Phương Pháp Gia Công Bằng Tia Laser Nhóm 6
BÀN THUYẾT MINH
CHỦ ĐỀ : PHƯƠNG PHÁP GIA
CÔNG BẰNG TIA LASER
NỘI DUNG
I.Khái Niệm và Các Tia Laser Đầu Tiên
II.Nguên Lý Gia Công
III.Thiết Bị và Dụng Cụ
IV.Thông Số kỹ Thuật và Khả Năng Công Nghệ.
V.Đặc Điểm và Dụng C
Page 1
Phương Pháp Gia Công Bằng Tia Laser Nhóm 6
I.KHÁI NIỆM & CÁC TIA LASER ĐẦU TIÊN
I.1.KHÁI NIỆM:
Laser nghĩa là quá trình khuếch đại ánh sáng bằng phát xạ cưỡng bức. Laser được sử
dụng như là một dụng cụ phát ra tia năng lượng tập trung rất mạnh mà trong tương lai gần
trong một số lĩnh vực nào đó, nó là một cuộc cách mạng kỹ thuật trong gia công kim loại.
Hiện tại thì có thể sử dụng thành công trong việc gia công siêu tinh, trong công nghệ hàn
những điểm rất nhỏ và trong luyện kim. Gia công chùm tia laser là quá trình xử lý nhiệt
trong đó tia laser được dùng làm nóng chảy và bốc hơi vật liệu.
Máy tia laser là máy cắt bằng tia sáng hoạt động theo chế độ xung. Năng lượng xung của
nó không lớn, nhưng nó được hội tụ trong một chùm tia có đường kính khoảng 0.01 mm và
phát ra trong khoảng thời gian một phần triệu giây tác động vào bề mặt chi tiết gia công,
nung nóng, làm chảy và bốc hơi vật liệu. Tia sáng ấy được gọi là tia laze, viết tắt theo tiếng
Anh là LASER (light Amplification Simulated Emission of Radiation) và thường dịch
nghĩa tiếng việt là máy phát lượng tử ánh sáng.
I.2.MỘT SỐ TIA LASER ĐẦU TIÊN:
Tia laser đầu tiên được phát minh vào tháng 5 năm 1960 bởi Maiman. Nó là loại laser
hồng ngọc (rắn). Nhiều loại laser đã được phát minh ngay sau laser hồng ngọc – laser
uranium đầu tiên bởi phòng thí nghiệm IBM (tháng 11 năm 1960), laser khí Helium-Neon
đầu tiên bởi Phòng thí nghiệm Bell vào năm 1961, laser bán dẫn đầu tiên bởi Robert Hall ở

này va chạm nhau và tiếp tục phóng ra các proton khác, các proton này nối kết nhau về pha
cũng như về hướng. Quá trình này tiếp diễn cho đến khi các proton chuyển động dọc theo
trục quang học và sau nhiều lần phản xạ các proton này có đủ năng lượng để rời khỏi thanh
laserqua kính số 5, phần còn lại bị phản xạ trở lại và tiếp tục quá trình nhân proton. Khi tia
sáng đã chiếu xuyên qua kính phản chiếu ở hai đầu ra thì hình thành một chùm tia nối tiếp
nhau. Chùm tia này sẽ đi qua một thấu kính hội tụ để tập trung năng lượng tại một điểm,
nếu đặt vật cần gia công tại tiêu điểm này thì nhiệt độ cục bộ tại đó có thể lên đến 8000
0
C
trong 1ms.
 Sau đây là nguyên lý gia công của một loại máy điển hình :
- Hình 5.2 chỉ ra nguyên lý gia công tia lazer trên máy K-3M:
Page 3
2
5
4
1
3
Tia laser
Phương Pháp Gia Công Bằng Tia Laser Nhóm 6
Hình 5.2
Nguyên lý gia công chùm tia laser.
2)Buồng phản xạ ánh sáng
3) Đèn phát xung
4) Thanh hồng ngọc
5) Gương phản xạ toàn phần
6) Gương phản xạ 50%
7) Thấu kính hội tụ
8) Chi tiết gia công
9) Bàn gá

+ Phá hỏng vật liệu gia công và đẩy chúng ra khỏi vùng gia công. Giai đoạn này ứng với
quá trình truyền nhiệt mà bề mặt tác dụng luôn luôn thay đổi theo phương tác dụng của
chùm tia laser.
+ Vật liệu gia công nguội dần sau khi chùm tia laser tác dụng xong
III.THIẾT BỊ VÀ DỤNG CỤ:
Page 5
Hình 5.3. Cắt bằng tia laser
Phương Pháp Gia Cơng Bằng Tia Laser Nhóm 6
III.1.Các loại Laser:
Có nhiều cách để phân loại Laser, nhưng thơng thương người ta thương phân loại laser
theo vật liệu cấu tạo nên mơi trương hoạt tính của chúng. Có thể chia laser thành ba loại
chính như sau: laser rắn, laser lỏng và laser khí.
*Laser rắn:
Có thể nói rằng phần quan trọng nhất của laser là laser với trái tim hồng ngọc. Ra đời sau
laser hồng ngọc là hàng loạt các laser hợp chất. Nhờ việc chế tạo thủy tinh hợp chất một
cách dễ dàng và khá rẻ tiền, nên loại laser này ngày càng chiếm một vị trí quan trọng trong
nhiều lĩnh vực và ứng dụng khác nhau. Laser thủy tinh hợp chất nêodim có công suất
bức xạ lớn và tần số lặp lại cao. Công suất trung bình của chùm ánh sáng có thể đạt
đến hàng trăm KW trong một tương lai không xa.
Nhược điểm của loại laser rắn là hiệu suất thấp, chỉ cỡ 5 ÷ 7%. Tuy nhiên, loại laser
rắn có kích thước tương đối gọn nhẹ nên được ứng dụng trong rất nhiều lónh vực khác
nhau như trong thông tin liên lạc, vô tuyến truyền hình, trong công nghiệp, y tế, quân
sự, …
Trong các loại laser rắn, người ta chú ý nhiều nhất đến laser bán dẫn. Môi trường
hoạt tính của chúng là các bán dẫn loại N hay loại P (gecmani, silic, axenit gali …).
Loại laser bán dẫn có hiệu suất cao hơn hẳn bất kỳ loại laser nào khác. Về lý thuyết,
hiệu suất của các loại laser bán dẫn có thể đạt tới 100%. Tuy nhiên, trên thực tế hiệu
suất của loại laser này chỉ đạt đến 70%. Việc chế tạo loại laser bán dẫn cũng còn gặp
một số khó khăn kỹ thuật, do đó hiệu suất của chúng chưa đạt được cao lắm. Tất
nhiên, so với các loại laser khác như laser khí (hiệu suất 20%), laser rắn (hiệu suất

Một trong những phương hướng mới của laser là laser có môi trường hoạt tính chất
lỏng. Có hai loại chất lỏng thường dùng là các hỗn hợp hữu cơ kim loại và chất màu.
Loại hỗn hợp hữu cơ kim loại chứa một số nguyên tố hiếm như êropi. Môi trường hữu
cơ đóng vai trò trung gian, nhận năng lượng cho nguồn ánh sáng kích thích, truyền lại
cho các nguyên tử êropi. Các nguyên tử êropi bò kích thích và bức xạ ánh sáng với
bước sóng 0,61 µm (màu đỏ).
Nhược điểm của các loại laser hữu cơ lỏng là môi trường hoạt tính không bền vững,
chất hữu cơ bò phân hủy dưới tác động của ánh sáng kích thích. Gần đây người ta thay
chất hữu cơ bằng chất vô cơ để tránh sự phân hủy nói trên. Loại laser chất lỏng vô cơ
có công suất bức xạ và hiệu suất khá cao, có thể sánh vai cùng các loại laser rắn với
hợp chất nêodim. Hiện nay loại laser vô cơ lỏng có thể cho công suất trung bình gần
500 W ở chế độ xung, và ở chế độ xung đơn với năng lượng hàng trăm Jun.
Tuy nhiên, chất lỏng oxít clorua selen là một loại chất độc, có hại cho cơ thể con
người, do đóù khi làm việc với nó phải tuân theo nhiều biện pháp an toàn phức tạp.
Nói chung, cũng như các loại laser khác, laser chất lỏng cũng có những ưu điểm riêng
của nó. Điều dễ dàng nhìn thấy nhất là việc làm nguội môi trường hoạt tính rất đơn
giản, bằng phương pháp lưu thông dòng chất lỏng trong laser .
Các loại laser như đã nói ở trên đều cần nguồn cung cấp điện để tạo ra môi trường
hoạt tính. Nguồn điện năng được sử dụng có thể dưới dạng dòng điện cao tầng để ion
hóa hỗn hợp khí trong laser khí, hoặc dòng điện một chiều chạy qua lớp tiếp xúc P-N
trong laser bán dẫn, hoặc dưới dạng ánh sáng đèn chiếu sáng như trong các laser rắn
… Các phương pháp kích thích môi trường hoạt tính này đều có hiệu suất khá cao và
cho công suất bức xạ của laser lớn. Tuy nhiên, trong thực tế không phải nơi nào cũng
có nguồn điện năng. Như vậy, sự ra đời của laser khí động học và laser hóa học là
một giải pháp thực tế nhất.
*Laser Gama:
Page 7
Phương Pháp Gia Cơng Bằng Tia Laser Nhóm 6
Trong những năm gần đây, ngành điện tử lượng tử đã phát triển rất mạnh. Sự phát
triển của nó gắn liền với sự phát triển của kỹ thuật điện tử, quang học, vật lý, hóa học

III.2.Cấu tạo máy laser:
Những nguyên tử, cũng tương tự như phân tử, cũng có cấu trúc năng lượng, các mức
đó mang tính chất lượng tử, khoảng cách các mức cũng cố đònh với từng loại phân tử.
Nhờ đó mà các phân tử đều có thể bức xạ điện tử nếu chúng bò kích thích. Muốn cho
các nguyên tử phát ra ánh sáng (sóng điện từ nói chung) chúng phải được kích thích,
tức là electron phải được đẩy lên mức năng lượng cao hơn. Có thể dùng: đốt nóng,
dùng ánh sáng mạnh chiếu vào, dòng điện đi qua. Khi nhận năng lượng này electron
Page 8
Phương Pháp Gia Cơng Bằng Tia Laser Nhóm 6
nhảy lên mức năng lượng cao hơn, chúng sống tạm một thời gian ở mức năng lượng
mới và sẽ trở về mức năng lượng cũ và phát ra ánh sáng. Do đặc điểm bức xạ tự phát
nên trong một thời điểm electron chuyển mức năng lượng bức xạ ra proton khác tạo
nên một quá trình vô cùng nhanh. Khi các electron chuyển mức năng lượng thì quá
trình bức xạ sẽ dừng lại, do đó chúng ta phải có nguồn kích thích năng lượng từ bên
ngoài để tiếp tục đẩy các electron lên mức cao hơn.
Tóm lại tia laser truyền đi đơn sắc, song song với độ phân kỳ lớn, độ sáng cao, tiêu
biểu cho sự khuyếch đại ánh sáng bởi sự bức xạ được kích hoạt. Máy laser là một bộ
phận tạo ra bức xạ ánh sáng với các mức năng lượng lớn và có thể điều khiển được.
Khi chiếu vào một vật liệu mức năng lượng này đủ lớn để gây ra hiệu ứng cục bộ.
Sức nóng của tia laser được điều khiển để ra kết quả mong muốn ở vùng cụ thể và
đảm bảo biến dạng là nhỏ. Dưới đây là nguyên lý máy laser:
Hình 5.4. Sơ đồ nguyên lý máy laser.
*Máy laser được cấu tạo bởi 3 phần chính sau:
III.2.1.Môi trường hoạt tính:
Là phần quan trọng nhất có nhiệm vụ phát ra sóng điện từ hay sóng ánh sáng. Tuỳ
theo yêu cầu kỹ thuật người ta có thể dùng các loại hoạt tính là chất lỏng, chất rắn,
khí. Một số chất thường được sử dụng hoạt tính là:
+ Chất khí: N
2
, H

phương pháp kích thích đơn giản.
Đối với laser rắn dạng tròn, môi trường hoạt tính là chất rắn dạng tròn, chữ nhật,
dạng tâm … Người ta thường dùng nguồn ánh sáng kích thích từ bên ngoài.
* Môi trường hoạt tính khí:
Loại laser khí được sử dụng tương đối phổ biến vì việc kích thích phóng điện và
điều khiển tương đối dễ dàng. Ta có thể chia làm 3 loại laser khí: nguyên tử trung
hòa, loại ion hóa, loại phân tử.
Phần cơ bản của máy laser là ống kính làm bằng thủy tinh hay sứ chứa môi trường
khí, hai đáy của ống hình trụ làm bằng muối đá hay axê magali cho ánh sáng đi qua
với bước sóng 0,16 µm để làm giảm sự mất mát do sự phản xạ trở lại từ bề mặt các
cửa sổ. Các cửa sổ này nếu đặt nghiêng với trục của ống 1 góc Bruster thì không bò
phản xạ lại. Để kích thích sự phóng điện bằng dòng điện một chiều hay xoay chiều
tần số thấp, đưa hai cực vào ống và nối chúng với nguồn điện áp. Với dòng điện xoay
chiều tần số cao, chỉ cần kích thích sự phóng điện bằng cách đưa điện áp đến hai vành
kim loại áp vào thành ngoài ống. Để tạo sự phản hồi dương ở hai đầu ống khí, đặt hai
gương quang học tạo thành hệ cộng hưởng mở mang tên Phabripero. Hai gương này
phải song song và vuông góc trục ống. Nhờ hệ thống như gương này Proton sinh ra do
bức xạ sẽ di chuyển qua môi trường hoạt tính nhiều lần. Một trong hai gương sẽ là
gương trong suốt.
Hình 5.5. Sơ đồ nguyên lý laser khí.
Page 10
Máy phát
Tia laser
Cửa sổ
ng chứa khí
Gương phản xạ
Phương Pháp Gia Cơng Bằng Tia Laser Nhóm 6
*Môi trường hoạt tính rắn:
Muốn laser trạng thái rắn phù hợp tốt nhất là dùng loại ống thủy tinh Neon đen làm
ống dẫn chùm laser. Các đầu cuối của ống được cấu tạo hai gương phản xạ. Một mặt

Muốn cho môi trường hoạt tính làm việc ta phải tạo nên vùng đảo hạt ở mức năng
lượng cao. Để làm được việc đó chúng ta phải cung cấp cho môi trường hoạt tính một
năng lượng. Có nhiều phương pháp để kích thích môi trường hoạt tính.
Hình 5.7. Các loại nguồn kích thích.
Nguồn sáng đèn: phương pháp này thường được sử dụng với các laser rắn, nguồn ánh
sáng gồm một hay nhiều đèn xenon. Để tập trung ánh sáng từ các đèn lên môi trường
hoạt tính người ta dùng hệ thống gương phản chiếu. Đối với thanh hoạt tính hình trụ
hệ thống gương hình ellipe. Ngoài ra người ta còn dùng các loại đèn chiếu hình xoắn.
Page 12
Gương phản chiếu
Thanh hoạt tính
A
C
B
D
Phương Pháp Gia Cơng Bằng Tia Laser Nhóm 6
Hình 5.8. Nguồn sáng đèn với laser và hệ thống quang học HL 54 P.
Nguồn kích thích dòng điện: đối với môi trường hoạt tính khí người ta thường dùng
dòng điện cao tầng để tạo nên môi trường phóng điện ion hóa. Đối với dòng điện một
chiều hay tần số thấp người ta phải đưa điện cực trực tiếp vào môi trường khí.
Bộ cộng hưởng quang học: sau khi tạo được lớp đảo, môi trường hoạt tính trở thành
môi trường khuyếch đại ánh sáng. Để có thể nhận được ánh sáng phải tạo nên một
phản hồi dương. Bộ cộng hưởng quang học đóng vai trò này và là bộ phận hướng tia
ánh sáng chọn lọc.
Hình 5.9. Vòi phun khí điển hình.
Bộ cộng hưởng quang học là hệ thống gương quang học. Trên bề mặt phản chiếu
của gương có phủ một lớp kim loại hoặc một lớp điện môi. Một trong hai gương kia
phải là gương bán trong suốt. Trong trường hợp gương làm bằng kim loại phải khoan
một lỗ cho ánh sáng đi qua, trong laser khí gương cộng hưởng nằm ở hai đầu ống. Đối
với laser rắn gương hoạt tính đồng thời là hai mặt của thanh hoạt tính. Ngoài các