Nghiên cứu ảnh hưởng của chế độ công nghệ đến năng suất và chất lượng khi gia công bằng tia laser

Bộ giáo dục v đo tạo
Vũ xuân trờng

Trờng đại học bách khoa h nội
*****

Vũ xuân trờng

Nghiên cứu ảnh hởng của chế độ
công nghệ đến năng suất v chất
Công nghệ cơ khí

lợng khi gia công bằng tia laser

Luận văn thạc sĩ khoa học
Ngnh: công nghệ cơ khí

2006-2008
H nội - 2008


Bộ giáo dục v đo tạo
Trờng đại học bách khoa h nội
*****

Vũ xuân trờng

Nghiên cứu ảnh hởng của chế độ
công nghệ đến năng suất v chất
lợng khi gia công bằng tia laser

Luận văn thạc sĩ khoa học
Ngnh: công nghệ cơ khí

hớng dẫn khoa học:

Gs. TS Trần Văn địch
Trờng đại học b¸ch khoa Hμ Néi

Hμ néi - 2008


mục lục
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt ........................................................................ 4
Danh mục các bảng biểu ....................................................................................... 7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ................................................................................ 7
Mở đầu

......................................................................................................... 9

Chơng 1

Tổng quan về laser....................................................................... 10

1.1
1.2
1.3

1.3.1
1.3.2
1.3.3
1.4
1.4.1
1.4.2
1.4.3
1.5
1.6
1.6.1
1.6.2
1.7
1.7.1
1.7.2
1.7.3
1.7.4
1.7.5

Lịch sử phát triển ................................................................................. 10
Cơ sở vật lý laser .................................................................................. 10
Cấu tạo v nguyên lý lm việc của máy phát laser .............................. 13
Hoạt chÊt .............................................................................................. 14 
Buång céng h−ëng ............................................................................... 14 
Bé phËn kÝch thÝch ............................................................................... 14
Các loại nguồn phát laser ..................................................................... 15
Laser rắn............................................................................................... 15
Laser lỏng............................................................................................. 17
Laser khí............................................................................................... 18
Các thông số cơ bản của chùm laser .................................................... 20
Các loại máy laser dùng trong công nghiệp ......................................... 21

Máy phát laser rắn................................................................................ 22
Máy phát laser khí................................................................................ 22
Quá trình tơng tác giữa chùm tia laser v vật liệu gia công ............... 23
Phơng trình truyền nhiệt tổng quát .................................................... 23
Điều kiện biên của sự truyền nhiệt ...................................................... 24
Phân bố nhiệt trong hệ toạ độ trụ ......................................................... 24
Đốt nóng vật không có hiện tợng chuyển dịch pha ........................... 25
Đốt nóng vật liệu có sự chuyển dịch nhiều pha ................................... 26

Chơng 2 

øng dơng laser trong c«ng nghiƯp ............................................. 30 

2.1 
øng dơng laser ®Ĩ c¾t vËt liƯu .............................................................. 33 
2.1.1  Giíi thiƯu chung ................................................................................... 33 


2.1.2 Các thông số công nghệ của quá trình cắt bằng laser .......................... 34
2.1.3 Các phơng pháp cắt vật liệu b»ng laser .............................................. 34 
2.2 
2.2.1 
2.2.2 
2.2.3 
2.2.4 
2.2.5 

øng dơng laser ®Ĩ hμn vËt liƯu ............................................................. 37 
Giíi thiƯu chung ................................................................................... 37 
C¬ chÕ hμn laser ................................................................................... 37

Hn truyền nhiệt................................................................................... 41
Hn kiểu lỗ khoá .................................................................................. 41
Các thông số công nghệ của quá trình hn bằng laser ......................... 42 

2.3 
øng dơng laser ®Ĩ nhiƯt lun vμ xư lý bỊ mặt .................................... 42
2.3.1 Giới thiệu chung ................................................................................... 42
2.3.2 Các thông số công nghệ chủ yếu ......................................................... 43
2.4
Các ứng dụng khác ............................................................................... 43
Chơng 3 Cắt với tia laser CO2 - Các thông số công nghệ ảnh hởng .... 45
3.1
Mối quan hệ giữa các tham số công nghệ ............................................ 45
3.2
3.3
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.4

ảnh hởng của các tham số công nghệ lên chất lợng gia công. ........ 46
Sơ đồ khối của quá trình cắt bằng tia laser .......................................... 47
Đờng kính điểm hội tụ ....................................................................... 48
Độ sâu hội tụ ........................................................................................ 49
Vật liệu gia công .................................................................................. 50
Mô hình hóa quá trình gia công vật liệu bằng chùm tia Laser thông
qua lí thuyết nhiệt................................................................................. 51
3.5
Đối tợng nghiên cứu khi gia công bằng laser. ................................... 54
3.5.1 Đại lợng chất lợng bề mặt cắt v độ chính xác gia công - độ rộng

mạch cắt ............................................................................................... 54
3.5.2 ảnh hởng của các tham số công nghệ lên chất lợng cắt bằng tia
laser ...................................................................................................... 55
3.5.3 Lựa chọn đối tợng nghiên cứu ........................................................... 56
Chơng 4 Nghiên cứu thực nghiệm cắt kim loại trên máy laser LC1000
CO2-CNC ..................................................................................... 57
4.1
Thiết bị thí nghiệm ............................................................................... 57
4.1.1 Gá mẫu ................................................................................................. 58
4.1.2 Chuẩn bị mẫu ....................................................................................... 59
4.1.3 Điều kiện tiến hμnh thÝ nghiÖm ............................................................ 60 
4.2 
ThiÕt kÕ thÝ nghiÖm .............................................................................. 61 
4.2.1  Mô hình định tính quá trình gia công cắt với tia laser ......................... 61 


4.2.2 
4.3 
4.3.1 
4.3.2 

ThiÕt kÕ c¸c thÝ nghiƯm ........................................................................ 62 
Thùc hiƯn thÝ nghiƯm ........................................................................... 64
Thí nghiệm thăm dò khả năng công nghệ của thiết bị ......................... 64
Thí nghiệm khảo sát ảnh hởng đơn của một số thông số công nghệ
đến chất lợng mạch cắt. ...................................................................... 65
4.4
Quy hoạch thực nghiệm v xây dựng mô hình toán học...................... 75
4.4.1 Thí nghiệm khảo sát ảnh hởng đồng thời của các thông số công nghệ
đến quá trình cắt bằng tia laser. ........................................................... 75

4.4.2 Thiết kế quy hoạch thực nghiệm .......................................................... 75
4.4.3 Lựa chọn các thông số công nghệ cần nghiên cứu .............................. 76
4.4.4 Qui hoạch thực nghiệm xác định mô hình toán học ............................ 77
Kết luận
....................................................................................................... 96
Ti liệu tham khảo
Tóm tắt luận văn
Phụ lục


1
mục lục
Trang
Trang phụ bìa
Lời cam đoan
Mục lục
Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt ........................................................................ 4
Danh mục các bảng ............................................................................................... 7
Danh mục các hình vẽ, đồ thị ................................................................................ 7
Mở đầu

......................................................................................................... 9

Chơng 1

Tổng quan về laser....................................................................... 11

1.1
1.2
1.3

1.3.1
1.3.2
1.3.3
1.4
1.4.1
1.4.2
1.4.3
1.5
1.6
1.6.1
1.6.2
1.7
1.7.1
1.7.2
1.7.3
1.7.4
1.7.5

Lịch sử phát triển ................................................................................. 11
Cơ sở vật lý laser .................................................................................. 11
Cấu tạo v nguyên lý lm việc của máy phát laser .............................. 13
Hoạt chất .............................................................................................. 14 
Buång céng h−ëng ............................................................................... 14 
Bé phËn kÝch thÝch ............................................................................... 14
Các loại nguồn phát laser ..................................................................... 15
Laser rắn............................................................................................... 15
Laser lỏng............................................................................................. 17
Laser khí............................................................................................... 17
Các thông số cơ bản của chùm laser .................................................... 20
Các loại máy laser dùng trong công nghiệp ......................................... 21

Máy phát laser rắn................................................................................ 22
Máy phát laser khí................................................................................ 22
Quá trình tơng tác giữa chùm tia laser v vật liệu gia công ............... 23
Phơng trình truyền nhiệt tổng quát .................................................... 23
Điều kiện biên của sự truyền nhiệt ...................................................... 24
Phân bố nhiệt trong hệ toạ độ trụ ......................................................... 24
Đốt nóng vật không có hiện tợng chuyển dịch pha ........................... 25
Đốt nóng vật liệu có sự chuyển dịch nhiều pha ................................... 26

Chơng 2

ứng dụng laser trong công nghiệp ............................................. 30

2.1
ứng dụng laser để c¾t vËt liƯu .............................................................. 33 
2.1.1  Giíi thiƯu chung ................................................................................... 33 


2
2.1.2 Các thông số công nghệ của quá trình cắt bằng laser .......................... 34
2.1.3 Các phơng pháp cắt vật liệu b»ng laser .............................................. 34 
2.2 
2.2.1 
2.2.2 
2.2.3 
2.2.4 
2.2.5 

øng dơng laser ®Ĩ hμn vËt liƯu ............................................................. 37 
Giíi thiƯu chung ................................................................................... 37 

C¬ chÕ hμn laser ................................................................................... 38
Hn truyền nhiệt................................................................................... 41
Hn kiểu lỗ khoá .................................................................................. 41
Các thông số công nghệ của quá trình hn bằng laser ......................... 42 

2.3 
øng dơng laser ®Ĩ nhiƯt lun vμ xư lý bỊ mặt .................................... 42
2.3.1 Giới thiệu chung ................................................................................... 42
2.3.2 Các thông số công nghệ chủ yếu ......................................................... 43
2.4
Các ứng dụng khác ............................................................................... 43
Chơng 3 Cắt với tia laser CO2 - Các thông số công nghệ ảnh hởng .... 45
3.1
Mối quan hệ giữa các tham số công nghệ ............................................ 45
3.2
3.3
3.3.1
3.3.2
3.3.3
3.4

ảnh hởng của các tham số công nghệ lên chất lợng gia công. ........ 46
Sơ đồ khối của quá trình cắt bằng tia laser .......................................... 47
Đờng kính điểm hội tụ ....................................................................... 48
Độ sâu hội tụ ........................................................................................ 49
Vật liệu gia công .................................................................................. 50
Mô hình hóa quá trình gia công vật liệu bằng chùm tia Laser thông
qua lí thuyết nhiệt................................................................................. 51
3.5
Đối tợng nghiên cứu khi gia công bằng laser. ................................... 54

3.5.1 Đại lợng chất lợng bề mặt cắt v độ chính xác gia công - độ rộng
mạch cắt ............................................................................................... 54
3.5.2 ảnh hởng của các tham số công nghệ lên chất lợng cắt bằng tia
laser ...................................................................................................... 55
3.5.3 Lựa chọn đối tợng nghiên cứu ........................................................... 56
Chơng 4 Nghiên cứu thực nghiệm cắt kim loại trên máy laser LC1000
CO2-CNC ..................................................................................... 57
4.1
Thiết bị thí nghiệm ............................................................................... 57
4.1.1 Gá mẫu ................................................................................................. 58
4.1.2 Chuẩn bị mẫu ....................................................................................... 59
4.1.3 Điều kiện tiến hμnh thÝ nghiÖm ............................................................ 60 
4.2 
ThiÕt kÕ thÝ nghiÖm .............................................................................. 61 
4.2.1  Mô hình định tính quá trình gia công cắt với tia laser ......................... 61 


3
4.2.2 
4.3 
4.3.1 
4.3.2 

ThiÕt kÕ c¸c thÝ nghiƯm ........................................................................ 62 
Thùc hiƯn thÝ nghiƯm ........................................................................... 64
Thí nghiệm thăm dò khả năng công nghệ của thiết bị ......................... 64
Thí nghiệm khảo sát ảnh hởng đơn của một số thông số công nghệ
đến chất lợng mạch cắt. ...................................................................... 65
4.4
Quy hoạch thực nghiệm v xây dựng mô hình toán học...................... 75

4.4.1 Thí nghiệm khảo sát ảnh hởng đồng thời của các thông số công nghệ
đến quá trình cắt bằng tia laser. ........................................................... 75
4.4.2 Thiết kế quy hoạch thực nghiệm .......................................................... 75
4.4.3 Lựa chọn các thông số công nghệ cần nghiên cứu .............................. 76
4.4.4 Qui hoạch thực nghiệm xác định mô hình toán học ............................ 77
Kết luận
....................................................................................................... 96
Ti liệu tham khảo
Tóm tắt luận văn
Phụ lục


4
Danh mục các ký hiệu, chữ viết tắt
Ký hiệu

Tên gọi

Thứ nguyên

c

Nhiệt lợng riêng hoặc vận tốc ánh sáng

c1

Nhiệt lợng riêng của vật liệu ở trạng thái lỏng

J/kgK

cs

Nhiệt lợng riêng vật liệu ở trạng thái rắn

J/kgK

dm

Đờng kính điểm hội tụ

e

Lực căng

erf

Hm sai sè

erfc

Hμm sai sè bỉ xung

f

Tiªu cù thÊu kÝnh héi tụ

J/kgK; m/s

mm
N

mm

ffp

Mặt phẳng hội tụ

g

Hằng số hấp dẫn

h

Chiều dy lớp chảy lỏng hoặc entapy riêng hoặc
hằng số Planck

hc

Hệ số truyền nhiệt đối lu

k

Hệ số dẫn nhiệt

W/mK



Hệ số khuếch tán nhiệt

cm2/s

m

Hệ sè khch t¸n nhiƯt cđa vËt liƯu láng

cm2/s

κs

HƯ sè khch tán nhiệt của vật liệu rắn

cm2/s

v

Hệ số khuếch tán nhiệt cđa vËt liƯu h¬i

cm2/s

kb

H»ng sè Boltzmann

kl

HƯ sè trun nhiƯt ë trạng thái lỏng

ks

Hệ số truyền nhiệt ở trạng thái rắn

kv

Hệ số truyền nhiệt ở trạng thái hơi

l

Chiều di khuếch tán nhiệt

lth

Chiều sâu thâm nhập nhiệt

m

Số mode dọc

me

Khối lợng thoát chảy

Kg

ms

Khối lợng nóng chảy cảu vật liệu rắn

Kg

mv

Khối lợng vật liệu hoá hơi

n

Số mode ngang

p

áp suất khí thổi

bar

pvo

Thnh phần áp suất vo của phần tử đơn vị

bar

pra

Thnh phần áp suất ra của phần tử đơn vị

bar

m/s2


5

pr

áp suất phản hồi

bar

ps

áp suất hơi bÃo ho

bar

q

Thông lợng nhiệt

J/m

qc

Thông lợng nhiệt đối lu

J/m

qr

Thông lợng nhiệt bức xạ

J/m

r

Toạ độ hớng tâm; bán kính chùm tia

mm

t

Chiều dy cắt

mm

th

Thời gian diễn ra giai đoạn nung nóng

tm

Thời gian đạt đến nhiệt độ nóng chảy

tp

Chiều di xung laser

u

Biến giả định hoặc năng lợng bên trong

v

Vận tốc cắt

ve

Vận tốc thoát chảy

vm

Vận tốc chảy

vv

Vận tốc bốc hơi

w

Chiều rộng mạch cắt

m

zm

Chiều sâu nóng chảy xuyên thấu

mm

x,y,z

m/ph

Toạ độ Đề các

Av

Diện tích bề mặt hoặc hệ số hấp thụ môi trờng
hoặc hệ số hấp thụ năng lợng
Hệ số hấp thụ năng lợng ở trạng thái hơi

B0

Hằng số hoá hơi

Cv

Nhiệt lợng riêng thể tích

J/kgK

Cp

Nhiệt lợng riêng tại áp suất không đổi

J/kgK

D

Đờng kính chùm tia cha hội tụ

I

Mật độ công suất

W/cm2

Iabs

Cờng độ công suất hấp thụ

W/cm2

Im

Cờng độ chùm laser cần thiết để nung chảy

W/cm2

Is

Cờng độ chùm laser tại bề mặt

W/cm2

Iv

Cờng độ ngỡng

W/cm2

I0

Mật độ công suất của chùm laser max, hoặc
cờng độ ánh sáng trung bình

W/cm2

A

J0, J1

Hm Bessel ở dạng thứ nhất

K0

Hm Bessel ở dạng 2 bậc 0

L

Nhiệt tiềm tng bốc hơi

mm

J/kg


6
Lf

Nhiệt lợng nóng chảy

J/kg

Lv

Nhiệt lợng hoá hơi

J/kg

Lm

Nhiệt ẩn nóng chảy

J/kg

P

Công suất laser

R

Hệ số phản xạ

Ra

Hệ số Rayleigh

T

Nhiệt độ

Tamb

Nhiệt độ môi trờng

Te

Nhiệt độ kích thích

TB

Nhiệt độ sôi

Tl

Nhiệt độ ở trạng thái lỏng

Tm

Nhiệt độ chảy lỏng

Ts

Nhiệt độ bề mặt chi tiết

Tv

Nhiệt hoá hơi

T*

Nhiệt độ trung bình trong lớp chảy lỏng

T0

Nhiệt độ ban đầu
Năng lợng hoá hơi của nguyên tử hay sự vận
chuyển nhiƯt

U
V

ThĨ tÝch vËt liƯu láng

α

HƯ sè gi·n në nhiƯt

ρ

Khèi l−ỵng riêng



Hiệu suất



Bớc sóng laser

Hệ số độ nhớt của chất lỏng



Hằng số Stefan-Boltzmann



Toán tử Gradient

AHZ

Vùng ảnh hởng nhiệt của mạch cắt

DOF

Phơng trình biểu diễn chiều sâu hội tụ

DGF

Trờng mật độ khí

W

K, oC

m3
Kg/m3
m

7
Danh mục các bảng biểu
Bng 1.1:
Bảng 3.1:
Bảng 4.1:
Bảng 4.2:
Bảng 4.3:
Bảng 4.4:
B¶ng 4.5:
B¶ng 4.6:
B¶ng 4.7:
B¶ng 4.8:
B¶ng 4.9:
B¶ng 4.10:
B¶ng 4.11:
B¶ng 4.11:
B¶ng 4.12:
B¶ng 4.13:
B¶ng 4.14:

Một số loại laser thường dùng trong cơng nghiệp
H»ng số vật liệu của một số vật liệu cơ bản
Đặc tÝnh kü tht cđa c¸c vËt liƯu thÝ nghiƯm
ThÝ nghiƯm thăm dò tìm khả năng công nghệ của thiết bị
Thí nghiệm ảnh hởng đơn của thông số công nghệ
Thí nghiệm kiểm tra ảnh hởng của vận tốc cắt đến độ rộng
mạch cắt
Bố trí thí nghiệm theo phơng pháp thiết kế nhân tố.
Chuẩn hóa các biến giải thích trong mô hình mới

Các hệ số trong mô hình tuyến tính bậc nhất
Các giá trị hồi qui
Bảng phân tích phơng sai
Bảng bố trí thí nghiệm theo phơng pháp hợp tử tại tâm
Bảng chuẩn hóa các biếngiải thích trong mô hình mới
Bảng xác định các hệ số trong mô hình mới
Bảng xác định các hệ số trong hệ phơng trình (4-3)
Bảng phân tích phơng sai
Bảng tính các giá trị hồi qui

Danh mục các hình vẽ, đồ thị
Hỡnh 1.1:
Hỡnh 1.2:
Hỡnh 1.3:
Hỡnh 1.4:
Hỡnh 1.5:
Hỡnh 1.6:
Hỡnh 1.7:
Hỡnh 1.8:
Hình 2.1:
Hình 2.2:
Hình 2.3:
Hình 2.4:
Hình 2.5:
Hình 2.6:
H×nh 3.1:
H×nh 3.2:

Sơ đồ nguyên lý máy phát laser
Sơ đồ mức năng lượng của Laser Ruby

Sơ đồ mức năng lượng của tinh thể Nd trong Laser Nd-YAG
Sơ đồ mức năng lượng của Laser CO2
Sơ đồ mức năng lượng của Laser He-Ne
Profile của chùm laser hội tụ
Sơ đồ nguyên lý máy phát Laser Ruby
Sơ đồ nguyên lý máy phát Laser CO2
Phân loại tổng quát các ứng dụng của Laser
Phân loại ứng dụng Laser theo sự chuyển biến pha
Biểu đồ cường độ năng lượng - thời gian tương tác của laser với
kim loại
Sơ đồ hình thành dịng chảy trong vũng hàn
Phân nhóm nhiệt luyện bề mặt bằng laser
Tiện kim loại có hỗ trợ bằng tia Laser
¶nh hởng của vận tốc cắt đến độ nhám bề mặt
Sơ đồ quá trình công nghệ cắt bằng tia Laser


8
H×nh 3.3:
H×nh 3.4:
H×nh 3.5:
H×nh 4.1:
H×nh 4.2:
H×nh 4.3:
H×nh 4.4:
H×nh 4.5:
H×nh 4.6:
H×nh 4.7:
H×nh 4.8:
H×nh 4.9:

H×nh 4.10:
H×nh 4.11:
H×nh 4.12:
H×nh 4.13:
H×nh 4.14:
H×nh 4.15:
H×nh 4.16:
H×nh 4.17:
Hình 4.18:
Hình 4.19:
Hình 4.20:
Hình 4.21:
Hình 4.22:
Hình 4.23:

Đờng kính điểm hội tụ ảnh hởng do hiện tợng nhiễu xạ
Các vùng cắt có thể hình thnh trong quá trình cắt
Mối quan hệ độ nhám v độ trụ.
Sơ đồ cấu máy laser LC1000CO2-CNC
Chuỗi quang học của máy Laser
Bộ gá phôi v kẹp phôi bằng khí nén
Qui cách của mẫu thí nghiệm
Mô hình định tính quá trình cắt bằng Laser
Đồ thị nghiên cứu thăm dò khả năng công nghệ của thiết bị.
Đồ thị nghiên cứu giới hạn của áp suất khí thổi
Đồ thị phản ánh mối quan hệ giữa P v v
ảnh hởng của vận tốc cắt đến chiều dy gia công
Mối quan hệ giữa công suất cắt P v độ rộng vết cắt w
Mẫu thí nghiệm khi cắt ở các mức công suất khác nhau
Đồ thị ảnh hởng của vận tốc cắt lên ®é réng vÕt c¾t

ThÝ nghiƯm khi c¾t ë tèc ®é cắt cao
Đồ thị ảnh hởng của vận tốc v tới độ rộng w
ảnh chụp phóng đại độ rộng mạch cắt sau gia công
Mối quan hệ của áp suất khí v độ rộng mạch cắt
ảnh hởng sự giao thoa của trờng DGF
Cấu trúc khí động học của dòng khí cắt.
ảnh hởng của khe hở đầu cắt đến độ rộng vết cắt
khi gia công vật liệu SU304
ảnh chụp phóng đại độ rộng mạch cắt khi gia công ở các
khoảng cách đầu phun khác nhau
ảnh hởng của đờng kính đầu cắt đến độ rộng vết cắt
Sự phân bố áp suất theo đờng kính đầu cắt
Sơ đồ thiết kế hợp tử tại tâm


9
Mở đầu
Ngy nay, kỹ thuật laser đà có những phát triển vợt bậc đợc ứng dụng
rộng rÃi trong nhiều ngnh kỹ thuật v công nghệ. Từ những ứng dụng đơn giản
trong đồ dùng gia dụng hng ngy đến các ứng dụng hữu ích trong công nghệ
y-sinh, các ứng dụng quan trọng trong công nghiệp truyền thông, khoa học
quân sự, khoa học vật liệu v.v, laser đà v đang đợc sử dụng để gia công vật
liệu trong nghnh chế tạo máy nh một dạng năng lợng siêu nhiên, có thể gia
công đợc hầu hết các loại vật liệu với yêu cầu kỹ thuật khắt khe m các
phơng pháp gia công thông thờng khó có thể thực hiện đợc.
Gia công bằng chùm tia có mật độ năng lợng cao l một u thÕ lín cđa
kü tht laser. Gia c«ng b»ng laser cã thể thay thế cho một số phơng pháp cắt
gọt cơ học-vốn có ngỡng nhất định không thể vợt qua đợc trong các nguyên
công khó. Vì thế gia công bằng laser đợc áp dụng trong nhiều lĩnh vực công
nghiệp, đặc biệt l với các vật liệu khó gia công nh hợp kim cøng, gèm

(ceramic), composite v.v… Khi dïng laser ®Ĩ gia công lỗ, ngời ta có thể gia
công đợc các lỗ nhỏ cỡ vi m trên các loại vật liệu, đặc biệt l kim loại v
hợp kim khó gia công, vùng ảnh hởng nhiệt đợc kiểm soát v hạn chế tối đa.
Laser có thể gia công đợc lỗ nhỏ trong chi tiết vòi phun nhiên liệu của động
cơ, vòi phun bơm cao áp, vòi phun khí xoáy, các lỗ nhỏ với góc nghiêng tuỳ ý ở
buồng lm mát động cơ máy bay, các vi lỗ nâng cao hiệu ứng động lực học trên
cánh máy bay, các vi lỗ trên lới lọc dùng trong y tế v.v Nhờ khả năng công
nghệ ny m gia công bằng laser đà đợc sử dụng nh một biện pháp gia công
thay thế v duy nhất, đợc ứng dụng rộng rÃi trong công nghiệp chế tạo máy
bay, công nghiệp chế tạo ôtô, chế tạo các thiết bị, linh kiện điện tử, thiết bị y tế
v.v
Nắm bắt v tiÕn tíi lμm chđ c«ng nghƯ gia c«ng b»ng laser, đặc biệt l
gia công bằng laser l nhiệm vụ không chØ mang ý nghÜa lý thuyÕt mμ cßn cã ý
nghÜa thực tiễn l đa laser đến gần với thực tế sản xuất công nghiệp, ứng dụng
các khả năng công nghệ u việt, đặc biệt l khả năng gia công trên các loại vật
liệu v đối tợng công nghệ m các phơng pháp gia công thông thờng khác
khó hoặc không thể thực hiện đợc. Việc: Nghiên cứu ảnh hởng của các chế
độ công nghệ đến năng suất v chất lợng khi gia c«ng b»ng Laser” cã ý nghÜa


10
rất quan trọng đối với nhiệm vụ nêu trên. Đây cịng chÝnh lμ néi dung cđa ®Ị tμi
thùc hiƯn.
Néi dung chính của đề ti:
- Tìm hiểu các ứng dụng của Laser trong công nghiệp.
- Gia công kim loại bằng Laser-các tham số công nghệ ảnh hởng đến
năng suất v chất lợng.
- Nghiên cứu thực nghiệm cắt bằng Laser trên máy LC1000CO2-CNC,
đánh giá sự ảnh hởng của các chế độ công nghệ đến năng suất v
chất lợng gia công. Giải bi toán quy họạch thực nghiệm theo mô

hình thực nghiệm nghiên cứu.
Lĩnh vực nghiên cứu của đề ti còn nhiều mới mẻ v phức tạp, kiến thức
hiểu biết của bản thân còn rất nhiều hạn chế nên bản luận văn ny chắc chắn
còn nhiều thiếu sót. Tôi rất mong đợc các Thầy, Cô v các anh chị, các bạn
đồng nghiệp góp ý, bổ xung để bản luận văn đợc hon thiện hơn.
Tôi xin chân thnh cảm ơn GS.TS Trần Văn Địch, thầy đà dẫn dắt định
hớng v truyền đạt những kiến thức quý báu cho tôi trong học tập - nghiên
cứu, giúp tôi hon thnh bản luận văn ny. Tôi cũng xin chân thnh cảm ơn các
thầy giáo, cô giáo trong bộ môn Công nghệ chế tạo máy v Khoa cơ khí-Trờng
ĐHBK H Nội đà truyền đạt kiến thức cho tôi trong suốt quá trình học tập nghiên cứu tại trờng. Tôi xin chân thnh cảm ơn lÃnh đạo Viện Máy v Dụng
cụ công nghiệp, lÃnh đạo Trung tâm chuyển giao công nghệ, Trung tâm công
nghệ gia công đặc biệt v các bạn đồng nghiệp đà tạo điều kiện giúp đỡ tôi
trong quá trình thực hiện Luận văn.
Tác giả

Vũ Xuân Trờng


11
Chơng 1 tổng quan về laser
1.1 Lịch sử phát triển
Laser là thuật ngữ viết tắt của Light Amplification by the Stimulated
Emission of Radiation (Sự khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ kích thích của bức
xạ). Laser là ánh sáng có tính chất đặc biệt, là sóng điện từ ở vùng nhìn thấy
được. Lịch sử lồi người phải mất một qng thời gian dài để thấy rõ ánh sáng
có tính chất sóng-hạt. Năm 1704, Newton mơ tả ánh sáng là một dòng của các
hạt. Thực nghiệm giao thoa của Young năm 1803 và sự khám phá tính phân
cực của ánh sáng chứng minh rằng ánh sáng có tính chất sóng. Sau đó, lý
thuyết điện từ của Maxwell đã diễn tả ánh sáng là sự dao động nhanh của
trường điện từ bởi các hạt dao động tạo ra.

Nền tảng ban đầu của lý thuyết laser được Einstein đưa ra khi ông cho
rằng ngồi bức xạ tự phát, cịn tồn tại một dạng bức xạ khác là bức xạ cưỡng
bức. Sau đó, năm 1928, Kopfermann và Heidenburg giới thiệu thực nghiệm đầu
tiên chứng minh cho sự tiên đoán của Einstein. Năm 1960, Maiman lần đầu tiên
công bố laser Ruby. Tiếp theo là sự phát triển của rất nhiều nghiên cứu cơ bản
về laser từ năm 1962 đến 1968. Hầu như tất cả các loại laser gồm: laser bán
dẫn, laser Nd-YAG (Neodymium doped-Yttrium Aluminium Garnet), laser khí
CO2, laser màu và các loại laser khí khác được phát minh trong giai đoạn này.
Sau năm 1968, các loại laser hiện có được thiết kế và sản xuất với độ tin cậy và
tuổi thọ lớn nhất. Giữa những năm 1970, có thêm nhiều loại laser tin cậy được
chế tạo để ứng dụng vào thực tiễn sản xuất như cắt, hàn, khoan và khắc dấu.
Trong suốt những năm 1980 và đầu 1990, laser được khám phá các ứng dụng
liên quan đến bề mặt như: xử lý nhiệt, nhiệt luyện,…
1.2 C¬ së vËt lý laser
Về bản chất, laser là chùm bức xạ điện từ đơn sắc, hội tụ tập trung có
bước sóng trong phạm vi từ cực tím đến hồng ngoại. Laser có thể thực hiện
được trong dải cơng suất từ rất thấp (~mW) đến rất cao (1-100kW), mật độ
cơng suất có thể đạt đến 1012 W/cm2, với cỡ vết gia cơng chính xác và thời gian
xung/tương tác rất ngắn (đến 10-13-10-15 giây) trên các loại chất nền qua nhiều
loại môi trường. Laser được phân biệt với các dạng bức xạ điện từ khác ở đặc


12
điểm chính là liên kết chặt chẽ (kết hợp), quang phổ thuần nhất (đơn sắc) và
khả năng lan truyền theo đường thẳng (tính định hướng cao).
Cơ sở lý thuyết của laser chính là tiền đề của Einstein phát biểu vào năm
1917 để dẫn ra công thức phát xạ của Planck. Theo Einstein, khi có tương tác
giữa ánh sáng với các nguyên tử vật chất sẽ xảy ra các hiện tượng: nguyên tử
hấp thụ một lượng tử ánh sáng và xảy ra hai loại bức xạ là bức xạ tự phát và
bức xạ cưỡng bức của một lượng tử ánh sáng được gây ra bởi một lượng tử ánh

sáng khác trong nguyên tử đã bị kích thích. Chẳng hạn, xét một nguyên tử với
tâm hạt nhân được bao quanh bởi các điện tử. Các điện tử này quay xung quanh
hạt nhân bởi một số giới hạn các quỹ đạo có thể. Mỗi một điện tử có thể thay
đổi quỹ đạo của nó, kết quả của sự thay đổi mức năng lượng là phát xạ ánh
sáng (photon) khi điện tử đó di chuyển về phía hạt nhân và hấp thụ ánh sáng
(photon) khi điện tử di chuyển về phía ngồi ra xa hạt nhân. Cùng với sự dịch
chuyển đó là một giá trị của năng lượng và bước sóng.
Theo thuyết lượng tử, các hạt (nguyên tử, ion và phân tử) chỉ có thể tồn tại
ở những trạng thái năng lượng gián đoạn. Trong điều kiện thường, các nguyên
tử nhận trạng thái ổn định ở mức năng lượng thấp hay ở trạng thái cơ bản. Ở
trạng thái đó, chúng có thể hấp thụ bức xạ của một điện từ trường nếu các
lượng tử năng lượng hv của điện từ trường này vừa đúng bằng hiệu số năng
lượng giữa hai trạng thái nguyên tử. Ta có thể viết:
E = E2-E1 = hv = hc/λ = mc2
Q trình hấp thụ này có thể biểu diễn như sau:
Với: - A*
- A**

A* + hv => A**
là nguyên tử ở trạng thái có mức năng lượng thấp
là nguyên tử ở trạng thái kích thích có mức năng lượng cao hơn

Ở đây: c là vận tốc ánh sáng (c=3.108 m/s trong mơi trường tự do), λ là
bước sóng (m), ν là tần số của bức xạ điện từ (Hz) và h là hằng số Planck
(h=6,6.10-34 Js).
Nguyên tử không tồn tại lâu ở trạng thái kích thíc với mức năng lượng E2,
mà dịch chuyển trở về mức năng lượng ban đầu E1. Trong quá trình này nguyên
tử sẽ bức xạ ra một lượng tử năng lượng (photon) đúng bằng: E=hv. Bức xạ đó
gọi là bức xạ tự phát. Tức là:
A** => A* + hv

13
Photon có thể va chạm với một nguyên tử đã kích thích và dẫn đến sự thay
đổi mức năng lượng của nguyên tử này. Theo Einstein, nguyên tử đó có thể hấp
thụ photon để dịch chuyển lên một mức năng lượng cao hơn hoặc sẽ dịch
chuyển xuống mức năng lượng thấp hơn. Với khả năng thứ hai, nguyên tử sẽ
phát xạ ra một photon thứ cấp.
Có thể mơ tả q trình đó như sau:
A** + hv1 => A* + hv1 + hv2
Với: - hv1 là photon va chạm
- hv2 là photon bức xạ kích thích, hv2 có giá trị đúng bằng hiệu năng lượng
của trạng thái đầu và trạng thái cuối của quá trình dịch chuyển.
Quá trình này được gọi là sự bức xạ kích thích.
Với một hệ mơi chất gồm nhiều hạt bị bức xạ cưỡng bức bởi một nguồn
kích thích, nhờ có hệ gương quang học tạo ra sự phản xạ hay chuyển động qua
lại trong môi chất, sự bức xạ kích thích của các hạt sẽ xảy ra liên tục và mãnh
liệt. Khi số hạt ở trạng thái kích thích nhiều hơn số hạt ở trạng thái cơ bản (hay
nồng độ của mức trên lớn hơn nồng độ của mức dưới - đạt được phân bố đảo)
hệ sẽ phát ra một bức xạ kích thích mạnh - bc x ú gi l Laser.
1.3 Cấu tạo v nguyên lý lμm viƯc cđa m¸y ph¸t laser
Một máy phát laser có thể được mơ tả đơn giản như hình 1.1 sau đây:

Ho¹t chÊt

Buång céng h−ëng

Buång céng h−ëng

Nguån bøc x¹ kÝch thÝch

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý máy phát laser

Laser


14
1.3.1 Ho¹t chÊt
Là các mơi trường vật chất có khả năng khuếch đại ánh sáng đi qua nó.
Tương ứng với mỗi loại vật chất mà ta có các loại laser với bước sóng khác
nhau. Có thể phân loại hoạt chất ra thành các nhóm khác nhau:
9 Hoạt chất khí:
- Các khí đơn nguyên tử
- Các ion khí đơn nguyên tử
- Các khí phân tử như CO2, N2
- Các hỗn hợpp khí đơn nguyên tử như He-Ne, hay hỗn hợp khí phân tử
như CO2-N2-He, CO-N2…
9 Hoạt chất là chất rắn: Ruby, Nd-YAG.
9 Hoạt chất là chất lỏng.
1.3.2 Buång céng h−ëng
Vai trò của buồng cộng hưởng là làm cho bức xạ do hoạt chất phát ra có
thể chuyển động qua lại nhiều lần, nhờ đó bức xạ được khuếch đại lên gấp bội.
Cấu tạo của buồng cộng hưởng gồm 2 gương phản xạ, một gương có hệ số
phản xạ rất cao (đến 99,99%) và một gương có hệ số phản xạ thấp hơn, nhờ đó
tia laser có thể thốt ra ngồi theo gương này.
Có nhiều loại buồng cộng hưởng khác nhau, tuỳ thuộc vào đặc điểm cấu
trúc của các gương phản xạ: buồng cộng hưởng phẳng với 2 gương phản xạ
phẳng; Buồng cộng hưởng Farby-Perot với các gương tròn đặt song song;
Buồng cộng hưởng cầu đồng tiêu với gương cầu cùng bán kính và chung tiêu
điểm,v.v…

1.3.3 Bé phËn kÝch thÝch
Bộ phận kích thích hay cịn gọi là bơm có chức năng cung cấp năng lượng
cho hoạt chất để tạo ra sự nghịch đảo độ tích luỹ trong 2 mức năng lượng nào
đó của hoạt chất và duy trì sự hoạt động của laser. Tuỳ theo mỗi loại laser có
nhiều loại kích thích khác nhau, cụ thể:
- Kích thích bằng ánh sáng (cịn gọi là bơm quang học)
- Kích thích bằng va chạm điện tử: năng lượng điện tử được gia tốc trong
điện trường, năng lượng được truyền cho các hệ nguyên tử hoạt chất
nhờ quá trình va chạm.


15
1.4 Các loại nguồn phát laser
Hin ti cú rt nhiu loại laser khác nhau, bảng 1.1 chỉ ra một số loại laser
thường dùng trong công nghiệp
Bảng 1.1: Một số loại laser thường dùng trong cơng nghiệp
Loại Laser
Excimer (KrF)
Ruby
He-Ne
Nd-YAG
Nd-Glass
Diode
CO2

Bước sóng
Ứng dụng
(µm)
0.249 Y học/gia công vật liệu/nhuộm màu
Đo lường, các ứng dụng y học, gia công vật liệu

0.697
vô cơ
Chỉ thị điểm sáng, đo lường chiều dài/vận tốc,
0.630
thiết bị căn chỉnh song song
1.064 Gia cơng vật liệu/kỹ thuật phân tích
1.060 Đo chiều dài và vận tốc
1.060 Gia công vật liệu bán dẫn/các ứng dụng y học/hàn
10.600 Gia cơng vật liệu-cắt, hàn

1.4.1 Laser r¾n
Laser rắn là loại laser mà mơi trường hoạt tính là chất rắn, gồm một chất
nền và các tâm chất được đưa vào dưới dạng tạp chất. Chất nền có thể là đơn
tinh thể hoặc vơ định hình. Thơng dụng nhất là các tinh thể oxid có cấu trúc trật
tự, ví dụ như tinh thể Al2O3 với tạp chất là Cr3+; Y3Al5O12 và YAlO3 với tạp
chất là ion Nd3+; tinh thể phát quang CaF2 với tạp chất là ion Dy2+ (dyplozi).
Nồng độ hạt bức xạ của laser rắn rất lớn, thường trong khoảng từ 10171020/cm3, lớn hơn khoảng 100-1000 lần so với chất khí. Do nồng độ hạt lớn nên
hệ số khuếch đại của laser rắn lớn hơn nhiều so với laser khí, vì vậy cùng một
cơng suất thì laser rắn có thanh hoạt chất nhỏ hơn.
Chất rắn có độ đồng nhất quang học kém hơn so với chất khí, tiêu hao do
tán xạ lớn, do vậy hệ số phẩm chất của laser rắn nhỏ, góc mở của tai laser do
nhiễu xạ là lớn (vài chục phút, trong khi góc mở của laser khi chỉ vài chục
giây).
Trong laser rắn, các hạt tương tác với nhau do vậy các mức năng lượng
thường có độ rộng là lớn, vạch bức xạ tự phát và bức xạ laser thường có dải
phổ rộng. Với chất vơ định hình, độ rộng vạch bức xạ tự phát khoảng vài chục
Ao, của chất đơn tinh thể khoảng vài Ao, với laser khí chỉ khoảng vài phần
mười Ao.
Để tạo nghịch đảo nồng độ trong laser rắn, thường dùng bơm quang học
bằng cách chiếu ánh sáng của phổ hấp thụ cực đại vào thanh hoạt chất, tạo tích

16
luỹ chủ yếu cho mức laser trên nhờ đó tạo ra nghịch đảo nồng độ. Hiệu quả của
bơm quang học phụ thuộc vào hai yếu tố:
- Bức xạ bơm phải được hấp thụ mạnh bởi các tâm hoạt chất và đồng
thời không bị chất nền hấp thụ.
- Hiệu suất lượng tử của bơm phải cao và gần như tất cả các tâm hoạt
chất sau khi được đưa lên mức kích thích nhờ bơm phải chuyển lên
mức laser trên.
1.4.1.1

Laser Ruby

Laser ruby là laser đầu tiên được chế tạo bởi Maiman vào năm 1960.
Laser ruby được sử dụng rộng rãi do độ bền cơ học cao, độ dẫn nhiệt tốt. Thành
phần của Ruby là các tinh thể oxid nhôm Al2O3 (chất nền) được cấy các ion
Cr3+ (tâm hoạt chất). Thông thường hoạt chất laser ruby là tinh thể ruby màu
hồng nhạt chứa 0,05% Cr (1,6.1019 ion/cm3).
Phổ bức xạ của laser ruby từ 0,691ữ0,697àm

Hỡnh 1.2: S mc nng lng ca Laser Ruby

1.4.1.2

Laser Nd-YAG

Laser rắn Nd-YAG được sử dụng rộng rãi nhất hiện nay. Hoạt chất là tinh
thể Y3Al5O12 (Yttrium Aluminium Garnet) có pha các tạp chất là ion Nd3+ là
tâm hoạt chất.

Laser Nd-YAG có ngưỡng kích thích khá thấp, độ dẫn nhiệt cao, cho phép
phát xạ ở chế độ xung tần số cao và chế độ phát liên tục. Hiệu suất của laser
Nd-YAG khá cao, cỡ vài phần trăm.


17
Bước sóng của laser Nd-YAG khoảng 1,06µm.

Hình 1.3: Sơ đồ mức năng lượng của tinh thể Nd trong Laser Nd-YAG

1.4.2 Laser láng
Laser lỏng là loại laser sử dụng hoạt chất là chất lỏng.
So với laser rắn và khí, laser lỏng có các ưu điểm sau:
- Khơng phải gia cơng hoạt chất chính xác như laser rắn.
- Có thể dễ dàng tạo được công suất như ý muốn bằng cách tăng nồng
độ tâm kích hoạt và tăng khơi lượng hoạt chất.
- Dễ làm lạnh hoạt chất
Tuy nhiên, do laser lỏng có hệ số dẫn nhiệt khá lớn nên hoạt chất dễ bị
nóng nhanh. Vì vậy khơng ổn định về tần số và cơng suất phát.
Laser lỏng gồm có các loại chính sau:
- Laser chelate hữu cơ-đất hiếm.
- Laser vô cơ Chloride-Neodym-Selen.
- Laser màu (Dye laser), là loại laser hiện nay được sử dụng rộng rãi.
Các loại laser trên đều được kích thích bằng bơm quang học dạng đèn
xung hoặc laser rắn dưới dạng xung.
Với laser màu, hiệu suất có thể đạt tới ~25%, cơng suất ở chế độ xung có
thể lên đến hàng chục Mega watts (MW), ở chế độ liên tục khoảng 10W.
1.4.3 Laser khÝ
Laser khí là những loại laser sử dụng hoạt chất là chất khí. chất khí có thể
bao gồm những chất khí tồn tại ở nhiệt độ thường và cả hơi vật chất tạo thành

18
do sự nung nóng, ví dụ hơi kim loại. Áp suất làm việc của mơi trường khí
thường nhỏ, vài mmHg.
Laser khí có thể chia làm 3 loại:
- Laser khí ngun tử với tâm hoạt chất là nguyên tử, ví dụ laser HeNe.
- Laser khí ion, với tâm hoạt chất là ion, ví dụ laser Ar.
- Laser khí phân tử, ví dụ như laser CO2, laser N2…
Các loại laser này có thể hoạt động ở chế độ liên tục, gần như liên tục
hoặc xung tuỳ theo chế độ phóng điện chất khí sử dụng như: chế độ phóng điện
hồ quang (arc dischange), thường dùng cho laser ion; phóng điện phát sáng
(glow dischange), thường dùng cho laser phân tử và nguyên tử.
Nghịch đảo nồng độ trong laser khí được hình thành trong những trạng
thái kích thích của nguyên tử hoặc phân tử, thực hiện bằng phóng điện chất khí
trong ống laser. Dưới tác dụng của dịng điện qua chất khí, các điện tử và ion tự
do được hình thành. Các điện tích này được gia tốc trong dịng điện trường có
động năng lớn. Ở đây, chuyển động của ion thường khơng đóng vai trị quan
trọng, chỉ vì các điện tử tự do mới dẫn đến kích thích nguyên tử khi va chạm.
Với phóng điện khí áp thấp, động năng trung bình của điện tử lớn hơn nhiều so
với nguyên tử và ion, các điện tử đạt được phân bố cân bằng về vận tốc trong
một khoảng thời gian rất ngắn. Đặc điểm của laser khí là độ hạt của chất khí
nhỏ, nên nồng độ hạt kích thích nhỏ vì vậy tương tác của các hạt trong mơi
trường khí rất yếu, bởi vậy sẽ có những vạch bức xạ và hấp thụ hẹp. Ưu điểm
của laser khí là có độ đồng nhất quang học rất cao, bởi vậy gọc mở của laser
khí rất nhỏ (vài chục giây).
Sự kích thích nguyên tử khí trong phóng điện được thực hiện nhờ hai q
trình cơ bản:
- Va chạm loại 1 giữa điện tử-nguyên tử đối với chất khí một thành phần.
- Va chạm loại 2 hay còn gọi là truyền năng lượng cộng hưởng đối với

hỗn hợp khí nhiều thành phần.
Sự hồi phục của các nguyên tử từ trạng thái năng lượng kích thích về trạng
thái năng lượng thấp hơn và trạng thái cơ bản thông qua 4 quá trình khác nhau:
- Va chạm giữa nguyên tử kích thích và điện tử trong đó ngun tử
truyền năng lượng của mình cho điện tử (va chạm loại 2).
- Va chạm nguyên tử-nguyên tử trong hỗn hợp khí nhiều thành phần.


19
- Va chạạm giữa nguyên tử vớ
ới thành ốnng phóng đđiện.
- Bức xạạ tự phát.
1.4.3
3.1

Laser CO2

Laser CO
O2 là loại laaser phân ttử rất thông dụng, côông suất ch
hùm bức xạ
x có
thể từ
t vài W đến
đ 25kW thậm
t
chí đđến 100kW
W. Bởi vậy laser CO2 được sử ddụng
rộngg rãi để giaa công, hànn và xử lý bbề mặt.
Môi trườnng hoạt chhất của laseer CO2 thư
ường là hỗỗn hợp khí CO2+N2 hoặc

h
CO2+N2+He (vvới tỷ lệ tư
ương ứng 0,8:1:1,7),, có thể thêm vào một số khí khác
k
như:: Xe, H2O, H2 v.v…

Hình 1.4: Sơ đồ m
mức năng lư
ượng của Laaser CO2

N2 có vaii trị chính là truyền năng lượnng cộng hư
ưởng cho mức
m laser trên,
t
tạo nên
n nghịch
h đảo độ tícch luỹ cho laser CO2. Ngồi ra,, N2 cịn có
ó tác dụng làm
rỗngg mức laserr dưới, vì thế
t nghịch đảo nồng độ
đ ln ở m
mức cao.
Do có độ dẫn nhiệt cao (hơn 6 lần so vớ
ới CO2 và N2) nên Hee có vai trị dẫn
nhiệệt, giảm nh
hiệt độ khí phóng điệnn vì thế chho phép hỗn hợp khí làm việc đđược
với dịng
d
phónng điện caoo hơn. Ngoồi ra He cị
ịn tham giia vào q trình hồi phục

p
mứcc laser dướii.
Bước sónng của laseer CO2 là 9,6µm vàà 10,6µm, tuy nhiên xác suất dịch
chuyyển 10,6µm
m lớn hơn rất
r nhiều lầần so với dịch
d chuyển 9,6µm.
1.4.3
3.2

Laser He-Ne

ợc sử dụngg rất rộng rãi,
r được sảản xuất vớ
ới quy mô ccông
Là loại laaser khí đượ
nghiiệp. Laser He-Ne cóó thể phátt xạ ở 3 bước
b
sóng khác nhaau: 1,15; 3,39;
3


20
0,63µm, bước sóng hay sử
s dụng làà 0,63µm. Sơ
S đồ mứcc năng lượn
ng được mơ
m tả
như hình dưới..

Hình 1.5: Sơ m
c nng l
ng ca Laser He-Ne

1.5 Các thôn
ng số cơ bả
ản của chù
ùm laser
Theo tiờu
u chun IS
SO/DIS 11146, l tiêêu chuẩn đđầu tiên qu
uy định về các
đặc trưng
t
của chùm
c
laserr, các thôngg số cơ bảnn để mô tảả chùm laseer là:
- Công suất
s laser và
v năng lượ
ợng xung.
- Profile của chùm
m laser khi cchưa hội tụ
ụ.
m laser hội ttụ.
- Profile của chùm
ƒ Đường kình
k
hội tụụ:
Với chùm

m hình trụ và
v laser đơ
ơn mode:
(1--1)
dmin
D
m =2,44fλ/D
2
Khi kể đếến thông sốố chất lượnng chùm tiaa M =1/K (sự phân kỳ
k của chùm
m):
dmin=4M2ffλ/πD
(1-2)
Trong đó: λ-bước sóng; D-đư
ường kính cchùm tia khi
k chưa hộ
ội tụ; f-tiêuu cự
k
của thấu kính.
ƒ Chiều sâ
âu hội tụ: