Nguyên lý bên trong ống phóng Laser CO2

1/ Bản chất của Laser CO2 là gì?

Trong một phân tử laser khí, laser được thực hiện bằng sự chuyển đổi giữa các cấp độ rung động và luân chuyển của phần tử (Hay nói cách khác là chuyển đổi cấp độ về mức năng lượng). Nó được cấu trúc một cách đơn giản và chùm tia ở đầu ra của laser là liên tục. Trong laser phân tử khí CO2, quá trình chuyển đổi diễn ra giữa các trạng thái rung động của các phân tử khí CO2 (hay nói cách khác là chuyển đổi giữa các mức năng lượng của CO2)

laser co2 là gì?

1.1/ Phân tử khí Laser CO2

Laser CO2 là phân tử khí laser đầu tiên được phát triển bởi nhà khoa học người mỹ gốc Ấn Độ Prof.C.K.N.Pillai. Nó là Laser 4 cấp và vận hành ở bước sóng 10.6μm ở vùng hồng ngoại.

2/ Nguyên lý hoạt động

Hoạt động mức trung bình là khí gas trộn lẫn giữa CO2, N2 và khí He. Quá trình chuyển đổi Laser diễn ra giữ các trạng thái dao động của phân tử khí CO2 (Hay nói một cách dễ hiểu hơn đó là việc các phân tử khí CO2 chuyển đổi giữa các mức trạng thái năng lượng). Việc chuyển từ trạng thái có mức năng lượng cao sang mức năng lượng thấp sẽ giải phóng ra các photon và quá trình cứ liên tục như vậy tạo ra những chùm tia laser.

3/ Cấu tạo

Nó bao gồm một ống thủy tinh dài. Bên trong ống được nạp đầy khí CO2, Heli và N2 với một áp suất thích hợp. Ở bộ phận đầu vào cuối của ống được kết nối với nguồn điện DC. Tại các điểm đầu mút của ống laser được lắp vào thấu kính để tia sáng laser sau khi tạo ra bị phân cực. Các thành phần còn lại tạo thành một bộ cộng hưởng quang.

Khi hiện tượng phóng điện xảy ra trong khí, các electron va chạm với phân tử N2 và chúng sẽ chuyển sang trạng thái bị kích thước. Qua trình này được thể hiện thông qua một số biểu thức bến dưới

N2 + e* = N2* + e

  • N2: Phân tử N2 trong trạng thái bình thường
  • e*: Electron có động năng
  • N2*: Phân tử N2 ở trạng thái kích thích
  • e: Electron với mức năng lượng thấp (bị mất năng lượng)

Tiếp theo, các phân tử N2 ở trạng thái kích thích va chạm với các phân tử CO2 ở trạng thái thông thường và kích thích đến mức điện tử cao, dao động và luân chuyển cũng sẽ cao.

Quá tình này được thể hiện bằng biểu thức bên dưới:

N2* + CO2 = CO2* + N2

  • N2*: Phân tử N2 ở trạng thái kích thích
  • CO2: Phân tử CO2 ở trạng thái bình thường
  • CO2*: Phân tử CO2 ở trạng thái bị kích thích
  • N2: Phân tử N2 ở trạng thái bình thường

Khi mức độ bị kích thích của N2 gần với mức E5 của phần tử CO2, Mật độ trong mức E5 gia tăng. Khi mật độ bị đảo ngược, những photon phát xạ tự sinh ra và làm cho ống phóng laser hoạt động.

  1. Mức năng lượng từ E5 về E4 sẽ tạo ra chùm tia laser với bước sóng 10.6μm
  2. Mức năng lượng từ E5 về E3 sẽ tạo ra chùm tia laser với bước sóng 9.6μm. Thông thường chùm tia với bươc sóng 10.6μm có cường độ lớn hơn chùm tia laser có bước sóng 9.6μm. Năng lượng của chùm laser là 10kW

nguyên lý hoạt động của laser co2

Laser CO2 thường được sử dụng để tạo ra một chùm tia laser, mắt thường chúng ta sẽ không thể nhìn thấy được, nhưng có thể đi xuyên qua không khí vì vậy dược sử dụng để cắt hoặc hàn các thiết bị trong công nghiệp. Khắc Laser CO2 đã phổ biến từ những năm 1970. Trong khoảng thời gian này, Laser CO2 được dùng trong các hệ thống phòng thù, nhưng họ đã sớm nhận ra các vấn đề về định vị và hội tụ ở khoảng cách xa. Laser CO2 không được xem xét ở vai trò này nữa. Tuy nhiên, họ vẫn sử dụng nó với mục đích chỉ định mục tiêu

Lưu ý: Quá trình hoạt động sẽ sinh ra rất nhiều nhiệt bên trong ống thủy tinh nên cần phải có hệ thống giải nhiệt

4/ Ứng dụng ngày nay

Ngày nay công nghề này được ứng dụng rất nhiều trong sản xuất, chế tạo các loại máy móc công nghiệp phục vụ cho việc gia công cắt – khắc trên rất nhiều các loại vật liệu: kim loại, gỗ, thủy tinh, vải, trái cây, nhựa,… Ngoài ra nó còn được ứng dụng trong lĩnh vực y tế

Chùm tia laser được phát ra từ ống phóng CO2 sẽ được bộ gương và thấu kính kiểm soát đướng đi và hội tụ lại một điểm để đạt được năng lượng lớn cực đại. Cơ cấu điều khiển các trục X, Y, Z hoặc gương lật sẽ điều khiển gia công theo biên dạng.

Lưu ý: Bộ gương phản xạ và thấu kính hội tụ được làm từ các loại vật liệu đặt biệt cũng như việc gia công là chính xác cao để đảm bảo độ hiệu quả