Giáo trình Công nghệ laser - Chương 3: Công nghệ laser

 kia. Đây là loại laser đầu tiên đ−ợc 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 t−ơng 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 l−ợng nên hầu 
nh− không thay đổi nhiều theo nhiệt độ, các thông số của laser vì thế sẽ ổn định hơn. 
Nh−ợc điểm của loại này là tính dẫn nhiệt và chịu nhiết 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 đ−ợc cải 
thiện và hoàn chỉnh liên tục . Các loại laser trên cho phép gia công lỗ có đ−ờng kính từ 
10 ... 500 àm với chiều dày của vật liệu từ 1 .. 3 mm 
• Laser thể khí có các loại : Laser CO2 - N2. 
 - Laser CO2 - Ne - He 
 - Laser N2, Ar,... 
 Laser thể khí có b−ớc sóng dao động trong khoảng rộng, từ tử ngoại đến 
hồng ngoại, cho nên cho phép ta chọn đ−ợc loại laser phù hợp với từng loại vật liệu 
gia công : kim loại, thuỷ tinh, chất bán dẫn, gốm sứ, vải, gỗ,... 
 Hệ số hửu ích cao 
Ví dụ : Laser thuỷ tinh - Nd đạt hệ số hửu ích η = 0,1 ... 1 % (có thể đạt 
2... 3%) 
 Laser CO2 có thể đạt hệ số hửu ích η <= 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 hửu 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 h−ớng mới của laser. Có 2 loại chất lỏng 
th−ờng dùng là các hổn hợp hữu cơ kim loại và chất màu. Loại hổn hợp hữu cơ 
kim loại chứa một số nguyên tố hiếm nh− Eu (eu-rô-pi). Môi tr−ờng hữu cơ 
 32
đóng vai trò trung gian, nhận năng l−ợng của nguồn ánh sáng kích thích rồi 
truyền lại cho các nguyên tử Eu bị kích thích và bức xạ với b−ớc sóng 0,61 àm. 
Các loại laser lỏng có nh−ợc điểm là môi tr−ờng hoạt tính không bền vững, 
chất hữu cơ bị phân huỷ d−ới tác động của ánh sáng kích thích. Vì vậy hiện nay 
ng−ời ta thay chúng bằng các chất vô cơ. Các dung dịch vô cơ đ−ợc 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 (t−ơng 
đ−ơng laser rắn với hợp chất Nd) 
• Laser không cần nguồn cung cấp điện : 
+ “Laser khí động học” hay “laser phản lực” : Ng−ời ta tạo ra vùng đảo bằng 
ph−ơng pháp giản nở khí đột ngột . 
+ Laser hoá học Dùng năng l−ợng sinh ra do các phản ứng hoá học để tạo ra 
vùng đảo các mức năng l−ợng. 
 + Laser gamma là một loại laser có cấu tạo phức tạp công suất lớn và b−ớc 
sóng ngắn có thể đạt cở vài Ao (<10-7 cm). 
Bảng 3.1 các thông số đặc tr−ng của một số loại Laser [4] 
Môi tr−ờng 
hoạt tính 
B−ớc 
sóng 
Tần số Thời gian 
một xung 
Khoảng thời gian 
cho phép làm việc 
Công dụng 
 àKm Hz 1 xung (giây) 
 Rubin 0,6943 1 ... 5 (0,5 -3).10-3 (50... 100).103 xung Hàn, khoét lỗ 
 Thuỷ tinh + 
Nd 
1,06 0,05 ... 10 1 10-7 ... 2.10-3 (50... 100).103 xung hàn khoan lỗ hợp 
kim cứng 
YAl5O12 1,06 50 ... 100 2.10-4 (50... 100).103 xung Cắt 
CO2-N2-He 10,6 Liên tục 
50 ... 200 
 500 ... 1000 giờ Hàn và cắt 
N2 0,3371 100 ... 150 500... 1000 giờ Gia công màng 
mỏng và chất bán 
dẫn 
 33
3.6. Đặc điểm và khả năng ứng dụng của laser 
3.6.1 Đặc điểm của laser 
1. Công suất ( C−ờng độ ) của nguồn bức xạ bằng ánh sáng rất mạnh so với 
nguồn năng l−ợng điện từ có cùng nguồn. 
2. Độ đơn sắc cao . Độ đơn sắc đ−ợc đặc tr−ng bởi tỷ số à = ∆λ / λo . 
S = ∆ω / ωo 
Trong đó ∆λ - Chiều rộng quang phổ; à - Mức độ đơn sắc 
ωo - Tần số ứng với độ dài b−ớc sóng λo
Laser Rubin-Hồng Ngọc : λ = 0,69 àm 
 Với D = 1 cm Đ−ờng kính chùm tia bức xạ thì góc phân kỳ 
 θ0,5 = 0,85.10-4 rad ≈ 14'' 
 Laser CO2 : λ = 10,6 àm 
 Với D = 1,2.10-3 cm Đ−ờng kính chùm tia bức xạ thì 
 θ0,5 = 0,85.10-4 rad ≈ 3'20'' 
 Trong thực tế góc phân kỳ có lớn hơn do ảnh h−ởng của độ đồng nhất về sự 
phân bố biên độ và các pha trong vùng bức xạ. 
Ví dụ - kích th−ớc vùng bức xạ của tinh thể hồng ngọc khoảng 100 àm; kích 
th−ớc vùng bức xạ của hổn hợp hồng ngọc khoảng 850 àm (R−kalinpage 8) 
3. Tính đồng loạt cao : 
Thời gian kết hợp đối với tia ánh sáng th−ờng là : 10-8 s 
 Thời gian kết hợp đối với tia laser là : 10-2 - 10-1s 
4. Kích th−ớc chùm tia nhỏ, có h−ớng tập trung và có tính hội tụ cao 
5. Tần số ổn định; 
6. Thời gian một xung ngắn khoảng 10-9 giây 
 34
10-9 s 10-8 s 10-3 s Liên tục 
τ 
Loạ
Vùn
ứng
λ 
L
H 
g 
 dụng 
Hình
7. B
n
7
tr
đ
c
c
0,2 
Tử ng
 Hg 
ớp mà
ấp thụd-thuỷ tinh YAG, Rubun, CO2 i laser NRubin, N2; Thuỷ tinh + Nd 
Gia công màng mỏng Đột lỗ 
 4-1 Khoảng thời gian bức xạ của một số loại lase
−ớc sóng ngắn và có dãi sóng bức xạ lớn từ tia c
ên khả năng ứng dụng rộng. Chiều dài b−ớc sóng
0 àm). Trong thực tế ng−ời ta quan tâm nguồn có
ong khoảng 0,4 - 10,6 àm. Vì trong khoảng nà
−ợc một số thông số yêu cầu : nguồn nhiệt l−ợn
ông suất khi máy phát làm việc liên tục có ý ng
ông kim loại. 
0,33 
oại 
0,5 0,63 0,69 1,06
N2 Ar Xe He - Ne Rubi
ng mỏng Kim loại 
 cao 
 Cắt 
 [5](trang.1) 
ự tím đến hồng ngoại 
 trong khoảng ( 0,1 - 
 chiều dài b−ớc sóng 
y nguồn laser đã đạt 
g, công suất xung và 
hĩa cho quá trình gia 
10,6 
Hồng ngoại 
n Nd CO2. 
 Phi kim loại 
35
 Hình 4-2 Sơ đồ phân bố các loại sóng bức xạ của một số laser [5] (trang 17) 
8. Mật độ nguồn nhiệt lớn ( 107 ... 108 W/ cm2 . 
Có thể đạt 1010 - 1014 W/cm2. 
1- Nguồn nhiệt của tia lữa điện 
2- Nguồn nhiệt của laser có xung 
tuần hoàn (q=1010-1014 w/cm2. 
3- Nguồn nhiệt của laser liên tục có 
q = 108-109 w/cm2. 
4- Nguồn nhiệt của chùm tioa điện 
tử 
5- Nguồn nhiệt của hồ quang hàn 
6- Nguồn nhiệt của hồ quang 
plasma 
 10-2 1,0 Đ−ờng kính điểm nóng chảy, mm
2 3 4 5
6
7
1 
Q 
w/cm2
1010
106
102
 Hình 3-10 Sơ đồ mức độ tấp trung của các nguồn nhiệ
 Ng−ời ta 
chỉ trong khoảng thời gian nửa phần triệu giây nhiệt độ có 
khả năng này ng−ời ta đang nghiên cứu sử dụng chùm tia
khoan, khoét, hàn, cắt các loại vật liệu cứng và siêu cứng. 
Ngoài ra laser còn nhiều ứng dụng quan trong khác tr
trong y khoa, trong kỹ thuật ảnh, trong thông tin liên lạc, ... 
3.6.2 Khả năng ứng dụng của laser [1], [15]. 
Laser đ−ợc ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công 
nghệ laser đ−ợc sử dụng trong một số lĩnh vực sau : 
1. Laser trong công nghệ hoá học 
2. Laser trong công nghẹ vật liệu bán dẫn 
 t [6] 
 một diện tích hẹp thì 
thể đạt 8000 oC. Với 
 laser để gia công : tính rằng nếu tập trung nguồn nhiệt này lênong lĩnh vực quân sự, 
nghệ. Theo [15] công 
36
3. Laser trong công nghệ chế tạo vật liệu kim loại 
4. Laser trong công nghệ gia công vật liệu 
5. Laser -công nghệ năng l−ợng 
6. Laser trong lĩnh vực topography 
7. Laser trong các lĩnh vực khác (kiến trúc, nghệ thuật,y tế, 
 Trong chuyên đề này chỉ đề cặp đến công nghệ laser trong gia công vật 
liệu. 
Phân loại công nghệ laser trong gia công vật liệu. 
• Cắt bằng laser 
• Khoan (khoan bằng đơn xung, đa xung, khoan tế vi (d < 0,5 mm), 
• Hàn bằng laser ( Hàn, kiểm tra khuyết tật, kiểm tra cơ tính, kiểm tra 
mõi, đo độ cứng th−ờng và độ cứng tế vi, kiểm tra tổ chức kim loại,... 
• Hàn vảy (vảy hàn cứng) 
• Hàn vảy (vảy hàn mềm) 
Phân loại công nghệ laser trong công nghệ vật liệu. 
• Biến cứng bề mặt 
• Làm bóng và đông cứng bề mặt 
• Hợp kim hoá bề mặt và phủ bề mặt 
• Luyện kim bột 
1 Trong công nghiệp : 
• Gia công vật liệu với độ chính xác cao 
• Có thể hàn, cắt, khoan các loại vật liệu đặc biệt là vật liệu cứng và dòn 
nh− kim c−ơng, thuỷ tinh, sứ,... 
• Không tiếp xúc trực tiếp cơ học với vật gia công nên ít gây biến dạng 
• Có vai trò quan trọng trong sản xuất công nghiệp vi điện tử 
• Laser còn là ng−ời kiểm tra chất l−ợng lý t−ởng với độ chính xác và tin 
cậy cao nhờ có khả năng ánh sáng tập trung, hội tụ cao,... (kính hiển vi 
laser, thiết bị kiểm tra tham số hình học, thiết bị kiểm tra bề mặt,...) 
 37
2 Laser trong thông tin liên lạc 
• Truyền tin trên mặt đất và trong vũ trụ bằng tia laser vì tia sáng laser 
nh− một luồng sóng điện từ rất mạnh, định h−ớng cao, có khả năng 
mang một l−ợng thông vô cùng lớn. 
• Định vị vẹ tinh nhân tạo 
• Điều khiển hệ máy bay cất cánh và hạ cánh,... 
3 Laser trong khoa học kỹ thuật 
• Dùng tia laser công suất lớn để “bơm” năng l−ợng cho môi tr−ờng 
plassma đến nhiệt độ cần thiết cho phản ứng nhiệt hạch. 
• Sử dụng tia laser để làm giàu uranium ... 
4 Laser trong quân sự 
• Chùm tia laser - “Đại bác laser” với năng l−ợng 1014-1016 w/cm2 có thể 
làm cháy, là xuyên thủng bất kỳ mục tiêu nào. 
• Các loại máy đo cự ly, radar laser là ng−ời trinh sát tinh t−ờng và chính 
xác 
• Sử dụng laser trong điều khiển đ−ờng bay của bom, tên lữa (tên lữa 
laser, bom laser,...) sai số của bom laser khoảng 3-4 m trong khi sai số 
của bom th−ờng là 100-150m. 
5 Laser và kỹ thuật toàn hình (hologrrahy) 
• Tạo ảnh toàn hình 
• Xây dựng kỹ thuật điện ảnh toàn hình 
6 Laser trong y học 
• Tia laser - một y cụ giải phẩu tuyệt vời; (Vi phẩu thuật mắt, các vếttrên 
da, các khối u,... 
• Sử dụng tia laser trong châm cứu ; 
• Sử dụng sợi quang dẫn để truyền ánh sáng laser đến các bộ phận bên 
trong cơ thể (nh− dạ dày, ruột,... ) để chẩn đoán và điều trị 
7. ứng dụng laser trong phục chế các t−ợng đài kỷ niệm, các di tích lịch sử bị 
hoen ố, ... 
 38
8. Laser trong nông nghiệp 
• Dùng tia laser để kích thích tăng tr−ởng 
• Dùng tia laser để xử lý hạt giống, tăng tỷ lệ nảy mầm 
9. Tia laser trong lĩnh vực bảo vệ môi tr−ờng 
• ứng dụng tia laser để phân tích, kiểm tra ô nhiểm môi tr−ờng 
 39