ĐỒ ÁN CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER MINI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC DÂN LẬP PHƯƠNG ĐÔNG
KHOA ĐIỆN – CƠ ĐIỆN TỬ

ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP

Đề tài:
CHẾ TẠO MÁY KHẮC LASER MINI

Giáo viên hướng dẫn: Ths.Trần Quý Cao
Sinh viên thực hiện:
513122014

Hà Nội – 2017

Lý

Đình

Tiến

Long


LỜI CẢM ƠN

Qua thời gian thực hiện đồ án tại Xưởng thực hành cơ khí
của Trường Đại Học Phương Đông em đã rút ra được rất nhiều
kinh nghiệm thực tế em chưa được biết. Để có kiến thức thực tế
ngày hôm nay, trước hết em xin chân thành cảm ơn các thầy cô
giáo trong khoa Điện – Cơ điện tử trường ĐHDL Phương Đông đã
giảng dạy và trang bị cho em những kiến thức cơ bản, đồng thời

tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em trong quá trình học tập. Bên
cạnh đó, em xin gửi lời cảm ơn chân thành đến NCS.Ths Trần
Quý Cao đã giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn
thành tốt mọi nhiệm vụ trong quá trình làm đồ án.
Trong thời gian thực hiện đồ án tại xưởng, em đã học được rất
nhiều kiến thức thực tế. Như cách tổ chức làm việc các phòng
ban, cách làm việc và tác phong làm việc, máy móc về cơ khí,
điện tử. Đây là những kiến thức bổ ích cho công việc trong
tương lai của em.
Tôi cũng xin gửi lời cảm ơn đến các bạn sinh viên trong tập thể
lớp 513, đã cho tôi những ý kiến đóng góp giá trị khi thực hiện
đề tài này.
Trong quá trình thực hiện đồ án và làm báo cáo, do còn nhiều
sai sót. Em mong các thầy cô chỉ bảo thêm giúp em hoàn thành
và đạt kết quả tốt hơn. Em xin chân thành cảm ơn

Hà Nội, ngày………tháng………năm
2017
SINH VIÊN


TRƯỜNG ĐHDL PHƯƠNG
ĐÔNG
KHOA ĐIỆN – CƠ ĐIỆN TỬ

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM
Độc lập – Tự do – Hạnh phúc

NHIỆM VỤ THIẾT KẾ TỐT NGHIỆP

1.

Đầu đề thiết kế

…………………………………………………………………………………
………
…………………………………………………………………………………
………
…………………………………………………………………………………
………
…………………………………………………………………………………
………
2.

Các số liệu ban đầu

…………………………………………………………………………………
………
…………………………………………………………………………………
………
…………………………………………………………………………………
………
…………………………………………………………………………………
………
…………………………………………………………………………………
………


…………………………………………………………………………………
………

3.

Nội dung các phần thuyết minh và tính toán

…………………………………………………………………………………
………
…………………………………………………………………………………
………
…………………………………………………………………………………
………
…………………………………………………………………………………
………
…………………………………………………………………………………
………


4.

Các bản vẽ, đồ thị (ghi rõ các loại bản vẽ, kích thước
bản vẽ)

…………………………………………………………………………………
………
…………………………………………………………………………………
………
…………………………………………………………………………………
………
…………………………………………………………………………………
………
…………………………………………………………………………………

………
5.

Cán bộ hướng dẫn

…………………………………………………………………………………
………
…………………………………………………………………………………
………
…………………………………………………………………………………
………
…………………………………………………………………………………
………
…………………………………………………………………………………
………
6.

Ngày

được

giao:

…………………………………………………………………
7.

Ngày

hoàn

thành:

………………………………………………………………
Hà Nội, ngày………tháng………năm 2017


CHỦ NHIỆM KHOA
(ký và ghi rõ họ tên)

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN
(ký và ghi rõ họ tên)

SINH VIÊN THỰC HIỆN
đã hoàn thành và nộp toàn bộ bản thiết kế cho Khoa
(ký và ghi rõ họ tên)

TRƯỜNG ĐHDL PHƯƠNG
ĐÔNG
KHOA ĐIỆN – CƠ ĐIỆN TỬ

TIẾN ĐỘ THỰC HIỆN ĐỒ ÁN TỐT NGHIỆP
Họ và tên:

…………………………………………………

Mã

số:

…………………

STT

NGÀY

NỘI DUNG CÔNG VIỆC

%
CÔNG
VIỆC

GVHD
(ký)

KIỂM
TRA

1
2
3
4
5

Sau 4 lần kiểm tra tiến độ, khoa Điện – Cơ điện tử và Giáo
viên hướng dẫn đồng ý cho phép:
sinh viên:………………………………………………… mã
…………………

số:

sinh viên:………………………………………………… mã

số:

…………………
sinh viên:………………………………………………… mã

số:

…………………
được trình bày đồ án tốt nghiệp trước Hội đồng bảo vệ đồ án tốt
nghiệp.
KHOA ĐIỆN – CƠ ĐIỆN TỬ
Chủ nhiệm khoa

Giáo viên hướng dẫn

Ghi chú: Sinh viên chỉ được bảo vệ ĐATN sau khi đã có đầy đủ
chữ ký của Giáo viên kiểm tra tiến độ, Giáo viên hướng dẫn và
Ban chủ nhiệm Khoa.


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Hà Nội, ngày…………tháng…………năm
2017
GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN
(ký và ghi rõ họ tên)


NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………

……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………

Hà Nội, ngày…………tháng…………năm
2017
GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN
(ký và ghi rõ họ tên)


MỤC LỤC
………………………………………………………………………...

PHẦN 2: NỘI DUNG ĐỀ TÀI.
CHƯƠNG

1:

TỔNG

QUAN…………………………………………………..
1.1. TỔNG QUAN VỀ KỸ THUẬT LASER.
1.1.1. khái

niệm

về

…………………………………………
1.1.2. Đặc

của

…………………………………………
quan

………………………….

về

sáng

ánh

sáng

1

tính

1.1.3. Tổng

ánh

2

gia

công

bằng

tia

laser

3

1.1.4. Các loại laser …………………………………………………..
25
1.1.5. Ưu nhược điểm và phạm vi ứng dụng của công nghệ
laser …….29
CHƯƠNG 2: THIẾT KẾ THIẾT BỊ LASER.
2.1. Tìm hiểu lý thuyết và giới thiệu về đầu phát laser
2.1.1. Phân loại laser …………………………………………………
31

2.1.2. So

sánh

………………………
2.2.

các

loại

laser

trong

công

nghiệp

34

Thiết kế hệ thống điện, điện tử phát laser hồng

ngoại
2.2.1. Cấu tạo ……….…………………………………………………
39
CHƯƠNG 3: TÍNH TOÁN ĐỘNG, LỰC HỌC, THIẾT KẾ CƠ
KHÍ.

3.1. Tính toán động học và động lực học thiết bị
3.1.1. Chọn động cơ …………………………………………………
41
3.1.2. Chọn

công

suất

động

cơ

động

cơ

……………………………… 43
3.1.3.

Chọn

số

cơ………………………………

vòng

quay

của

động

43

3.1.4. Tính toán chọn trục……………………………………………
44
3.1.5.

Chọn ổ bi …………………………………………………..…

45
3.2.

Thiết

kế

hệ

khiển…………………………………………

thống

điều

46

3.3.Thiết kế hệ thống cơ khí.

…………………………………………
3.3.1.

48

Các bản vẽ máy khắc laser

3.1.1. Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của cơ cấu cơ khí
………

48

3.1.2. Các

chi

tiết

và

khung

máy

hoàn

chỉnh

…………………….… 49

Chương 4: THIẾT KẾ HỆ THỐNG ĐIỆN ĐIỀU KHIỂN.
4.1.

Sơ đồ điện máy khắc laser

4.1.1. Sơ đồ khối và nguyên lý hoạt động của phần điều
khiển ……53
4.1.2. Các khối điều khiển ………………………………………..…
54


4.1.3. Sơ

đồ

kết

……………………………

nối

các

khối

điều

khiển

60

Chương 5: PHẦN MỀM ĐIỀU KHIỂN, THỬ NGHIỆM, KIỂM
TRA ĐỘ CHÍNH XÁC.
5.1. Lập trình điều khiển máy khắc laser cho 1 số đối
tượng điển hình
5.1.1. Phần

mềm

(Inkscape………………………………
5.1.2.

G-code

62

Phần mềm điều khiển máy khắc laser (Grbl

Controller………
5.1.3.

tạo

63

Hướng dẫn vận hành cho 1 đối tượng điển

hình…………..…

64

5.2. Kiểm tra độ chính xác của máy khắc laser……….
………………… 69
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ……………………………………………
1. Kết luận………………………………………………………………...
2. Kiến nghị……………………………………………………………….
TÀI LIỆU THAM KHẢO……………………………………………….


DANH MỤC HÌNH ẢNH:
Hình 1.1: Sơ đồ phân bố ánh sang
Hình 1.2: Một số loại laser thông dụng
Hình 1.3: Các quá trình tự phát và cưỡng bức
Hình 1.4: Biểu đồ năng lượng laser 3 mức và 4 mức
Hình 1.5: Phát hiện maser vũ trụ
Hình 1.6 Sự phát xạ cưỡng bức trong hộp laser
Hình 1.7: Mode cộng hưởng hộp và dải thông độ lợi
Hình 1.8: Mode ngang của chùm laser
Hình 1.9: Diode laser bán dẫn
Hình 1.10: sơ đồ năng lượng của laser bán dẫn
Hình 2.1: Sơ đồ phân loại laser
Hình 2.2: Ống laser CO2
Hình 2.3: Các thanh tinh thể laser Nd:YAG và đèn flash
Hình 2.4: khối phát laser Nd:YAG được kích bằng laser bán dẫn
Hình 2.5: Nguồn phát laser sợi quang
Hình 2.6: các khối laser bán dẫn công suất cao
Hình 2.7.Đầu Laser Diode 405nm + Driver
Hình 3.1 Động cơ bước.
Hình 3.2: Động cơ servo
Hình 3.3 : Module arduino

Hình 3.4: Module điều khiển động cơ bước
Hình 3.5. Sơ đồ nguyên lý cơ cấu di chuyển
Hình 3.6: Nhôm định hình làm khung máy laser
Hình 3.7: Mica bắt giữ động cơ trục X
Hình 3.8: Ke nhôm bắt giữ các khớp khung
Hình 3.9: Mica bắt, giữ cân bằng động cơ
Hình 3.10: Mica bắt giữ động cơ trục Y


Hình 3.11: Động cơ bước
Hình 3.12: Bản vẽ lắp máy khắc laser hoàn thiện
Hình 4.1: Sơ đồ khối hệ thống điều khiển
Hình 4.2: Khối nguồn
Hình 4.3: Khối điều khiển trung tâm
Hình 4.4: Nguyên lí mạch Arduino uno R3
Hình 4.5: Module cnc shield V3
Hình 4.6: Nguyên lí mạch cnc shield v3
Hình 4.8: Driver laser
Hình 4.9: Động cơ bước
Hình 4.10: Laser diode
Hình 4.11: Sơ đồ kết nối cnc shield với arduino UNO
Hình 4.12: Sơ đồ kết nối cnc shield với các modul và thiết bị laser
Hình 5.1: giao diện của phần mềm Inkscape
Hình 5.2: Khung cài đặt thông số
Hình 5.3: giao diện của phần mềm Grbl Controller
Hình 5.4: Khung làm việc Inkscape
Hình 5.5: Tạo đối tượng cần khắc
Hình 5.6: Tạo G-code
Hình 5.7: Chạy máy khắc laser
Hình 5.8. Sản phẩm

Hình 5.9: Khắc kiểm tra lần 1
Hình 5.10: Khắc kiểm tra lần 2
DANH MỤC KÝ HIỆU, CHỮ VIẾT TẮT
XHCN:

Xã hội chủ nghĩa

ĐC:

Động cơ

CNTT:

Công nghệ thông tin


PHẦN 1: ĐẶT VẤN ĐỀ
Các nước phát triển trên thế giới, sự đột phá về khoa học
kỹ thuật đã giúp họ tìm ra những kỹ thuật tiên tiến áp dụng
trong sản xuất, chế tạo. Nhằm tạo ra những công cụ giảm sức
lao động của con người mà năng suất, hiệu quả kinh tế đạt ở
mức độ cao. Trong ngành chế tạo máy thì không ngừng đổi mới
những tính năng của máy, quá trình tự động hóa, các phần
mềm ứng dụng tin học được đưa vào trong kỹ thuật chế tạo. Do
vậy các thiết bị sản xuất được tự động hóa cao nhờ sự hỗ trợ
của hệ thống điều khiển số bằng máy tính đã có mặt ở các nhà
máy, xí nghiệp…
Với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học và công nghệ,
cùng với những diễn biến phức tạp của cuộc cạnh tranh thị
trường hàng hóa thế giới, CNC đóng vai trò rất quan trọng đối

với sự phát triển nền kinh tế của xã hội.
Chúng ta đang sống trong một thời đại mới, thời đại phát
triển rực rỡ của công nghệ thông tin (CNTT). CNTT đã ở một
bước phát triển cao đó là số hóa tất cả các dữ liệu thông tin,
luân chuyển mạnh mẽ và kết nối tất cả chúng ta lại với nhau.
Mọi loại thông tin, số liệu âm thanh, hình ảnh có thể được đưa
về dạng kỹ thuật số để bất kỳ máy tính nào cũng có thể lưu trữ,
xử lý và chuyển tiếp cho nhiều người.
Những công cụ và sự kết nối của thời đại kỹ thuật số cho
phép chúng ta dễ dàng thu thập, chia sẻ thông tin và hành
động trên cơ sở những thông tin này theo phương thức hoàn
toàn mới, kéo theo hàng loạt sự thay đổi về các quan niệm, các
tập tục, các thói quen truyền thống, và thậm chí cả cách nhìn
các giá trị trong cuộc sống.Đến thời điểm hiện nay, việc ứng
dụng CNTT trong cuộc sống, công việc cũng như nhiều lĩnh vực
khác đã và đang được áp dụng phổ biến rộng rãi hơn.Xu hướng
công nghệ dù đi tới đâu cũng đều nhằm phục vụ và cải thiện đời
sống con người, trong đó, sẽ có những công nghệ và phát minh
có thể thay đổi toàn diện cuộc sống con người.
Những xu hướng công nghệ sẽ thay đổi cuộc sống tương lai:
1. Trí tuệ nhân tạo- Robot.
2. Công nghệ CNC.


3. Smart home.
4. Điện toán đám mây.
5. Thương mại điện tử.
6. Thực tế ảo.

PHẦN 2: NỘI DUNG ĐỀ TÀI
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN
1.1.
Tổng quan về kỹ thuật laser:
1.1.1. Khái niệm về ánh sáng

Ánh sáng là một dạng sóng có mang năng lượng, lan
truyền trong không gian với vận tốc 300.000 Km/s, để đi một
quãng đường 1mm nó cần 3000 femto giây (10-15s). 1 femto s =
10-15s
Ánh sáng vừa có tính chất sóng (có bước sóng) vừa mang
tính chất hạt mang năng lượng (chuyển động có vận tốc, gia
tốc, động năng và thế năng).
Sóng ánh sáng được chia làm 3 miền
Ánh sáng không nhìn thấy được: dải vũ trụ, tia , tia X, tia tử
ngoại. Có bước sóng . Trong đó:
Tia tử ngoại: .
Dải tia X: .
Dải tia : .
• Ánh sáng mặt trời nhìn thấy được: có . Trong đó:
- Tím:
- Lục:
- Vàng:
- Cam:
- Đỏ:
• Ánh sáng không nhìn thấy được:
- Dải hồng ngoại:
- Sóng viba:
- Sóng rada:
- Sóng television:

- Sóng radio:
- Sóng điện xoay chiều f=50hz
•
2.
3.
4.

17


Sơ đồ phân bố ánh sáng theo bước sóng:

Hình 1.1: Sơ đồ phân bố ánh sáng
1.1.2. Đặc tính của ánh sáng
Ánh sáng là một môi trường điện từ tần số cao, không giống
trường điện từ khác. Nó định vị trong không gian và thời gian.


Theo không gian: người ta hội tụ ánh sáng bằng kính hiển



vi, thấu kính…
Theo thời gian: ánh sáng lan truyền có tần số, tốc độ, bước
sóng.

Ánh sáng vừa có tính chất sóng, vừa có tính chất hạt (photon).
Năng lượng của photon theo Einstein:
E = h.v( J )

Trong đó:
E là năng lượng (eV)
h là hằng số Planck

(h = 6, 625.10−34 j.s )

v là tần số (1/s)
Ánh sáng tạo nên một áp lực (áp lực ánh sáng). Trong đời
sống hằng ngày hiệu ứng này quá nhỏ và ít được quan tâm đến.
Ví dụ:
18


•

Trọng lực 1 chiếc xe du lịch nặng hơn so với nó khi ở trong

•

bóng dâm chưa tới 1 mgr
Đuôi sao chổi bị ánh sáng đẩy ra phía sau khi nó gần mặt
trời

Lực do ánh sáng laser tạo ra với một công suất W được xác định
theo công thức:
F=

γ .w
c

Trong đó:
F là lực do ánh sáng tạo nên
là hệ số vật liệu (vật thể màu đen )
W là công suất nguồn sáng
C là tốc độ truyền sóng ánh sáng

(c = 3.1010 cm / s)

1.1.3. Tổng quan về gia công bằng tia Laser
Ánh sáng tự nhiên và ánh sáng nhân tạo thông thường
được phát ra bởi sự thay đổi năng lượng ở các mức nguyên tử và
phân tử xảy ra mà không cần có sự can thiệp từ bên ngoài. Tuy
nhiên, loại ánh sáng thứ hai tồn tại và xảy ra khi nguyên tử hay
phân tử vẫn giữ năng lượng dư thừa của nó cho đến khi bị
cưỡng bức phải phát ra năng lượng dưới dạng ánh sáng. Laser
được chế tạo để tạo ra và khuếch đại dạng ánh sáng cưỡng bức
này thành các chùm cường độ mạnh và tập trung. Laser là từ
viết

tắt

của Light Amplification

by

theStimulated Emission

of Radiation (Khuếch đại ánh sáng bằng sự phát bức xạ cưỡng
bức). Tính chất đặc biệt của ánh sáng laser khiến cho kĩ thuật
laser trở thành một công cụ thiết yếu trong hầu như mọi mặt

đời sống hàng ngày, như viễn thông, giải trí, sản xuất và y
khoa. Albert Einstein đã tình cờ đặt bước đầu tiên trong sự phát
triển laser với việc nhận thấy có khả năng có hai loại phát xạ.
19


Trong một bài báo công bố năm 1917, ông là người đầu tiên đề
xuất sự tồn tại của phát xạ cưỡng bức. Trong nhiều năm, các
nhà vật lí cho rằng sự phát xạ tự phát của ánh sáng là hình thức
khả dĩ và trội nhất, và bất cứ sự phát xạ cưỡng bức nào cũng
đều phải yếu hơn nhiều lần. Mãi đến sau Thế chiến thứ hai,
người ta mới bằt đầu tìm kiếm những điều kiện cần thiết cho sự
phát xạ cưỡng bức chiếm ưu thế, và làm cho một nguyên tử hay
phân tử kích thích nguyên tử hay phân tử khác, tạo ra hiệu ứng
khuếch đại ánh sáng phát xạ.
Một nhà khoa học tại trường đại học Columbia , Charles H.
Townes, là người đầu tiên thành công trong việc khuếch đại bức
xạ cưỡng bức hồi đầu thập niên 1950, nhưng nghiên cứu của
ông tập trung vào các sóng viba (có bước sóng dài hơn nhiều so
với bước sóng ánh sáng khả kiến), và ông đặt tên cho dụng cụ
của mình là maser. Các nhà khoa học khác theo chân ông chế
tạo maser thành công, và một lượng đáng kể các nỗ lực tập
trung vào cố gắng tạo ra bức xạ cưỡng bức ở các bước sóng
ngắn hơn. Nhiều khái niệm cơ sở cho sự ra đời của laser được
phát triển cũng khoảng thời gian đó, cuối thập niên 1950, bởi
Townes và Arthur Schawlow (thuộc Phòng thí nghiệm Bell ) và
bởi Gordon Gould ở trường đại học Columbia . Gould đi thẳng tới
việc đăng kí bằng sáng chế chứ không công bố ý tưởng của
mình, và mặc dù ông được công nhận là người đặt ra từ “laser”,
nhưng cũng phải mất gần 30 năm sau ông mới nhận được một

vài bằng sáng chế. Vẫn có sự bất đồng về người xứng đáng
được công nhận cho khái niệm laser. Hai người Xô Viết, Nikolai
Basov và Aleksander Prokhorov, cùng chia giải Nobel vật lí năm
1964 với Townes cho nghiên cứu tiên phong của họ về các
nguyên lí nền tảng cho maser và laser. Schawlow thì chia giải
Nobel vật lí năm 1981 cho nghiên cứu của ông về laser.
20


Việc công bố công trình của Schawlow và Townes kích
thích một nỗ lực to lớn nhằm chế tạo một hệ laser hoạt động
được. Tháng 5/1960, Theodore Maiman, làm việc tại Phòng
nghiên cứu Hughes, chế tạo được một dụng cụ bằng thỏi ruby
tổng hợp, được công nhận là laser đầu tiên. Laser ruby của
Maiman phát ra các xung ánh sáng đỏ kết hợp cường độ mạnh
có bước sóng 694 nanomet, trong một chùm hẹp có mức độ tập
trung cao, khá tiêu biểu cho những đặc tính biểu hiện bởi nhiều
laser hiện nay. Laser đầu tiên dùng một thỏi ruby nhỏ có hai
đầu mạ bạc để phản xạ ánh sáng, bao quanh bởi một đèn flash
xoắn ốc, và đủ nhỏ để cầm trong tay. Điều thú vị là nhà nhiếp
ảnh được Phòng thí nghiệm Hughes ủy quyền để quảng cáo
phát minh mới cho rằng laser thực tế quá nhỏ và chụp Maiman
trong tư thế với laser lớn hơn mãi đến sau này vẫn không hoạt
động được. Bức ảnh chụp Maiman cùng với laser “hoành tráng
hơn” đó vẫn được lưu truyền và sử dụng trong nhiều ấn phẩm.
Mặc dù laser phát ra ánh sáng khả kiến là phổ biến nhất,
nhưng các nguyên lí cơ bản có thể áp dụng được cho nhiều
vùng phổ điện từ. Sự phát xạ cưỡng bức đầu tiên thu được trong
vùng vi ba của phổ điện từ, nhưng hiện nay laser có mặt trên thị
trường còn phát ra ánh sáng cực tím và hồng ngoại, và tiến bộ

đang được thực hiện theo hướng tạo ra laser trong vùng phổ tia
X. Các laser thực tế được sử dụng hiện nay có công suất phát từ
dưới 1 miliwatt cho đến nhiều kilowatt, và một số tạo ra cả
nghìn tỉ watt trong những xung cực ngắn. Hình 2 cho thấy một
số loại laser điển hình, có kích thước đủ cỡ và ứng dụng rộng
rãi. Các phòng thí nghiệm thuộc quân đội và phòng thí nghiệm
khác đã chế tạo được những thiết bị laser chiếm cả một tòa
nhà, trong khi những laser phổ biến nhất sử dụng dụng cụ bán
dẫn kích thước bằng một hạt cát.
21


Để hiểu được các nguyên lí cơ bản của laser, điều cần thiết
là phải giải thích cách thức bức xạ cưỡng bức được tạo ra và
khuếch đại. Nguyên lí đầu tiên trong số các nguyên lí này là cần
thiết, bởi vì laser vốn dĩ là một dụng cụ cơ lượng tử và bản chất
lượng tử của năng lượng phải được kể đến để giải thích hoạt
động của laser. Vật lí cổ điển cho rằng năng lượng có thể biến
thiên liên tục và đều đặn, và các nguyên tử và phân tử có thể có
bất kì lượng năng lượng nào. Công trình nghiên cứu của
Einstein, cáo trở thành chìa khóa cho sự phát triển của cơ học
lượng tử, cho rằng năng lượng tồn tại trong từng đơn vị gián
đoạn, hay lượng tử, và các nguyên tử và phân tử (và do đó là
mọi đối tượng khác) bị hạn chế chỉ có những lượng năng lượng
gián đoạn nhất định.

Hình 1.2: Một số loại laser thông dụng
Thêm một vài khái niệm nữa cũng cần thiết để hiểu được
hoạt động laser, bắt đầu là photon và mức nguyên tử và xuất
phát từ nguyên tắc lượng tử hóa:

•

Sự lượng tử hóa năng lượng trong nguyên tử làm cho

•

nguyên tử có các mức năng lượng gián đoạn.
Sự chuyển từ mức năng lượng này sang mức năng lượng
khác phải xảy ra cùng với sự phát xạ ánh sáng.

22


•

Một số loại chuyển trạng thái xảy ra và ảnh hưởng đến

•

lượng năng lượng trong sự chuyển đó.
Sự phát xạ tự phát và cưỡng bức có thể xảy ra do sự

•

chuyển mức năng lượng.
Nghịch đảo dân cư giữa các mức năng lượng phải thu được
để khuếch đại sự phát bức xạ cưỡng bức.
Nếu như nguyên tử hay phân tử nằm ở một trạng thái năng

lượng cao hơn trạng thái thấp nhất, hay trạng thái cơ bản, nó có

thể tự phát rơi xuống mức năng lượng thấp hơn mà không cần
kích thích từ bên ngoài. Một kết quả có thể xảy ra của sự rơi làm
giảm trạng thái năng lượng là giải phóng năng lượng dư thừa
(bằng với sự chênh lệch giữa hai mức năng lượng) dưới dạng
một photon ánh sáng. Nguyên tử hay phân tử kích thích có một
thời gian phát xạ đặc trưng, đó là thời gian trung bình mà chúng
vẫn giữ được trạng thái năng lượng kích thích cao hơn trước khi
rơi xuống mức năng lượng thấp hơn và phát ra photon. Thời
gian phát xạ là một nhân tố quan trọng trong việc tạo ra phát
xạ cưỡng bức, loại phát xạ thứ hai mà Einstein nêu ra.
Còn ở trạng thái kích thích, nếu nguyên tử được rọi với
photon đến có cùng năng lượng chính xác như năng lượng mà
sự chuyển trạng thái có thể xảy ra tự phát, nguyên tử có thể bị
cưỡng bức bằng photon đến để quay trở lại trạng thái năng
lượng thấp hơn và đồng thời phát ra một photon có cùng năng
lượng chuyển trạng thái. Một photon riêng lẻ tương tác với một
nguyên tử bị kích thích do đó có thể tạo ra hai photon phát xạ.
Nếu các photon phát xạ được xem là sóng, thì sự phát xạ cưỡng
bức sẽ dao động cùng tần số với ánh sáng tới, và cùng pha (kết
hợp), kết quả là làm khuếch đại cường độ của ánh sáng ban
đầu. Hình 1.15 minh họa sự phát xạ tự phát (a) và cưỡng bức (b)
với hai sóng kết hợp như trường hợp thứ hai ở trên.
23


Hình 1.3: Các quá trình tự phát và cưỡng bức
Vấn đề quan trọng nhất trong việc thu được phát xạ laser
cưỡng bức là dưới những điều kiện cân bằng nhiệt động lực học
bình thường, dân cư, hay số nguyên tử hoặc phân tử ở mỗi mức
năng lượng, không thuận lợi cho sự phát xạ cưỡng bức. Do các

nguyên tử và phân tử có xu hướng tự rơi xuống các mức năng
lượng thấp hơn nên số nguyên tử hay phân tử ở mỗi mức sẽ
giảm khi năng lượng tăng. Thật vậy, dưới những điều kiện bình
thường, đối với một sự chuyển mức năng lượng ứng với một
bước sóng quang điển hình (vào bậc 1 electron-volt), tỉ số của
số nguyên tử hay phân tử ở trạng thái năng lượng cao hơn và số
nguyên tử hay phân tử ở trạng thái cơ bản thấp hơn có lẽ là
1017. Nói cách khác, hầu như tất cả các nguyên tử hay phân tử ở
vào trạng thái cơ bản đối với sự chuyển mức năng lượng ánh
sáng khả kiến.
Một lí do khiến sự phát xạ cưỡng bức khó thu được trở nên
hiển nhiên khi xem xét các sự kiện có khả năng xảy ra quanh sự
phân hủy của một electron từ một trạng thái kích thích với sự
phát xạ ánh sáng sau đó và tự phát. Ánh sáng phát xạ có thể dễ
dàng kích thích sự phát xạ từ các nguyên tử bị kích thích khác,
nhưng một số cỏ thể gặp phải nguyên tử ở trạng thái cơ bản và
bị hấp thụ chứ không gây ra phát xạ (hình 1.15c). Do số nguyên
24


tử ở trạng thái kích thích ít hơn nhiều so với số nguyên tử ở
trạng thái cơ bản nên photon phát xạ có khả năng bị hấp thụ
nhiều hơn, bù lại thì số phát xạ cưỡng bức cũng không đáng kể
so với phát xạ tự phát (ở trạng thái cân bằng nhiệt động lực
học).
Cơ chế làm cho phát xạ cưỡng bức có thể lấn át là phải có
số nguyên tử ở trạng thái kích thích nhiều hơn số nguyên tử ở
trạng thái năng lượng thấp hơn, sao cho các photon phát xạ có
khả năng gây kích thích phát xạ nhiều hơn là bị hấp thụ. Do
điều kiện này là nghịch đảo trạng thái cân bằng ban đầu nên nó

được gọi là sự nghịch đảo dân cư. Miễn là có nhiều nguyên tử ở
trạng thái năng lượng cao hơn so với ở trạng thái năng lượng
thấp hơn, thì phát xạ cưỡng bức sẽ lấn át và ta thu được dòng
thác photon. Photon phát xạ ban đầu sẽ kích thích sự phát xạ
của nhiều photon hơn, những photon này sau đó lại kích thích
sự phát xạ ra nhiều photon hơn nữa, và cứ thế tiếp diễn. Kết
quả là dòng thác photon tăng lên, ánh sáng phát xạ được
khuếch đại. Nếu sự nghịch đảo dân cư chấm dứt (dân cư ở trạng
thái cơ bản trở nên lấn át) thì phát xạ tự phát sẽ trở lại là quá
trình chủ yếu.
Vào khoảng thời gian Einstein đề xuất ý tưởng, đa số các
nhà vật lí tin rằng bất cứ điều kiện nào không phải ở trạng thái
cân bằng nhiệt động lực học đều không bền và không thể được
duy trì liên tục. Mãi đến sau Thế chiến thứ hai, người ta mới xem
xét đến các phương pháp tạo ra sự nghịch đảo dân cư cần thiết
để duy trì phát xạ cưỡng bức. Các nguyên tử và phân tử có thể
chiếm giữ nhiều mức năng lượng, và mặc dù một số sự chuyển
trạng thái có khả năng xảy ra hơn so với một số sự chuyển
trạng thái khác (do các quy luật của cơ học lượng tử và vì những
25