Đề cương ôn tập môn học: Kĩ thuật Laser trong đo lường ( K 52 CTCK)1- Nguồn sáng Laser là gì, ý nghĩa của từ “ Laser”Trả lời:

Nguồn sáng laser

Laser là nguồn ánh sáng nhân tạo thu được nhờ sự khuếch đại ánh sáng bằng bức xạ phát ra khi kích thích cao độ các phần tử của một môi trường vật chất tương ứng.Laser là nguồn sáng trong vùng cực tím(tử ngoại) trong vùng ánh sáng nhìn thấy được và vùng hồng ngoại. Laser là ánh sáng có nhiều tính chất đặc biệt hơn hẳn ánh sáng tự nhiên hay nhân tạo khác và có những công dụng rất hữu ích có thể áp dụng trong rất nhiều lĩnh vực khoa học kỹ thuật và đời sống, tạo nên cả một cuộc cách mạng khoa học kỹ thuật sau khi nó ra đời.

Ý nghĩa của từ “ Laser”:

Laser là tên viết tắt của cụm từ Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation trong tiếng anh và có nghĩa là “ khuếch đại ánh sáng bằng cách phát xạ kích thích”.

2- Cơ sở vật lý của bức xạ Laser: nguyên lý phát xạ kích thích, điều kiện phát xạ thành chùm tia laser

Nguyên lý phát xạ kích thíchNếu trong hệ tồn tại 2 mức năng lượng E1 và E2 với E2>E1, khi hÖ ®ang trong tr¹ng th¸i kÝch thÝch tøc lµ tån t¹i c¸c phÇn tö ë møc E2. NÕu chiÕu mét photon cã bíc sãng ®iÖn tõ tho¶ m·n ®iÒu kiÖn =(E2-E1 )/h ,th× mét sè nguyªn tö chuyÓn tõ møc E2 ®Õn E1 vµ ph¸t ra bøc x¹ cã tÇn b»ng tÇn sè bøc x¹ däi tíi

Điều kiện phát xạ thành chùm tia laser:Khi ánh sáng với cường độ I(z) và tần số f lan truyền trong hướng z, và môi chất

laser có mức năng lượng Ni, Nk thoả mãn điều kiện năng lượng sẽ xảy ra sự hấp thu năng lượng theo định luật Bowger: I(z) = I(0) e -az Hệ số hấp thụ: a a= (c2 /4pf2t)( ln2/ p)1/2 ( Nk/ Df)

Khi ánh sáng truyền trong môi trường xảy ra bức xạ kích thích: I(z)= I(0)e gz g: hệ số khuếch đại g= (c2 /4pf2t) ( ln2/ p)]1/2 ( Ni/ Df)Quá trình hấp thụ và bức xạ là quá trình thuận nghịch

Kết quả ánh sáng đi qua môi trường vật chất: I(z) = I(0) exp [(c2 /4pf2t) ( ln2/ p)1/2 ( 1/ Df)( Ni- Nk)z ] Nếu Ni > Nk thì I(z) tăng, ngược lại Ni < Nk thì I(z) giảm

Vậy điệu kiện cần để laser làm việc là Ni >Nk : gọi là nghịch đảo mật độ tích luỹ.

Nếu vật chât nằm ở nhiệt độ T của môi trường cân bằng nhiệt thì phân bố mật độ các hạt theo luật Bonzerman: N2 / N1 = exp [-(Ei – Ek) / kT ] Với k là hằng số Bonzerman và luôn có Ni < Nk. Vậy để có hiệu ứng laser ta cần phải phá vỡ sự cân bằng nhiệt tạo nên sự nghịch đảo độ tích luỹ với Ni >>Nk bằng quá trình bơm kích thích.(Ni- Nk)> (c2 /4pf2t)( ln2/ p)1/2( 1/ Df)( 2b L – 0,5ln R1R2 ) Đây là điều kiện ngưỡng xác định độ nghịch đảo tối thiểu để hiệu ứng laser xuất hiện trên môi chất đã chọn với một buồng cộng hưởng. -t: thời gian sống của vật chất trong môi trường -Nk :Số hạt ở mức k -C: tốc độ ánh sáng trong môi trường đó -f vàDf: tần số và độ rộng phổ của ánh sáng hấp thụ

3- Cấu trúc cơ bản của nguồn sáng laser gồm các thành phần gì:

3 thành phần chính của nguồn sáng laser+ Môi chất laser : Tùy loại hoạt chất khác nhau mà môi trường hoạt chất khác nhau.+Bộ cộng hưởng : Khuyeech đại bức xạ laser.+ Bơm laser : Cung cấp năng lượng cho hoạt chất laser để tạo nghịch đảo mức năng lượng

Nguyên lý cấu tạo chung của một máy laser gồm có: buồng cộng hưởng chứa hoạt chất laser, nguồn nuôi và hệ thống dẫn quang. Trong đó buồng cộng hưởng với hoạt chất laser là bộ phận chủ yếu.

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 công 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 khuếc đại lên nhiều lần. Tính chất của laser phụ thuộc vào hoạt chất đó, do đó người ta căn cứ vào hoạt chất để phân loại laser.

4- Các dạng bơm kích thích tạo trạng thái nghịch đảo trong laser• Qu¸ trinh b¬m kÝch thÝch tuú thuéc vµo lo¹i hÖ, cã thÓ thùc hiÖn

b»ng nhiÒu c¸ch: ph¬ng ph¸p kÝch thÝch quang häc (b¬m quang häc) vµ phương ph¸p kÝch thÝch b»ng ®iÖn tö (b¬m ®iÖn tö).

•

+ Phản ứng hóa học được sử dụng như một nguồn năng lượng trong các laser hóa học. Điều này cho phép quyền hạn sản lượng rất cao, khó khăn để đạt được bằng các phương tiện khác.

5-, Môi chất laser và các loại mức laser

1) Môi chất Laser chất rắn: Có khoảng 200 chất rắn có khả năng dùng làm môi trường hoạt chất laser. Một số loại laser chất rắn thông dụng:* YAG-Neodym: hoạt chất là Yttrium Aluminium Garnet (YAG) cộng thêm 2-5% Neodym, có bước sóng 1060nm thuộc phổ hồng ngoại gần. Có thể phát liên tục tới 100W hoặc phát xung với tần số 1000-10.000Hz.* Hồng ngọc (Rubi): hoạt chất là tinh thể Alluminium có gắn những ion chrom, có bước sóng 694,3nm * Bán dẫn: loại thông dụng nhất là diot Gallium Arsen có bước sóng 890nm thuộc phổ hồng ngoại gần. Loai GaAsAl có bước sóng 620-680nm2) Môi chất Laser chất khí:* He-Ne: hoạt chất là khí Heli và Neon, có bước sóng 632,8nm thuộc phổ ánh sáng đỏ trong vùng nhìn thấy, công suất nhỏ từ một đến vài chục mW. Argon: hoạt chất là khí argon, bước sóng 488 và 514,5nm.* CO2: bước sóng 10.600nm thuộc phổ hồng ngoại xa, công suất phát xạ có thể tới megawatt (MW). Trong y học ứng dụng làm dao mổ.

• * ¤ xy-iot bước sóng 1.315 μm; Nguồn kích thích là phản ứng hóa học trong giữa çxy vµ iot; Ứng dụng trong lĩnh vực Vò khÝ laser ,nghiên cứu vật liệu và khoa học

3) Môi chấtLaser chất lỏng:Môi trường hoạt chất là chất lỏng, thông dụng nhất là laser màu

• Dạng lỏng, như laser sử dụng chất nhuộm. Sử dụng các dung môi như metan, etan,, thêm vào chất nhuộm hữu cơ chiết xuất từ thực vật(coumarin, rhomadine và florescen) Cấu trúc của chất nhuộm quyết định bước sóng hoạt động của laser

6- Cấu tạo và vai trò của buồng cộng hưởng trong nguồn sáng laser

Buång céng hëng lµ hai g¬ng ®Æt song song víi mét g¬ng ph¶n x¹ toµn phÇn vµ mét g¬ng ph¶n x¹ mét phÇn. C¸c g¬ng nµy t¹o ®iÒu kiÖn cho ¸nh s¸ng ®i l¹i nhiÒu lÇn lµm t¨ng chiÒu dµi qu·ng ®êng quang häc ®i trong m«i trêng nghÞch ®¶o ®Ó khuÕch ®¹i cêng ®é

Vai trò của buồng cộng hưởng-Thực hiện hồi tiếp dương:Giả sử sự dịch chuyển tự phát của nguyên tử nào đó trong buồng cộng hưởng xuất hiện một sóng ánh sánh. Sóng sẽ được khuếch đại lên do dịch chuyển cưỡng bức khi nó đi qua lớp hoạt chất. Khi tới mặt phản xạ một phần sóng ánh sang có thể bị mất do hiện tượng hấp thụ hoặc truyền qua, nhưng phần chủ yếu được phản xạ trở lại và được khuếch đại lên trên đường đi tới mặt phản xạ kia. Tại đây xảy ra quá trình tương tự và cứ như vậy sau nhiều lần phản xạ sẽ thu được dòng bức xạ có cường độ rất lớn

-Tạo ra bức xạ định hướng, đơn sắc , kết hợp: Do buồng cộng hưởng mở nên những sóng truyền dọc theo trục của buồng cộng hưởng sẽ đi qua hoạt chất nhiều lần và được khuếch đại lên. Những sóng ánh sáng này xác định công suất ra của Lazer. Còn những sóng nào truyền với góc tương đối lớn so với trục của buồng cộng hưởng thì sau một vài lần phản xạ sẽ bị thoát ra ngoài. Vì vậy bức xạ hình thành ở của ra của buồng cộng hưởng có tính định hướng rất cao. Trong quá trình phản xạ nhiều lần giữa hai gương pha của sóng ánh sánh luôn bảo toàn và quan hệ giữa các pha đó cũng không đổi do đó bức xạ ra là bức xạ kết hợp. Nhờ có buồng cộng hưởng có thể thực hiện được các phương pháp dao động khác nhau để thu được bức xạ trong một dải phổ rất hẹp gần như đơn sắc.

-> Như vậy có thể nói rằng buồng cộng hưởng quang học có vai trò quyết định trong việc hình thành các tính chất cơ bản của bức xạ Lazer.

7- Cấc đặc điểm của tia Laser, Trả lời:Các đặc điểm của tia laser:1. Độ đơn sắc cao2. Độ kết hợp về không gian và thời gian3. Độ định hướng rất cao và khả năng hội tụ đến độ công suất cao4.Tần số ổn định5.Thời gian một xung ngắn khoảng 10-9 s

6.Bước sóng ngắn và dải sóng bức xạ rộng từ cực tím đến hồng ngoại nên khả năng ứng dụng rộng7.Mật độ nguồn nhiệt lớn

Độ định hướng cao: tia laser phát ra hầu như là chùm song song do đó khả năng chiếu xa hàng nghìn km mà không bị phân tán.

Tính đơn sắc rất cao: chùm sáng chỉ có một màu (hay một bước sóng) duy nhất. Do vậy chùm laser không bị tán xạ khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường có chiết suất khác nhau. Đây là tính chất đặc biệt nhất mà không nguồn sáng nào có.

Tính đồng bộ của các photon trong chùm tia laser. Có khả năng phát xung cực ngắn: cỡ mili giây (ms), nano giây, pico giây, cho phép

tập trung năng lượng tia laser cực lớn trong thời gian cực ngắn.

Các chế độ hoạt động

Laser có thể được cấu tạo để hoạt động ở trạng thái bức xạ sóng liên tục (hay CW - continuous wave) hay bức xạ xung (pulsed operation). Điều này dẫn đến những khác biệt cơ bản khi xây dựng hệ laser cho những ứng dụng khác nhau.

Chế độ phát liên tục

Trong chế độ phát liên tục, công suất của một laser tương đối không đổi so với thời gian. Sự đảo nghịch mật độ (electron) cần thiết cho hoạt động laser được duy trì liên tục bởi nguồn bơm năng lượng đều đặn.

Chế độ phát xung

Trong chế độ phát xung, công suất laser luôn thay đổi so với thời gian, với đặc trưng là các giai đoạn “đóng” và “ngắt” cho phép tập trung năng lượng cao nhất có thể trong một thời gian ngắn nhất có thể. Các dao laser là một ví dụ, với năng lượng đủ để cung cấp một nhiệt lượng cần thiết, chúng có thể làm bốc hơi một lượng nhỏ vật chất trên bề mặt mẫu vật trong thời gian rất ngắn. Tuy nhiên, nếu cùng năng lượng như vậy nhưng tiếp xúc với mẫu vật trong thời gian dài hơn thì nhiệt lượng sẽ có thời gian để xuyên sâu vào trong mẫu vật do đó phần vật chất bị bốc hơi sẽ ít hơn. Có rất nhiều phương pháp để đạt được điều này, như:

Phương pháp chuyển mạch Q (Q-switching) Phương pháp kiểu khoá (modelocking) Phương pháp bơm xung (pulsed pumping)

8- Các dạng mốt của tia laser nguyên nhân gây nên các mod dọc và ngang, các phương pháp làm giảm số mod

Các dạng mod của tia laser: Mod dọc và mod ngangNguyên nhân gây nên các dạng mod

-Mod dọc: Khi một sóng cơ học lan truyền dọc theo một sợi dây và đến gặp một bức tường rồi phản xạ lại gặp sóng ban đầu truyền tới thì trên sợi dây sẽ hình thành một sóng dừng. Mối liên hệ giữa bước sóng và chiều dài sợi dây là

2

nL

trong đó n là một số nguyên Tương tự, trong buồng cộng hưởng quang học, khi sóng điện từ truyền dọc theo trục của buồng cộng hưởng và phản xạ qua lại giữa hai gương cũng sẽ hình thành nên sóng dừng. Chỉ những dao động điện từ nào mà một số nguyên lần nửa bước sóng của nó bằng chiều dài buồng cộng hưởng mới có thể tồn tại. Về mặt toán học, ta viết là:

Như vậy sẽ có nhiều bước sóng thỏa mãn được điều kiện này, nghĩa là trong buồng cộng hưởng sẽ đồng thời có các mode sóng dừng bước sóng khác nhau , , … cùng tồn tại. Độ chênh lệch tần số của các mode dọc liên tiếp nhau là: ở đây c là vận tốc ánh sáng.

-Mod ngang:Trong khi xét mode dọc, ta xét các sóng mà phương truyền của nó nằm dọc theo trục của buồng cộng hưởng. Nếu phương lan truyền của sóng tạo với trục của buồng cộng hưởng một góc khá nhỏ thì sóng dừng cũng được hình thành. Các sóng dừng được hình thành trong trường hợp này được gọi là các mode ngang vì phân bố trường (hoặc phân bố năng lượng) của nó thay đổi theo phương ngang.

Khi sóng tới truyền đến gặp gương của buồng cộng hưởng thì một sóng phản xạ sẽ hình thành và chuyển động theo hướng ngược lại và chúng gặp nhau tạo nên sóng dừng. Điều này chỉ đúng khi các sóng này là sóng cầu (Kích thướt của buồng cộng hưởng là hữu hạn nên buồng cộng hưởng không chỉ có sóng phẳng mà còn có sóng cầu). Theo tính toán, chỉ các sóng dừng có bước sóng thõa mãn hệ thức sau đây mới tồn tại:

Ở đây q là số thứ tự mode dọc, còn m và n là số thứ tự mode ngang.Độ chênh lệch tần số giữa hai mode ngang lân cận nhau nhỏ hơn nhiều so với các mode dọc.

Tóm lai trong buồng cộng hưởng kín. Ngoài các mode dọc thuần túy đặc trương bởi m=n=0 và q#0, trong BCH tồn tại các mode ngang hình thành bởi các sóng phẳng lan truyền dưới một góc tương đối nhỏ so với trục của BCH. Khác với mode dọc phân bố trường của các mode ngang không phải là đồng nhất mà mang tính tuần hoàn theo không gian giảm dần về 0 ở mép gương. Như vậy trong BCH có 2 loại mode khác nhau: các mode dọc chỉ phân biệt nhau bởi tần số phát,các mode ngang phân biệt nhau bằng sự phân bố biên độ và pha trên bề mặt gương.

Nếu bây giờ bỏ đi các mặt dẫn bên thì sẽ thu được BCH hở và khi đó xuất hiện yếu tố mới ảnh hưởng đến quá tình vật lý xảy ra trong gương là: tổn hao nhiễu xạ trên các gương.Tuy nhiên do góc khá nhỏ so với trục của BCH nên tổn hao do nhiễu xạ coi như không đáng kể.

2

qL

)1(24

nmqL

Vì khi m,n nhỏ thì và trường của tất cả các dao động hầu như chỉ tập trong ở trung tâm của gương và giảm dần về mép gương

Như vậy,trong buồng cộng hưởng kín có thể tồn tại các mode ngang với các giá trị m,n lớn. Trong buồng cộng hưởng hở các dao dộng không xuất hiện được do tổn hao là rất lớn mà chúng phải chịu trên mép gương. Các tổn hao đóng vai trò quan trọng trong BCH quang học, nó cho phép giảm đi một cách đáng kể số mode ngang được kích thích trong BCH và chỉ giữ lại những mode ngang nào ứng với các tia sáng lan truyền gần như song song với trục của buồng cộng hưởng. Chính điều này quyết định đến tính định hướng của bức xạ Lazer.

9-Sự phân bố năng lượng của tia laser theo quang học Gaus và khả năng hội tụ của tia laserQuang học gauss: phần 1.4.3

• Khả năng hội tụ tia laser:Cã thÓ nãi r»ng mét laser He-Ne 1mW cã ®é chãi gÊp hµng tr¨m lÇn ¸nh s¸ng mÆt trêi. ThËt khã tëng tîng ®iÒu ®ã.

NÕu so s¸nh vÒ n¨ng lîng ph¸t x¹ ( W/cm2sr) th× mét ®Ìn thuû ng©n cao ¸p lµ 250w/cm2sr, cßn nguån laser HeNe trªn ®¹t ®îc 25.104 w/cm2srNguyªn nh©n:

-§é ®¬n s¾c cao t¹o lªn kh¶ n¨ng héi tô lín.-§é ®Þnh híng cao( gãc më nhá).

Ánh sáng thường góc mở là 4p. Song ánh sáng laser rất tập trung. Giới hạn góc ra là sự nhiễu xạ trên đường kính

khẩu độ số :

-d: đường kính khẩu độ số -k: đối với phân bố đều là 1,22 và đối với phân bố Gausse là 2/p Góc mở của một số laser thông dụng: HeNe Ar CO2 Rubi GaAs Thuỷ tinh Nd 0,2-1’ 0,5-1’ 1-10’ 1-10 20-200 0,5-10

•

10- Đặc điểm cấu tạo và hoạt động của laser khí HeNe,CO2

Trả lời:Đặc điểm cấu tạo:Ống phóng điện chứa khí thường là 1 ống thủy tinh hoặc thủy tinh thạch anh đường kính từ 1mm đến vài cm và dài từ vài chục cm đến hàng chục m, đặt giữa 2 gương song song nhau. Ở giữa 2 đầu ống thường đặt các điện cực. Catot có thể là catot oxyt hoặc catot kim loại có nhiệm vụ phát xạ điện tử. Ống phóng điện phát xạ catot được chế tạo theo công nghệ chế tạo điện tử chân không

Gương được bố trí theo 2 cách: Đặt trong buồng thủy tinh và đặt ngoài. Thường sử dụng gương đặt ngoài.Ưu điểm của gương đặt ngoài:-Hệ cơ điều chỉnh gương đơn giản khoong cần giải quyết vấn đề kín khí-Tuổi thọ ống khí dài hơn vì khong có chi tiết cơ khí nằm trong làm giảm chất lượng khí-Độ bền gương tăng vì không bị ion bắn phát và không bị bong tróc gương trong môi trường chân không cao và dễ thay thế.- Ống khí chế tạo đơn giản hơn vì không phải gắn giữa thủy tinh và kim loại.-Dễ dàng đặt vào buồng cộng hưởng các linh kiện điện chế hoặc chọn lọc những dịch chuyển bức xạ cần thiết.Nhược điểm gương đặt ngoài: Tiêu hao hai đầu ống do phản xạ, hấp thụ, tiêu hao do tán xạ phụ thuộc góc tới, chiết suất và dạng phân cực của ánh sáng.11- Đặc điểm cấu tạo và hoạt động của laser rắn Rubi, Nd YAG

a)laser rắn rubi:là một đơn tinh thể oxyt nhom AL2O3, trong đó một sồ những ion AL3+ được thay thế bằng 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 Cr3+ trở nên màu hồng và trở nên trong suốt với ánh sáng xanh lá cây và tím.

Laser Rubi là laser 3 mức với bức xạ của Cr3+ có 2 vạch phổ:Vạch phổ R1 khi xảy ra dịch chuyển từ mức E xuống mức 4A2.Vạch phổ R2 khi xảy ra dịch chuyển từ mức 2A xuống mức 4A2.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 o K T= 300 o KR1 694,3 nm 693,4 nmR2 692,8 nm 692,0 nm

Công suất laser Rubi đến vài chục wat, ở chế độ xung τx = 10 ms đến vài kW. Ở chế độ liên tục dù chỉ vài chục Wat, song công suất bơm cần đến 1 kW.

Laser ru bi ngày nay ít đựoc sử dụng, mà thường được thay thế bởi Laser NdYAG hoặc Nd thuỷ tinh. Hiện Laser rubi chỉ còn dùng trong nghiên cứu khoa học hoặc các ứng dụng cần bước sóng ngắn hơn laser Nd.

b)laser rắn NdYAG: Cấu hình cơ bản là Y3Al5O12 , kí hiệu YAG. Trong laser Neodim-YAG, Y3+ được thay bởi Nd3+. Sự suy biến của các mức 4F và 4i là rất lớn, song 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.

Laser NdYAG được ứng dụng trong nhiều lĩnh vực khác nhau. Trong gia công vật liệu như khoan, hàn với tần số xung từ 10 đến 100Hz, và độ dài xung từ 1 đến 10ms. Trong các ứng dụng hàn, với việc sử dụng sợi quang, NdYAG có mhiều ưu điểm về tính mềm dẻo hơn so vơi laser CO2. Trong lĩnh vực y tế đã sử dụng nhiều laser NdYAG với sợi quang trong phẫu thuật. Trong quân sự và nghiên cứu khoa học cũng sử dụng nhiều laser NdYAG.

12- Đặc điểm cấu tạo và hoạt động của laser bán dẫnTrả lời: 13- Nguyên tắc an toàn về thiết bị trong sử dụng và bảo dưỡng các nguồn laser-B¶o vÖ m¾t-Che kÝn ®êng ®i cña chïm tia laser-B¶o vÖ m¾t theo møc ®é nguy hiÓm khi lµm viÖc thùc tÕ-Dïng kÝnh, mÆt nạ ..

B¶o vÖ víi c¸c nguy hiÓm liªn quan

-T¸c dông ho¸ häc: g¨ng tay, läc khãi..

-T¸c dông ®iÖn: che kÝn, c¸ch ®iÖn

-T¸c dông víi mắt vµ da: mang kÝnh, kiÓm tra..

đo kiểm tra:

-§o gi¸ trÞ lín nhÊt cho phÐp

-Vïng nguy hiÓm chung cÇn thiÕt ®èi víi laser cÊp 3b vµ 4đo kiểm tra vớii cấp 4

- Điều khiển khóa từ xa- -§iÒu khiÓn ng¾t chïm s½n sµng, ng¨n ngõ tiÕp xóc víi bóc x¹ laser

ngay c¶ khi kh«ng sö dông§o kiÓm tra vïng LaserCÊp 3b:-D¸n c¶nh b¸o nguy hiÓm t¹i n¬i vµo vµ vïng ®iÒu khiÓn-H¹n chÕ ra vµo-Nh©n viªn ph¶i cã hiÓu biÕt vÒ an toµn laser-H¹n chÕ ngêi nhìn trùc tiÕpCÊp 4:-c¸c nut c¶nh b¸o râ rµng-Kho¸ kh«ng trÔ§o kiÓm tra- d¸n nh·n thiÕt bÞTÊt c¶ c¸c lo¹i laser trõ Class 1 cÇn ®îc d¸n nh·n riªngVá b¶o vÖ kh«ng ®îc më khi bá kho¸, cÇn chØ thÞ nguy c¬ t¸c h¹i cña laser

14- Các tác động nguy hiểm của tia laser đối với con người. Nguyên tắc an toàn đối với con người trong sử dụng các nguồn laser, Cách phân loai laser theo mức độ an toàn. Các loại nhãn cảnh báo.Trả lời*Các tác động nguy hiểm của tia laser đối với con người

+Tác động vật lý:-tác động nguy hiểm nhất của tia laser là với võng mạc- điểm nhạy cảm nhất của mắt, thủy tinh thể và sau đó là da. Võng mạc nhạy cảm nhất với laser ở bước sóng nhìn thấy 0,4 μm < λ< 0,7 μm và vùng gần hồng ngoại 0,7μm < λ< 1,4 μm. -Laser ở vùng cực tím λ< 0,4 μm không nhạy cảm với võng mạc song dễ gây tổn thương tới thủy tinh thể. Thủy tinh thể có thể bị tác động bởi laser ở các bước sóng bất kỳ. -Sự tác động có thể lớn hơn rất nhiều đối với khi ta quan sát ở ngoài vì vết hội tụ có thể lên đến 20 μm-Độ tăng tỉ lệ công suất tỉ lệ (dp/dr)2 với dp là đường kính pu-pin mắt và dr là đường kính hội tụ lên mõng mạc.Ví dụ: dp ≈ 5 mm, dr ≈ 20. 10-3mm thì mật độ công suất lên 6.104 lần so với mật độ công suất khi vào mắt. Mắt là nơi nguy hiểm nhất ngay cả khi các bộ phận khác chưa đạt đến độ nguy hiểm.

+Tác động lên mặt da: tia laser với công suất cao gây nên những vết bỏng về da.+Tác hại về điện:Trong các loại laser thiết thực chủ yếu hiện nay thì trừ laser bán dẫn ra thì tất cả các loại laser khác thường yêu cầu hiện điện thế cao, và thường là dòng điện cao để tạo ra chùm tia. Hiệu điện thế cao này cho dù được áp trực tiếp vào môi trường laser chính hay vào đèn bơm, laser bơm thì nó vẫn xuất hiện tại một số điểm trong hệ thống. Tình huống nguy hiểm trong laser là nó vẫn có thể tích điện thế cao trong tụ điện hoặc trong một số bộ phận khác trong 1 thời gian dài sau khi laser đã tắt. Điều này có thể gây nguy hại đối với con người.

*Nguyên tắc an toàn đối với con người trong sử dụng các nguồn laser:• Các biện pháp: • - Ngăn cản bằng vật chắn.• - Đảm bảo sự kiểm tra khống chế, loại trừ tia laser tác động khi lắp ráp hiệu chỉnh

không bằng tia laser.• -Biện pháp ngăn cản chủ yếu ở phân xưởng với công nhân.• -Biện pháp kiểm tra khống chế dùng các thiệt bị đo và các kĩ sư và chuyên gia lành

nghề.• -Phổ biến nhất với mắt là dùng kính bảo vệ được đặc trưng bởi mật độ quang đối với

bước sóng bảo vệ• -Có báo hiệu nguy hiểm• -Các cửa che an toàn.

• * phân loại laser theo mức độ an toàn:Cấp I ( Class I): là các laser với mức công suất bức xạ không gây nên một mức độ nguy hiểm nào đã biết.

• Cấp IA : là laser thiết kế riêng cho các ứng dụng không thể chiếu vào mắt người như máy in, quét …có công suất nhỏ hơn 4mW.

• Cấp IIA: là các laser liên tục công suất thấp ở vùng khả kiến. Bức xạ trên laser cấp I nhưng nhỏ hơn 1mW. Phản ứng trước độ chói của ánh sáng laser sẽ bảo vệ con người. Gây nên tổn thương khi nhìn với thời gian dài.

• Cấp IIB: Laser có công suất tức thời ( với laser liên tục từ 1-5m W), mà bức xạ của nó sẽ gây thương tổn nhìn trực tiếp trong chùm tia. Đa số các laser trình chiếu là thuộc loại IIB.

• Cấp IIIA: Các laser không gây nên tổn thương khi nhìn trong tời gian ngắn , song sẽ gây nên tổn thương nếu có thấu kính quang hội tụ.

• Cấp IIIB : Gồm phần lớn các nguồn laser hiện đại có khả năng gây nguy hiểm khi nhìn trực tiếp.

• Cấp IV: Các laser công suất cao, liên tục trên 500mW, xung 10J/s hoặc phản xạ phân tán..Gây tổn thương khi nhìn trựctiếp và cả khi tán xạ, gây nên bỏng da Cần thiết phải kiểm soát được dễ dàng đối với laser cấp IV.

15- Nguyên lý đo dịch chuyển chiều dài bằng giao thoa kế Mai Ken xơn dạng tĩnh và dạng động. Các nguyên nhân do môi trường đo gây nên sai số đo của phương pháp đo giao thoa Trả lời:Khi dịch chuyển một gương song song với chính nó dọc theo tia sáng một đoạn λ/2 hệ thống vân dịch chuyển đi một khoảng vân Vậy muốn đo chiều dài của vật nào ta dịch chuyển gương từ đầu này đến đầu kia của vật và đếm số vân dịch chuyển Các nguyên nhân do môi trường gây nên sai số đo của phương pháp đo giao thoa

-Sự thay đổi chiết suất không khí là yếu tố chính làm hạn chế độ chính xác của phép đo chiều dài.Chiết suất của không khí phụ thuộc nhiều vào các thông số của nhiệt độ, áp suất, độ ẩm và thành phần hoá học của nó.

Khi thực hiện phép đo, chiết suất này còn phụ thuộc vào sự ổn định trạng thái của không khí.

-Trong môi trường xung quanh ta luôn xuất hiện các rung động do mọi vật luôn chuyển động và tác động tương hỗ lẫn nhau. Các rung động này lan truyền trên mặt đất, trên nền nhà của các xưởng sản xuất và các phòng thí nghiệm. Các thiết bị đo lường và công nghệ lắp đặt trên nền các nhà xưởng và phòng thí nghiệm sẽ chịu sự tác động của các rung động này. Các rung động này gây ảnh hưởng nghiêm trọng đến độ chính xác của các phép đo và các nguyên công công nghệ chính xác. Khi xảy ra các cộng hưởng cục bộ tại các bộ phận của dụng cụ đo, gây nên các biến dạng và dịch chuyển vị trí lớn của các bộ phận, chi tiết thiết bị.

Các rung động trong môi trường xung quanh có thể làm thay đổi vị trí tương quan giữa các chi tiết quang. Tạo nên các sai lệch như: độ không thẳng hàng, sự thay đổi khoảng cách tương đối giữa các chi tiết quang làm giảm sự rõ nét hoặc sai lệch các ảnh quang mà các sai lệch này thay đổi theo sự biến động của rung động.

Do độ nhạy của hiệu ứng giao thoa đến một phần mười bước sóng thì những rung động trực tiếp rất nhỏ đến một vài phần mười của micromet cũng làm cho hệ giao thoa không ổn định, vị trí vân giao thoa thay đổi, gây nên sai số đo. Vì vậy, việc giảm ảnh hưởng của rung

động môi trường đối với máy đo giao thoa là hết sức cần thiết, đặc biệt là trong quá trình nghiên cứu việc đo độ dài bằng giao thoa laser.

16- Nguyên lý đo dịch chuyển chiều dài bằng laser hai tần số

Để xác định hướng dịch chuyển của gương động trong phương pháp đo theo tần số, trên sơ đồ ở hình 4.12 sử dụng nguồn phát laser có hai tần số f1 và f2 .

Hai tần số này khác nhau khoảng từ vài đến vài chục MHz và có sự phân cực vuông góc nhau. Tấm chia chùm phân cực sẽ tách hai tia có tần số khác nhau đó thành tia đo có tần số f1 và tia chuẩn có tần số f2 do sự khác nhau về hướng phân cực của chúng. Chùm có tần số f2

truyền theo hướng gương cố định để làm chùm tia chuẩn, còn chùm tia với tần số f1 truyền đến gương đo. Nếu cho hai chùm tia này giao thoa nhau ta nhận trên cảm biến quang điện Cb2 cường độ sáng là

I = I1+ I2 +2(I1I2) 1/2 sin 2pD f.t

Khi gương động Gđ dịch chuyển thì tần số của tia phản xạ f1 thay đổi một lượng Df1, còn tần số phách giao thoa nhận được là f2-(f1 Df1). Khi đó cường độ sáng trên cảm biến Cb2 sẽ biến đổi là:

I = I1+ I2 +2(I1I2) 1/2 sin [2p(D f Df1)t ]

Ngoài ra, một tín hiệu chuẩn được lấy từ tấm chia chùm cp đặt ngay sau nguồn laser bằng cảm biến Cb1 với tần số phách Df . Tín hiệu đo D f Df1 và tín hiệu chuẩn Df được đưa vào bộ xử lý đếm tần số.

Vận tốc dịch chuyển gương động Gđ

V=cDf1 /2nf1

Độ lớn của độ dài đo

x = V.t = cDf1.t / 2nf1

Khi đo theo vi phân quãng đường dịch chuyển thì

x = cDf1i.Dti / 2nf1

Dấu của thành phần Df1 cho biết chiều biến đổi kích thước đo:

- Dấu cộng tương ứng với chiều dịch chuyển của gương động lại gần tấm phân chùm CP làm giảm hiệu quang lộ giữa hai chùm tia giao thoa.

- Dấu trừ tương ứng với chiều dịch chuyển của gương động đi xa tấm phân chùm CP làm tăng hiệu quang lộ giữa hai chùm tia giao thoa.

Việc xác định dấu dịch chuyển này thực hiện thông qua sự biến đổi của giá trị tuyệt đối của sự biến thiên tần số D f Df1.

Sơ đồ giao thoa kế đo theo nguyên lý dùng nguồn laser hai tần số có độ nhạy thấp hơn khi dùng nguồn laser một tần số song nó cho phép nâng cao tốc độ dịch chuyển của đầu đo, giảm ảnh hưởng của rung động và sự biến động của cường độ sáng của ảnh giao thoa. Sơ đồ nguyên lý này hiện đang được sử dụng nhiều trong các máy đo dùng trong công nghiệp.

17- Nguyên lý đo góc bằng laser vòngPhương pháp đo góc quay bằng laser có buồng cộng hưởng dạng vòng dựa trên nguyên lý cộng vận tốc, hình 4.28.

Hình 4.28 Laser vòng đo góc nhỏTrong laser vòng, sử dụng buồng cộng hưởng với hai gương phản xạ có hệ số phản xạ 95%. Khi đó sẽ có hai chùm tia laser dịch chuyển theo hai hướng ngược chiều nhau. Khi laser vòng quay quanh trục vông góc với mặt phẳng vòng laser, sẽ làm sai lệch hiệu quang lộ của hai chùm tia laser lan truyền ngược chiều nhau. Quang lộ của tia thuận chiều sẽ lớn hơn quang lộ của tia ngược chiều làm cho tần sô của bức xạ laser fth ,fng của hai tia sẽ sai lệch nhau một lượng là Df = fth –fng = ( 4A / P ) . -A là diện tích của hình laser vòng - bước sóng laser - P chu vi của hình laser vòng - vận tốc góc laser vòngĐộ nhậy cảm của laser vòng với vận tốc góc rất cao đạt đến 0,003 độ / giờ.Cấu tạo thực tế của laser vòng hình 4.28.

18- Các nguyên lý đo khoảng cách bằng tia laser theo phương pháp xung và phương pháp di pha. Phương pháp xung:Pp đo này dựa trên nguyên lý đo quãng thời gian đi về của xung ánh sáng lase.Sơ đồ nguyên lý chung của thiết bị này

Tia laser từ nguồn được điều biến thành dạng xung vuông ngắn có dộ rộng xung phụ thuộc vào độ chính xác cần đo. Khi xung laser đi qua bộ lấy mẫu, một xung mẫu được tách ra đưa đến khởi động bộ đếm thời gian của bộ xử lý tín hiệu đo. Xung laser đo được truyền đến vật tiêu đặt ở khoảng cách cần đo L. Sau khi phản xạ lại sẽ được thu trên hệ quang điện P và đưa đến bộ xử lý tín hiệu đo để dừng bộ đếm thời gian. Khoảng cách đo L tương ứng với một nửa quãng đường đi của xung laser: L = c.t / 2 - c là vận tốc ánh sáng trong không khí 2,83.106 m/s - t là thời gian đi và về của xung laser Do vận tốc của ánh sáng lớn nên độ chính xác của phép đo phụ thuộc vào độ chính xác của phép đo thời gian và chát lượng của dạng xung laser. Để đạt được đến độ phân giải cỡ milimet cần phải có bộ đo thời gian đạt đến 10-9s.Đặc điểm của phương pháp đo này là có độ chính xác không cao khi đo ở độ dài nhỏ. Các máy đo ở cự ly gần của hãng Leica với xung chuẩn 10-9s đạt độ chính xác đến 1mm ở cự ly 200m.Pp di pha Phương pháp này sử dụng các bộ diều biến làm cho tia laser được điều chế cường độ thành dạng tín hiệu điều hòa có tần sô f không lớn.

Hình 4.18 Sơ đồ nguyên lý đo khoảng cách bằng di phaSơ đồ nguyên lý chung của thiết bị đo bằng di pha như hình 2.18. tia laser từ nguồn sẽ bị điều biến thành các sóng điều hòa dạng sin tính với tần số f bởi tín hiệu từ bộ tạo dao động điều hòa. Tín hiệu đo từ bộ điều biến sau khi phản xạ từ mặt tiêu đo ở khoảng cách L sẽ được thu nhận ở hệ quang điện và được gửi đến bộ đo so pha cùng với tín hiệu điều hòa chuẩn từ bộ tạo dao động. Bộ đo so pha sẽ đo độ sai lệch pha giữa tín hiệu chuẩn và tín hiệu đo. Pha của tín hiệu đo sẽ chậm hơn tín hiệu chuẩn: = 2pfL /c

- c là vân tốc ánh sáng.Như vậy chiều dài cần đo: L = c. / 2pf Độ nhây của phương pháp này phụ thuộc vào khả năng đo độ lệch pha của hai tín hiệu. nếu tần số tín hiệu điều hòa là f=6.106Hz và khả năng đo lệch pha là 1 phút thì độ phan giải của của phép đo là 0,6mm. Các thiết bị đo hiện đạt được độ chính xác 1mm/1000m.

19- Các nguyên lý đo khoảng cách bằng tia laser theo phương pháp tam giác lượng.Phương pháp đo sự biến đổi khoảng cách giữa đầu đo laser với bề mặt đo dựa trên nguyên lý tam giác lượng sử dụng tính chất truyền thẳng của tia sáng laser như hình 4.18.

Hình 4.18 Nguyên lý đo theo tam giác lượngKhi tia laser chiếu lên bề mặt đo tại điểm a ứng với vị trí I, thì ảnh của điểm a qua hệ tạo ảnh tương ứng là diểm x1 trên mặt phảng ảnh M. Khi mặt phẳng đo dịch chuyển một khoảng DZ đến vị trí II thì diểm chiếu của tia laser là b và ảnh điểm tương ứng là x2. Lượng dịch chuyển DZ có thể xác định được thông qua khoảng DX = X1 – X2 bằng hàm quan hệ của hệ tạo ảnh và khoảng cách Z0. Độ lớn khoảng DX thường được đo bằng cảm biến đo khoảng cách quang điện hoặc CCD. Đặc điểm của phương pháp này là độ phân giải phụ thuộc khoảng cách Z0 và hệ số khuếch đại của hệ quang tạo ảnh. Độ phân giải càng cao thì phạm vi đo càng hẹp lạiA)đo dựa trên tia phản xạ Tia laser chiếu tới bề mặt chi tiết đo ở vị trí Z0 với góc tới i bị phản xạ lại và có tia phản xạ là a. Khi bề mặt tại điểm đo dịch chuyển một lượng ∆Z, thì tia phản xạ là b và vị trí điểm ảnh của tia laser trên cảm biến quang điện cũng dịch chuyển một lượng tương ứng: ∆h = ∆Zsin(2i) / cos(i).

Tỷ số truyền của chuyển đổi : K= ∆h/∆Z =sin(2i) / cos(i) Tuy nhiên, việc tăng góc tới i sẽ làm tăng kích thước kết cấu cảm biến và ảnh hưởng của đặc điểm phản xạ của bề mặt chi tiết đo. Sơ đồ trên hình 4.19 mô tả ảnh hưởng của sai số góc nghiêng của bề mặt chi tiết đo tại điểm đo đến độ chính xác trong phương của mặt phẳng tới. Tia phản xạ khi đó sẽ là b’ và có sai số là:

Tia laser a b b’ i

∆h ∆h’

L Z0

∆Z Z ỏ ỏ

Hình 4.19: Nguyên lý đo theo phản xạ

∆h’ = 2Ltg() Với L là khoảng cách từ điểm đo đến mặt phẳng của cảm biến thu quang điện. Tuy nhiên, góc nghiêng ỏ trong phương vuông góc thì chỉ ảnh hưởng đến khả năng thu tín hiệu của tia laser vì nó bị lệch khỏi mặt phẳng tới và làm biến dạng ảnh điểm của tia Laser. Phương pháp phản xạ đơn giản song chỉ thích hợp với các bề mặt nhẵn và có góc nghiêng a nhỏ.b)phương pháp đo theo tán xạ:phương pháp đo này, tia sáng laser chiếu lên bề mặt vật đo bị tán xạ , hình 4.21. Vệt sáng của tia laser trên bề mặt vật đo có vai trò như một vật phát sáng dạng ánh sáng tán xạ. Sử dụng một hệ quang tạo ảnh lên bề mặt của cảm biến quang điện CB. Khi bề mặt tại điểm đo dịch chuyển một lượng ∆Z, thì vị trí điểm ảnh của tia laser trên cảm biến quang điện cũng dịch chuyển một lượng tương ứng: ∆h = b∆Zsin(i+)/cos(i) với:- b là hệ số khuếch đại của hệ quang. -a là gúc nghiêng của trục hệ quang với pháp tuyến của măt phẳng tới.

Tỷ số truyền: K = b∆Zsin(i+)/cos(i) Tỷ số truyền không kể đến hệ số phóng đại của hệ quang: K’= sin(i+)/cos(i) Trờn đồ thị hình 4.22 biểu diễn sự biến đổi của K’ đối với góc tới i với các giá trị của góc nghiêng quang trục là 1= 150;2=300 và 3= 450. Tỷ số truyền K’ ít phụ thuộc vào góc và tăng mạnh khi i >600.

Sự phân bố cường độ sáng và hình dạng của ảnh phụ thuộc vào góc tới i, góc nghiêng của trục quang , độ lớn của ∆Z và dạng phông tán xạ tại điểm đo M i. Gúc tới i càng nhỏ thì ảnh điểm của tia laser càng tròn. Góc nghiêng của trục quang càng lớn thì tỷ số truyền tăng không nhiều song dạng ảnh điểm của tia laser dạng elíp càng dẹt. Cường độ sáng của điểm ảnh tia laser phụ thuộc vào công suất của tia laser, độ tán xạ và đường kính vòng chắn sáng của hệ quang. Song việc tăng đường kính vòng chắn sỏng sẽ làm tăng độ không đều của phân bố cường độ sáng của điểm ảnh. Phương pháp tán xạ chịu ảnh hưởng ít của góc nghiêng bề mặt điểm đo song lại phụ thuộc vào đặc điểm tán xạ của bề mặt chi tiết đo và quang sai của hệ quang.

20-Phương pháp đo biên dạng bằng điều tiêu hội tụ.

Tia Laser b1’ ∆h hq a1’ i CB a1

Z0

∆Z Z b1

Hình 4.21: Nguyên lí đo theo tán xạ

Chuyển vị z biến đổi thành điện áp U1 = kz. Trong phạm vi tuyến tính, U1 phản ánh z cả về độ lớn và phương

ChuyÓn ®æi

Nguån s ng

BÒ mÆt vËt ®o

G ¬ng b n thÊu

C¬ cÊu®iÒu chØnh

f

U1

U2

O

?z

z x

21-Phương pháp đo kích thước bằng quét tia laser.Trả lời :a) Phương pháp quét tia truyền qua

Phương pháp đo bằng quang thông chiếu sáng (Hình 5.9)Nguyên tắc của phương pháp : Ánh sáng từ nguồn chiếu bằng tia quét khi qua hệ quang sẽ được hội tụ tại đầu thu của tế bào quang điện. Với đặc tính hoạt động : khi kích thước chi tiết tăng thì quang thông của nguồn sáng tới tế bào quang điện giảm do đó năng lượng nhận được của tế bào quang điện giảm. Như vậy, thông qua độ lớn của giá trị năng lượng thu ta có thể xác định được kích thước của chi tiết.

Xử lý chuyển đổi năng lượng từ bộ

cảm nhận thành giá trị đo

tia laser quét

Thấu kính trực chuẩn Tụ kính

Hình 5.9 : Nguyên lý đo theo năng lượng nhận được từ nguồn sáng khichiếu qua vật đo

Bộ cảm nhận năng lượng ánh sáng

Vòng chắn sáng

Ưu điểm : Kết cấu đơn giảnNhược điểm :

-Khó khăn trong việc tạo ra nguồn sáng có kích thước nhỏ mà vẫn đảm bảo về mặt năng lượng chiếu sáng.

-Độ chính xác đo bị ảnh hưởng bởi sự không ổn định năng lượng phát của nguồn sáng cũng như các yếu tố hấp thụ năng lượng trên đường đi của các tia sáng như hệ quang, môi trường hay bản thân chi tiết đo.

Phương pháp tạo ảnh chi tiết trên đầu thu camera (Hình 5.10)Nguyên tắc của phương pháp : Ánh sáng từ nguồn chiếu bằng đèn LED năng lượng cao hoặc nguồn tia quét qua hệ quang tạo ảnh chi tiết trên đầu thu camera. Với đặc tính tạo ảnh tỷ lệ thuận nên thông qua việc xác định độ lớn ảnh trên camera ta có thể xác định được kích thước chi tiết.

Ưu điểm : Do kết hợp được đồng thời việc đo kích thước với sự thu hình ảnh của chi tiết trên màn hiển thị nên thuận tiện trong công việc xử lý, hiệu chỉnh cũng như có thể dễ dàng phối hợp để đo các thông số khác của chi tiết.Nhược điểm : Thiết bị tương đối phức tạp và đắt tiền vì để có độ chính xác đo cao thì ta cần cũng cần phải có bộ đọc tín hiệu đo cùng với một đầu thu camera có độ phân giải và độ chính xác tương ứng.

Phương pháp tạo xung đo sử dụng tia Laser quét (Hình 5.11)Nguyên lý của phương pháp : Với đặc tính chi tiết đo che khuất và không che khuất tia quét từ thấu kính trực chuẩn sẽ tạo ra xung phát từ tế bào quang điện. Độ rộng của xung này tỷ lệ với kích thước chi tiết nên thông qua việc xác định các khoảng thời gian xung ta có thể xác định được kích thước của chi tiết.

Xử lý chuyển đổi tín hiệu ảnh

thành chỉ thị đo

tia laser quét

Thấu kính trực chuẩn

Tụ kính Thấu kính tạo

Ảnh của chi tiết đo trên đầu thu camera CCD

Hình 5.10:Nguyên lý đo sử dụng đầu thu camera phân giải cao

Khoảng che khuất tia quét được định lượng bằng thời gian t

Xung ra

Tế bào quang t

Quy trình xử lý tín hiệu đo của máy quét laser :

Ưu điểm : -Có kết cấu tương đối đơn giản nhưng có thể đo với độ chính xác cao.-Việc xử lý xung phù hợp với xu hướng phát triển của các thiết bị điện tử số hiện nay.

Nhược điểm :-Khó khăn tạo ra được nguồn tia quét lên chi tiết với độ song song cao và vận tốc quét

ổn định.-Đòi hỏi phải có một bộ đọc xung đo có tính ổn định với độ phân giải cao, tương ứng

với độ chính xác đo Đặc điểm chung của các phương pháp đo bằng tia laser quét này là có tốc độ đo cao đến 10.000 phép đo trong một giây và có thể đạt độ chính xác đến 0,01micromet

b) Phương pháp quét biên dạng bằng vệt sáng laser

- Nguyên lí đo của máy quét 3D laser :

Một trong những phương pháp hiện đại để đo biên dạng của bề mặt chi tiết là phương pháp 3D Laser. Phương pháp đo này thực hiện việc đo, số hoá các điểm trên bề mặt chi tiết đo trong hệ toạ độ không gian 3 chiều bằng việc sử dụng cảm biến đo khoảng cách laser 2D kết hợp với hệ đo lường dịch chuyển 1D.

Các máy quét 3Dlaser đều dựa trên nguyên tắc : Bề mặt chi tiết đo được chia thành một lưới điểm đo gồm các điểm có tọa độ (x,y,z).Máy đo sẽ thu thập các tọa độ này để xử lí .Số tọa độ càng nhiều thì việc tính toán kết quả đo càng khó khăn.Vì thế để nâng cao độ chính xác khi đo ,người ta cần đo nhiều điểm với sự giúp đỡ của máy tính điện tử ,đồng thời sử

Xử lý chuyển đổi xung từ tế bào

quang điện thành chỉ thị đo

Tia Laser quét

Thấu kính trực chuẩn Tụ kính

nguồn tia

Laser quét

Hình 5.11 : Nguyên lý tạo xung đo sử dụng tia laser quét

Kích thước chi tiết

Thời gian che khuất tia quét

Đếm số xung nhịp trong thời gian che khuất

Hiển thị kích thước

dụng tốc độ chụp ảnh của camera giúp khả năng xử lí nhanh hơn và đưa ra được nhiều thông số hơn .Phần tính toán được tọa độ nhờ phần mềm ,do đó độ chính xác phụ thuộc vào số điểm đo và phân bố điểm đo trên bề mặt chi tiết .

- Ưu điểm của máy quét laser 3D:

Không định hướng lại suốt quá trình đang quét:

Số hóa nhanh hơn.

Số hóa 3D kết quả chính xác trong độ chính xác cao của đặc trưng phép đo.

- Nhược điểm của máy quét 3D laser:

Chế tạo đầu dò phức tạp, đòi hỏi độ chính xác cao, kết quả đo phụ thuộc vào độ phân giải của Camera thu, độ mảnh của chùm tia laser… Giá thành đắt.

Phạm vi ứng dụng:

Xác định biên dạng của mặt cắt chi tiết, qua đó có thể xác định kích thước hình học của mặt cắt( đường kính…), sai số hình học ( độ ovan, độ tròn…). Việc xác định biên dạng này có thể thực hiện với những chi tiết đang được gia công giúp theo dõi, điều chỉnh kích thước gia công, các thông số công nghệ… hoặc đo đạc, kiểm tra các chi tiết thành sản phẩm để kiểm soát, đảm bảo chất lượng sản phẩm.

Ứng dụng scan 3D để kiểm tra biên dạng bề mặt, sao chép tạo mẫu nhanh…

22- Phương pháp đo độ nhám bằng tích phân và giao thoa lasera)phương pháp đo tán xạ tích phân toàn phầnCường độ lượng tia tán xạ là I scatter với độ nhám bình phương trung bình của bề mặt Rq qua công thức: I scatter = (4pRq / )2.I0 I0 là cường độ tia phản xạ. Công thức trên về cơ bản làchính xác với những bề mặt có độ nhám bình phương trung bình RMS nhỏ hơn bước sóng của chùm tia tới.

b)phương pháp đo nhám bằng giao thoa laserPhương pháp đo này sử dụng giao thoa kế kiểu Mai ken xơn với nguồn laser S được chia

bởi tấm chia chùm tia CT, hình 5.2 a. Tia S1 phản xạ từ bề mặt mẫu đo gặp tia S2 phản xạ từ gương phẳng G. Hai tia S1 và S2 giao thoa với nhau và được thu ảnh giao thoa bởi camera CCD. Ảnh giao thoa thu được có dạng như hình 5.3 b. Khoảng cách vân b và độ khuếch đại chiều cao vân phụ thuộc vào góc nêm a. Chiều cao nhám cần đo được xác định :

h = ( a / b). - a chiều cao vân - bước sóng laser

23-Phương pháp đo quét biên dạng 2D bằng tia laser dạng phản xạ .Trả lời:Tia laser chiếu tới bề mặt chi tiết đo ở vị trí Z0 với góc tới i bị phản xạ lại và có tia phản xạ là a. Khi bề mặt tại điểm đo dịch chuyển một lượng ∆Z, thì tia phản xạ là b và vị trí điểm ảnh của tia laser trên cảm biến quang điện cũng dịch chuyển một lượng tương ứng:

∆h = ∆Zsin(2i) / cos(i).

Tỷ số truyền của chuyển đổi : K= ∆h/∆Z =sin(2i) / cos(i) Đồ thị trên hình 4.20 biểu thị sự tăng của tỷ số truyền K theo sự tăng của góc tới: khi i=30 0

có k= 1; trong vùng i<300 thì k< 1 ; còn vùng i>300 thì 2> k>1 .

0

0.5

1

1.5

2

2.5

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 65 70 75 80 85 90

Tuy nhiên, việc tăng góc tới i sẽ làm tăng kích thước kết cấu cảm biến và ảnh hưởng của đặc điểm phản xạ của bề mặt chi tiết đo. Sơ đồ trên hình 4.19 mô tả ảnh hưởng của sai số góc nghiêng của bề mặt chi tiết đo tại điểm đo đến độ chính xác trong phương của mặt phẳng tới. Tia phản xạ khi đó sẽ là b’ và có sai số là: ∆h’ = 2Ltg() Với L là khoảng cách từ điểm đo đến mặt phẳng của cảm biến thu quang điện. Tuy nhiên, góc nghiêng ỏ trong phương vuông góc thì chỉ ảnh hưởng đến khả năng thu tín hiệu của tia laser vì nó bị lệch khỏi mặt phẳng tới và làm biến dạng ảnh điểm của tia Laser.

Tia laser a b b’ i

∆h ∆h’

L Z0

∆Z Z ỏ ỏ

Hình 4.19: Nguyên lý đo theo phản xạ

I

Hình 4.20: Đồ thị quan hệ giữa K và i

K

Phương pháp phản xạ đơn giản song chỉ thích hợp với các bề mặt nhẵn và có góc nghiêng a nhỏ.

24- Phương pháp đo kích thước nhỏ bằng nhiễu xạ. Hiệu ứng nhiễu xạ xảy ra khi ta chiếu một chùm tia laser vào một dây hoặc một vật nhỏ có kích thước d có độ lớn gần với bước sóng ánh sáng laser.

Hình 4.29 Hiện tượng nhiễu xạKhi đó ta sẽ hứng được trên màn ảnh ở khoảng cách L các điểm sáng nhiễu xạ có có phân bố năng lượng như trên hình 4.29 có các góc cực trị nhiễu xạ tương ứng tuân theo công thức Bragg:

sinθ = nλ / 2d

25- Các phương pháp kiểm tra độ chính xác của máy CNC về độ không thẳng bàn máy, độ vuông góc các bộ phận chuyển độngmục 6.3.226-Phương pháp kiểm tra dao trên máy CNCTrả lời:-Hệ thống laser đo kiểm tra dao thường sử dụng loại laser song song hoặc hội tụ.-Các ứng dụng tiêu biểu: nhận dạng dụng cụ, kiểm tra vết nứt của dụng cụ, thiết lập các thông số của các dụng cụ chưa khai báo trước,đo đường kính và chiều dài dụng cụ ngay trong lúc làm việc, bù độ mòn của dụng cụ, kiểm tra tính nguyên vẹn của lưỡi cắt, bù độ lệch của hệ trục máy do nhiệt gây ra.

-. Loại máy đo sử dụng chùm tia hội tụ có thể dùng cho việc kiểm tra tính nguyên vẹn của lưỡi cắt và đo chiều dài các loại dụng cụ cắt có đầu tròn, dao khắc hoặc dao có đường kính nhỏ hơn 1nn, đặc biệt có thể đo tới đường kính 0,05mm với độ chính xác 0,15 micromet.

Để đo trong quá trình gia công, thiết bị thường được bổ xung các lá chắn bằng khí nén có áp suất dương giư cho các bộ phận quang học được sạch sẽ và ngăn ngừa bụi tích tụ trong khoang laser.

đo biên dạng dao

27- Đặc điểm quá trình tương tác giữa tia laser và vật liệu trong gia công. Các công thức tính nhiệt độ tại vùng gia công-Nguồn laser tạo ra trên bề mặt vật liệu gia công một mật độ rất cao năng lượng ánh sáng với các chế độ liên tục hoặc xung đảm bảo đủ để đốt nóng, làm chảy và bay hơi vật liệu-Khi mật độ công suất đạt đến 106 W/cm2 thì xảy ra sự đốt nóng cục bộ vật liệu để thực hiện hàn và gia công nhiệt mà chưa xảy ra phá hủy vật liệu. 108 W/cm2 để dùng cho cắt, khoan-quá trình tác dụng tương hỗ giữa laser và vật liệu mô tả bởi quá trình nhiệt gồm:

- Hấp thụ ánh sáng truyền nhiệt cho dao động quang tinh thể- Đốt nóng vật liệu không phá hủy- Nung nóng chảy- Đốt cháy vật liệu bằng bay hơi các thành phần hợp kim của nó- Hồi phục sau khi kết thúc tác dụng.

Các công thức tính nhiệt độ tại vùng gia công: chương 7 mục 7.2

28- Đặc điểm công nghệ cắt vật liệu kim loại và phi kim bằng laserTrả lời:-Chùm tia laser có nguồn nhiệt tập trung với mật độ nguồn nhiệt cao vì thế nó có thể cắt tất cả các loại vật liệu và hợp kim của nó-Rãnh cắt hẹp, sắc cạnh, độ chính xác cao-Có thể cắt theo đường thẳng hay đường cong bất kì

-Mép cắt sạch đẹp, không cần các bước gia công phụ thêm-Quá trình cắt xảy ra nhanh chóng-Là quá trình cắt không tiếp xúc, có thể cắt theo nhiều hướng khác nhau-Có thể cắt vật liệu có từ tính và không từ tính-Khi cắt không có tác dụng của cơ học nên tồn tại rất ít ảnh hưởng của biến dạng trong quá trình cắt và sau khi cắt.Vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ, biến dạng do nhiệt ít.-Có năng suất cao, có thể tăng năng suất khi sử dụng các máy có điều khiển bằng chương trình NC, CNC-Có thể cơ khí hóa và tự động hóa điều khiển quá trình cắt.Cắt vật liệu phi kim khoảng 70%, cắt vật liệu kim loại khoảng 30%. Thời gian gia công bằng chùm tia laser khi tự động hóa có thể giảm từ 8h xuống còn 4p.-Không gây ồn, điều kiện lao động tốt.Ngoài ra điều kiện làm việc của công nhân được cải thiện rất nhiều do lượng bụi ít hơn các phương pháp gia công cơ khí.-Chiều dày cắt hạn chế trong khoảng 10-20mm( phụ thuộc vào công suất của nguồn laser)Nhận xét: - Cắt laser-khí các vật liệu phi kim cho phép nhận được các mép cắt tinh sạch. Mặt khác tia laser vào mép tốt hơn, còn mặt kia có thể có xỉ nóng chảy.- Khi cắt các chất hữu cơ có đặc điểm độ rộng vết cắt ở mặt sau nhỏ hơn hình dạng của tia vào-Khi cắt nhựa, gốm thủy tinh.. có thể dày đến 20mm. Đặc biệt có thể đến 50mm, khi đó độ rộng vết mặt sau không lớn hơn 1mm, - Khí cộng với xỉ sẽ cắt sâu vào vật liệu gia công- Nhìn chung hiệu suất của quá trình gia công phụ thuộc vào nhiều yếu tố và thường được xác định bằng thực nghiệm

- So với không thổi oxy, khi cắt có thổi 12 at tốc độ cắt cao hơn 40%.Ví dụ: Cắt thép Cácbon hàm lượng thấp bằng laser CO2 liên tục có thổi khí oxy phụ thuộc công suất laser và vật liệu cắt.

29- Đặc điểm công nghệ khoan vật liệu kim loại và phi kim bằng laser-Không có tiếp xúc cơ giữa dụng cụ gia công và vật liệu, không có mài mòn và cong gãy-Đạt độ chính xác phân bố lỗ do dùng hệ quang để định vị tia laser, lỗ có hướng bất kỳ-Đạt được tỉ số l/d lớn hơn nhiều so với phương pháp khoan khác-Laser dùng để khoan thường dùng laser xung ở chế độ tự do và có độ dài xung 1µs, chế độ điều biến hệ số phẩm chất, với chiều dài xung vài chục ns. -30- Đặc điểm công nghệ hàn vật liệu kim loại và phi kim bằng laserTrả lời:Đặc điểm:-Có thể hàn trong bất kì môi trường nào mà ánh sáng xuyên qua được( môi trường chân không, môi trường khí trơ, môi trường không khí bình thường…)-Hướng đi của chùm tia có thể điểu khiển bằng hệ thống kính cho nên có thể hàn được ở các vị trí hàn phức tạp-Có thể hàn từ xa-Hàn được các vật liệu khác nhau (Au+ Si,Au+ Ge,Ni+Ta,Cu+Al…)

-Do chùm tia có kích thước nhỏ hẹp, nguồn nhiệt tập trung nên thời gian hàn nhanh,, vùng ảnh hưởng nhiệt nhỏ, ít bị biến dạng.-Chất lượng mối hàn cao.31- Đặc điểm của quá trình tôi bằng laserĐặc điểm quá trình tôi bằng laser-Có ưu việt đặc biệt với một số chi tiết, nhất là có hình dạng không thích hợp với phương pháp gia công nhiệt truyền thống khác.- đốt nóng và làm nguội nhanh- Có khả năng tách oxit và các bụi trên bề mặt chi tiết.-Phần lớn năng lượng bị hút vào kim loại để đốt nóng bề mặt, còn phần kim loại còn lại thì làm nguội-Quá trình tôi chi tiết hấp thụ ít năng lượng nên không đốt nóng chi tiết -Dễ dàng tôi các bề mặt trong và ngoài. Sự tập trung năng lượng trong vùng gia công có thể kiểm soát điều khiển được-Khả năng nhận được giải tôi và vùng tôi rất hẹp nhờ tiêu tụ, chắn hoặc dùng maska chùm tia-Trong quá trình tôi không xảy ra quá trình hóa học độc hại cũng như tiếng ồn và nhiệt độ cao tại vùng làm việc.-Quá trình tôi xảy ra rất nhanh nên sự oxi hóa bề mặt và các phản ứng hóa học khác là nhỏ nhất

32-Đặc điểm của gia công tạo hình bề mặt bằng laserTrả lời:

Gia công tạo hình bề mặt:Là phương pháp gia công mà hình dạng tiết diện của chùm tia laser được xác định bởi một mặt nạ, chiếu lên bề mặt gia công với tỷ lệ cần thiết để nhận được hình ảnh lặp lại dạng của mặt nạ. Đây gọi là phương pháp chiếu hình để tạo các màng định hình trong công nghiệp điện tử và các lĩnh vực khác hoặc in chữ và số lên bề mặt nhạy cảm với ứng suất cơ học và áp lực dễ bị phá hủy hoặc thay đổi cấu trúc.

Bài tập : biết sử dụng các công thức tính toán trong phần lý thuyết.- Thời gian thi: 60’- Sinh viên được dùng tài liệu trong khi làm bài và Không được phép mượn tài liệu của người khác trong khi thi