệ số khuếch đại rất lớn. Chất rắn có độ đồng nhất quang học kém sẽ hạn chế kíchthước theo hoạt chất từ 15 ÷ 60 cm.Do độ đồng chất quang học nhỏ nên góc tia laser bị nhiễuxạ lớn đến hàng chục phút.Trong laser rắn các hạt tương tác nhau nên vạch bức xạ tựnhiên và bức xạ laser thường có dải phổ rộng Để tạo độ nghịch đảo độ tích lũy thường dùng bơm quanghọc bằng các đèn chớp sáng. THANH HOAT CHAT Cấu tạo thanh hoạt chất có đường kính thanh từ 2 ÷ 3 cm, haimặt đầu mài và đánh bóng tạo thành gương phản xạ. Để khửdao động kí sinh các mặt bên được làm nhám. Trong thanh hoạt chất gồm có chất nền là là đơn tinh thểhoặc vô định hình. Môi chất laser có tỷ lệ rất nhỏ chỉ khoảng vài phần trăm sovới 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 đènG-¬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 bóngLaser Ruby Q-SwitchBước sóng: 694 nmMật độ năng lượng: 23J / cm2Tần số phát: 0,5 – 2 HzThích 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 ...