Khoan vi lỗ trên vật liệu thép không gỉ, sử dụng Laser xung hòa ba bậc hai của Nd:YAG

Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> KHOAN VI LỖ TRÊN VẬT LIỆU THÉP KHÔNG GỈ, SỬ DỤNG<br /> LASER XUNG HÒA BA BẬC HAI CỦA Nd:YAG<br /> Phan Đình Thắng1*, Đặng Văn Mười1, Hoàng Chí Hiếu2, Hồ Anh Tâm3<br /> Tóm tắt: Công nghệ khoan laser có thể tạo được vi lỗ có đường kính rất nhỏ cỡ<br /> vài chục micro mét. Khi chùm bức xạ laser có bước sóng nằm trong vùng tử ngoại,<br /> đường kính vi lỗ có thể nhỏ dưới 20 µm. Công nghệ này được sử dụng trong nhiều<br /> ứng dụng như: chế tạo các thiết bị vòi phun, khe cắm, màng lọc sử dụng trong các<br /> thiết bị đo đạc, cảm biến sinh học, thiết bị kết nối mật độ cao, thiết bị y tế, các thành<br /> phần thiết bị hàng không vũ trụ. Công nghệ khoan laser sử dụng phổ biến bước<br /> sóng trong dải tử ngoại (UV), vùng nhìn thấy (VIS), và vùng hồng ngoại (IR). Thiết<br /> bị khoan laser xung Nd:YAG bơm bằng laser diode, công suất liên tục ở bước sóng<br /> hòa ba bậc hai 532 nm có thể lên tới 50W mà chúng tôi nghiên cứu và thử nghiệm,<br /> có thể khoan được những vi lỗ kích thước dưới 100 µm. Trong nghiên cứu này<br /> chúng tôi tập trung vào loại vật liệu là những tấm thép không gỉ có độ dày từ 0.1<br /> mm tới 0.5 mm.<br /> Từ khóa: Khoan vi lỗ Inox 304, Laser xung Nd:YAG hòa ba bậc hai.<br /> <br /> 1. MỞ ĐẦU<br /> Công nghệ khoan laser có ưu điểm nổi bật là không tiếp xúc cơ học, do đó có<br /> thể giảm đáng kể các tác động của lực cơ khí và đảm bảo duy trì sự ổn định bề mặt<br /> tấm kim loại, không gây lệch tâm vi lỗ và ít gây biến dạng vùng khoan. Những ưu<br /> điểm công nghệ khoan laser xung Nd:YAG có được bao gồm: mật độ năng lượng<br /> cao, mật độ công suất hội tụ qua thấu kính lớn (hơn 90%)[1], vùng ảnh hưởng nhiệt<br /> hẹp, chất lượng về mặt khoan cắt cao, phù hợp với ứng dụng khoan chính xác vi lỗ<br /> trên những tấm thép không gỉ. Hơn thế nữa, chi phí thiết kế, chế tạo và vận hành<br /> cho một hệ khoan laser thấp hơn nhiều so với các phương pháp khác như: phương<br /> pháp chùm điện tử, phương pháp quang khắc, phương pháp phóng điện. Chính vì<br /> thế, công nghệ khoan laser được xem là một hướng nghiên cứu, thử nghiệm có rất<br /> nhiều triển vọng. Bên cạnh đó, bức xạ laser có thể hoạt động ở chế độ phát xung,<br /> tần số xung lớn, và sự ổn định cao.<br /> Trong quá trình khoan bằng laser xung, năng suất và chất lượng vi lỗ phụ<br /> thuộc vào các tham số như: mật độ công suất laser, độ rộng xung, tần số xung,<br /> tốc độ khoan, vị trí tiêu cự, chất lượng vật liệu, khí bổ trợ. Những tham số này<br /> ảnh hưởng trực tiếp tới quá trình, mức độ tương tác của chùm bức xạ laser lên vật<br /> liệu thép không gỉ. Mật độ công suất laser là tham số quyết định khả năng khoan<br /> thủng vật liệu, trong khi đó độ rộng xung và tần số xung là hai tham số quan<br /> trọng ảnh hưởng tới chất lượng vi lỗ. Trong thời gian chùm bức xạ laser tương<br /> tác lên bề mặt vật liệu, tại vùng tương tác, năng lượng nhiệt từ laser truyền sang<br /> vật liệu. Hình thành một trường nhiệt độ liên tục trên độ dày nhất định của tấm<br /> thép không gỉ, vùng nhiệt này chịu ảnh hưởng lớn từ tham số độ rộng xung và tần<br /> số xung[2]. Sử dụng laser xung ngắn sẽ tập trung được năng lượng vào một diện<br /> tích rất nhỏ, do vậy hạn chế được sự mở rộng của vùng nhiệt. Ngoài ra, còn tránh<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 44, 08 - 2016 105<br />  Vật<br /> ật lý<br /> <br /> được những tác động của sóng xung kích do laser xung ddài<br /> được ài hoặc<br /> hoặc laser liên<br /> liên ttục<br /> ục<br /> tương tác lên vvật<br /> ật liệu.<br /> 2. TH<br /> THỰC<br /> ỰC NGHIỆM<br /> 2.1. Tương tác laser xung Nd:YANd:YAG G bư<br /> bướcớc sóng 532 nm với vật liệu<br /> Sựự ttương<br /> ương tác gi<br /> giữa<br /> ữa laser – vật<br /> vật liệu bắt đầu khi bức xạ laser tiếp xúc với ới bề mặt<br /> vật<br /> ật liệu vvàà được<br /> được xác định qua hiệu suất năng llư ượng<br /> ợng laser truyền vvàoào vvậtật liệu. Sự<br /> tương tác laser – vvật<br /> ật liệu đđược<br /> ợc mô tả qua ba quá tr trình<br /> ình ph<br /> phản<br /> ản xạ, hấp thụ, vvàà truy<br /> truyền<br /> ền<br /> qua. Trong đó ssựự hấp thụ laser của vật liệu kim loại thay đổi rất chậm trong vvùn ùng<br /> g<br /> bước sóng hồng ngoại (IR) tới thay đổi mạnh trong vvùng<br /> bước ùng bư<br /> bước<br /> ớc sóng khả kiến (VIS)<br /> [3]<br /> và vùng ttửử ngoại (UV) nhnhưư trong hình<br /> hình 1 ddưới<br /> ới đây . S Sựự hấp thụ photon của vật liệu<br /> cũng<br /> ũng phụ thuộc vvào ào nhi ệt độ, cụ thể th<br /> nhiệt thìì khi nhiệt<br /> nhiệt độ kim loại tăng th thìì ssự<br /> ự hấp thụ<br /> photon ccủaa kim lo<br /> loại<br /> ại cũng tăng theo.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 1. 1 HệHệ số hấp thụ phụ thuộc vvào ào bước<br /> bước sóng của một số loại vật liệu [3] [3].<br /> Khi tương tác vvới ới vật liệu llàà nguồn<br /> nguồn laser xung, năng llượng<br /> ợng ttương<br /> ương tác vvới<br /> ới vật liệu<br /> [4]<br /> lớn<br /> ớn hhơn<br /> ơn nhi<br /> nhiềuều so với năng llượng ợng của bức xạ laser li<br /> liên<br /> ên tục<br /> tục . Khoan vvật ật liệu bằng<br /> laser xung ng ngắn,<br /> ắn, vi lỗ đđược<br /> ợc tạo thành<br /> thành nh<br /> nhờờ vào<br /> vào quá trình bbốc<br /> ốc bay vật liệu, vật liệu<br /> nóng chảy<br /> chảy và và đư<br /> được<br /> ợc khí bổ trợ gia công loại bỏ. Vật liệu hấp thụ năng llượng ợng ch<br /> chùm<br /> ùm<br /> tia laser và chuy<br /> chuyểnển pha từ pha rắn sang pha lỏng (nóng chảy), vvàà pha khí (b (bốc<br /> ốc ba<br /> bay,<br /> y,<br /> plasma) khi năng lư lượng<br /> ợng ch ùm bức<br /> chùm bức xạ laser đủ lớn.<br /> Công suất<br /> suất laser ảnh hhưởng ởng trực tiếp tới kết quả quá tr trình<br /> ình khoan vi llỗ,ỗ, độ ddài<br /> ài<br /> xung ảnh hưởng<br /> h ởng trực tiếp tới chất llượng ợng khoan vi lỗ cũng nh như ư hệ<br /> hệ số dẫn nhiệt của<br /> vật<br /> ật liệu vvàà lượng<br /> lượng vật liệu bốc bay. Theo các nghiên cứu cứu của D.K. Harrison vvàà các<br /> ộng sự[5] mật<br /> cộng ật độ công suất llàà một<br /> một hhàm<br /> àm ccủa<br /> ủa độ rộng xung vvàà đường<br /> đường kính vết laser<br /> hội<br /> ội tụ nh<br /> nhưư trong h hình<br /> ình 2:<br /> <br /> <br /> 106 P Đ. Th<br /> Thắng,<br /> ắng, Đ.<br /> Đ.V.<br /> V. Mư<br /> Mười,<br /> ời, …<br /> …,, “Khoan<br /> “Khoan vi llỗỗ tr<br /> trên<br /> ên vật<br /> vật liệu thép<br /> thép… hòa ba bbậc Nd:YAG.””<br /> ậc hai của Nd:YAG<br /> Nghiên ccứu<br /> ứu khoa học công nghệ<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 22. Mật<br /> Mật độ công suất llàà hàm ccủa<br /> ủa đđư<br /> đường<br /> ờng kính vết laser vvà<br /> à độ<br /> độ rộng xung, mật<br /> 9 2<br /> độ<br /> ộ công suất có thể đạt đđược<br /> ợc 10 W/mm<br /> W/mm với<br /> với đư<br /> đường<br /> ờng kính laser cỡ 0.1 mm<br /> và độ<br /> độ rộng xung 2 ns [5][5].<br /> Theo đó, đđểể có đđư<br /> ược<br /> ợc mật độ công suất lớn, th thìì laser đư<br /> được<br /> ợc sử dụng phải có độ<br /> rộng<br /> ộng xung ccàng<br /> àng ng<br /> ngắn<br /> ắn vvàà đường<br /> đường kính vết laser ccàng<br /> àng nhỏ<br /> nhỏ càng<br /> càng ttốt,<br /> ốt, và<br /> và công su<br /> suất<br /> ất đỉnh<br /> của<br /> ủa xung laser đđược<br /> ợc tính theo biểu th<br /> thức:<br /> ức:<br /> E xung<br /> Pp  (1)<br /> tP<br /> đường kính df vvết<br /> Và đường ết laser hội tụ tỷ lệ với bbước<br /> ớc sóng bức xạ laser λ, và<br /> và ttỷ<br /> ỷ lệ nghịch<br /> với<br /> ới đđường<br /> ờng kính chùm laser d trước<br /> chùm trước khi đi qua thấu kính hội tụ, theo hệ biểu thức:<br /> 4 F<br /> df <br /> d (2)<br /> Trong đó PP – công su ất đỉnh [W], Exung – năng lượng<br /> suất lượng trong một xung laser [J],<br /> tP – đđộ<br /> ộ rộng xung [s], df – đường<br /> đường kính vết laser, F – tiêu ccự ự thấu kính. Theo công<br /> thức (2), để giảm đđường<br /> thức ờng kính vết laser hội tụ có thể thực hiện bằng cách sử dụng<br /> hệệ mở rộng ch chùm<br /> ùm tia làm tăng đường<br /> đường kính chchùm<br /> ùm tia laser. Ngoài ra, hhệệ mở rộng<br /> chùm tia có kh khảả năng tạo chchùm<br /> ùm tia tr<br /> trực<br /> ực chuẩn (ch<br /> (chùm<br /> ùm song song), và làm gi giảm<br /> ảm góc<br /> phân kkỳ ỳ chùm<br /> chùm tia. H Hệệ mở rộng ch chùm<br /> ùm tia có ccấu<br /> ấu trúc thiết kế giống với thết kế<br /> Gallieo, thu hhẹpẹp đư<br /> được<br /> ợc khoảng cách chiều ddài ài giữ<br /> giữaa các th ấu kính của hệ mở rộng[6]<br /> thấu<br /> và đư<br /> được<br /> ợc mô tả trong hhìnhình 3 dư<br /> dưới<br /> ới đây.<br /> Trong thí nghi<br /> nghiệmệm nnày,<br /> ày, chúng tôi ssửử dụng laser Nd:YAG nhân tần bậc hai có độ<br /> rộng<br /> ộng xung 20 ns, tần số phát laser đđược ợc điều chỉnh thông qua điều chỉnh tần số Q Q--<br /> Switch ttừừ 0.5 – 20 Khz. Tinh thểể phi tuyến KTP có kích th thư<br /> ước<br /> ớc 5x5x7 mm vvàà đư được<br /> ợc<br /> phủ lớp chống phản xạ đđư<br /> phủ ược<br /> ợc sử dụng tạo ra bbư ước<br /> ớc sóng hhòa òa ba bậc<br /> bậc hai 532 nm.<br /> Thanh ho hoạtạt chất laser Nd:YAG đđược ợc bbơm<br /> ơm bằng<br /> bằng laser diode với kỹ thuật bbơm ơm<br /> CIDER – kỹ kỹ thuật bbơm<br /> ơm side-pumped,<br /> side pumped, kích thích ph phản<br /> ản xạ nội. Theo<br /> Theo tài li ệu nghi<br /> liệu nghiên<br /> ên<br /> cứu<br /> ứu [8] ththìì hiệu<br /> hiệu suất chuyển đổi quang – quang có th thểể đạt đđược<br /> ợc 18.47 %, vvàà hihiệu<br /> ệu<br /> suất chuyển đổi điện – quang tương ứng llàà 7.1 %. Như vvậy<br /> suất ậy trong hệ laser khoan<br /> nghiên ccứuứu này,<br /> này, công su ất điện bơm<br /> suất bơm cho laser diode ttối ối đa có thể đạt đđược<br /> ợc 630 W<br /> tương ứng tạo ra công suất laser diode có thể đạt đđược ợc 242 W vvàà công su suất<br /> ất laser<br /> <br /> <br /> Tạp<br /> ạp chí Nghi<br /> Nghiên<br /> ên cứu<br /> cứu KH<br /> KH&CN<br /> &CN quân<br /> uân sự,<br /> sự, Số 44<br /> 44, 088 - 2016<br /> 20 6 107<br />  Vật<br /> ật lý<br /> <br /> hòa ba bbậc<br /> ậc hai λSHG có th<br /> thểể thu đư<br /> được<br /> ợc là<br /> là 44.7 W. Sơ đđồ<br /> ồ bố trí hệ thí nghiệm đđược<br /> ợc cho<br /> trong hình 5, vvới<br /> ới chiều ddài<br /> ài buồng ởng L = 550 mm, hhệệ số mở rộng ch<br /> buồng cộng hhưởng chùm<br /> ùm<br /> tia 2x.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> 3 Sơ đồ<br /> Hình 3. đồ cấu trúc buồng cộng hhư<br /> ưởng<br /> ởng<br /> hhệệ laser Nd:YAG QQ-Switching<br /> Switching nhân ttần<br /> ần bậc hai<br /> hai.<br /> 2.2. Tính toán các tham ssố ố thực nghiệm<br /> Trong thí nghi<br /> nghiệm<br /> ệm nnày,<br /> ày, chúng tôi ssẽẽ khảo sát công suất li<br /> liên<br /> ên tục<br /> tục của laser hhòa<br /> òa ba<br /> bậc<br /> ậc hai λSHG, và từ<br /> từ đó tính toán năng llưượng<br /> ợng laser phát và công su<br /> suất<br /> ất đỉnh xung laser.<br /> Giả sử rằng, mật độ nghịch đảo phân tử, nguy<br /> Giả nguyên<br /> ên tử<br /> tử của trạng thái ban đầu (ngay<br /> trước khi phát xung) llàà ni, phụ thuộc vvào<br /> trước ào mật<br /> mật độ nghịch đảo trạng thái cuối (ngay<br /> sau khi phát xung) nf theo hhệệ thức[8].<br /> 1<br /> s f<br /> ni  n  n  n f e<br /> (3)<br /> Trong đó, f là tần<br /> tần số lặp lại xung,  s là thời<br /> thời gian phát xạ tự phát của mức laser<br /> trên, phương trtrình<br /> ình (3) áp ddụngụng cho chế độ bbơm ục đồng nhất, n  là m<br /> ơm liên ttục ật độ tiệm<br /> mật<br /> cận<br /> ận phụ thuộc vvàoào ttỷỷ lệ bbơm<br /> ơm và mật<br /> mật độ nghịch đđảo<br /> ảo lớn nhất có thể đạt đđược<br /> ợc (có thể<br /> đạt<br /> ạt đđược 1/f >>  s ). Giá trị<br /> ợc khi 1/f trị của n  có thể<br /> thể tính được<br /> đ ợc dựa vvào<br /> ào công su ất phát li<br /> suất liên<br /> ên<br /> ục Pcw, thu được<br /> tục được khi độ phẩm chất buồng cộng hhư ưởng<br /> ởng Q đạt giá trị lớn nhất.<br /> Pcw s<br /> n   nng (4)<br /> hvV<br /> đó hv là năng lư<br /> Trong đó, ợng photon, vvàà V thể<br /> lượng thể tích laser hiệu dụng, nng là ngư<br /> ngưỡng<br /> ỡng<br /> mật độ nghịch đảo,  là hhệệ số li<br /> mật liên<br /> ên kết<br /> kết ngo<br /> ngoài:<br /> ài:<br /> <br /> 1 1  1  <br /> (5)<br /> nng   ln  <br />   l   r1r2  <br /> ln r1 (6)<br />  2<br /> ln   ln r1  ln r2  2  l<br /> Trong đó, ết diện ngang phát xạ kích thích, l là chi<br /> đó  tiết chiều<br /> ều ddài<br /> ài thanh ho ạt chất, <br /> hoạt<br /> là tín hiệu<br /> hiệu Q-<br /> Q-switch<br /> switch truy ền qua lớn nhất, r1 và r2 tương ứng llàà hệ<br /> truyền hệ số phản xạ của<br /> gương trư<br /> trước<br /> ớc và<br /> và gương sau,  là hệ<br /> hệ số mất mát thanh laser.<br /> M t độ<br /> Mật độ nghịch đảo ngay sau khi một xung laser phát ra llàà một một hàm<br /> hàm ssố<br /> ố của mật<br /> độ<br /> ộ nghịch đảo ngay tr trước<br /> ớc khi xung laser phát ra vvàà ngư<br /> ngưỡngỡng mật độ nghịch đảo, từ<br /> đó ccũng<br /> ũng có thể xác định đđược ợng trong một xung laser phát ra Exung và<br /> ợc năng llượng<br /> suất phát trung bbìnhh Ptb:<br /> công suất<br /> ni  n f  nng ln ni / n f  (7)<br /> <br /> <br /> 108 P Đ. Th<br /> Thắng,<br /> ắng, Đ.<br /> Đ.V.<br /> V. Mư<br /> Mười,<br /> ời, …<br /> …,, “Khoan<br /> “Khoan vi llỗỗ tr<br /> trên<br /> ên vật<br /> vật liệu thép<br /> thép… hòa ba bbậc Nd:YAG.””<br /> ậc hai của Nd:YAG<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> E xung  ( ni  n f )hvV (8)<br /> Ptb  E xung f (9)<br /> Từ thời gian chùm laser di chuyển hết một vòng buồng cộng hưởng tR = 2L/c (L<br /> là chiều dài buồng cộng hưởng), ta có thể tính được công suất đỉnh laser phát xung<br /> tỷ lệ nghịch với chiều dài buồng cộng hưởng[8]:<br /> 1<br /> Vhv ln  <br /> Pp   r1  n  n  ni <br />  (10)<br /> 1  i ng  <br /> tR   nng <br /> 2<br /> Từ các phương trình (3), (4), (8) ta có thể tính toán năng lượng một xung laser<br /> theo công suất laser phát liên tục.<br /> <br />  <br />  1 /  s f  nf<br />   (11)<br /> E xung  Pcw s 1  e 1   <br />  n <br />  <br /> Trong đó, n  = ( n - nng)/nng, n f = (nng - nf)/nng là các biến chuẩn hóa từ các<br />  <br /> biến gốc của chúng. Giá trị của các biến này 0 < n  <  , 0 < n f < 1, giá trị của<br /> <br /> n f có thể tính được bằng cách giải phương trình (3) và phương trình (7), và chú ý<br />      <br /> rằng từ phương trình (7) giá trị n f < n i , từ điều kiện n i < n  nên 0 < n f < n <br /> và do vậy hệ số ngoài cùng của phương trình (11) có giá trị trong vùng từ 1 đến 2.<br /> Một cách đơn giản trong phương trình (11) năng lượng xung laser chỉ phụ thuộc<br /> vào công xuất phát liên tục, thời gian sống ở mức laser trên và tần số lặp lại xung f,<br /> và hệ số khác như tiết diện ngang bức xạ kích thích laser hoặc phẩm chất dương<br /> của buồng cộng hưởng.<br /> Các giá trị tham số của laser và Q-Switch được tính toán trong bảng sau:<br /> Bảng 1. Các tham số laser và Q-Switch.<br /> Tham số Laser P: công suất liên tục ở bước sóng laser cơ bản 1064 nm<br /> Nd:YAG τs: thời gian bức xạ tự phát mức laser trên<br /> P = cw (W) 100 λ: bước sóng laser cơ bản 1064 nm<br />  s (ms) 0.23 V: thể tích laser hiệu dụng<br /> l: chiều dài thanh hoạt chất Nd:YAG<br /> λ (µm) 1064 L: chiều dài buồng cộng hưởng<br /> V (cm3) 0.02 r1: hệ số phản xạ của gương trước với bước sóng 532 nm<br /> l (mm) 75 r2: hệ số phản xạ gương sau<br /> L (mm) 550  : tỷ số tín hiệu truyền qua Q-Switch lớn nhất<br /> r1 0.8<br /> r2 0.997 β: hệ số mất mát trong thanh laser<br /> σ: tiết diện phát xạ kích thích<br />  0.987<br /> -1<br /> txung: độ rộng xung<br />  (cm ) 0.0023<br />  cm2 8.7x10-19<br /> txung (ns) 20<br /> <br /> <br /> Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số 44, 08 - 2016 109<br />  Vật<br /> ật lý<br /> <br /> 3. KẾT<br /> KẾT QUẢ V<br /> VÀ<br /> À THẢO<br /> THẢO LUẬN<br /> 3.1. Hi<br /> Hiệu<br /> ệu suất laser phát h hòa<br /> òa ba bậc<br /> b hai<br /> Tính toán hi<br /> hiệu<br /> ệu suất chuyển đổi bbư ước<br /> ớc sóng khi nhân tần sử dụng tinh thể phi<br /> tuyến KTP llàà bư<br /> tuyến bước<br /> ớc quan trọng để kiểm tra chất llượng ợng buồng cộng hhưởng<br /> ởng và<br /> và đi<br /> điều<br /> ều<br /> chỉnh công suất phát laser hhòa<br /> chỉnh òa ba bbậc<br /> ậc hai, hiệu suất chuyển đổi bbước<br /> ớc sóng có thể<br /> được tính theo biể<br /> được biểuu th ức[9]:<br /> thức<br /> P532<br />  ef  (12)<br /> P1064<br /> đó P532, P1064 tương ứng llàà công su<br /> Trong đó, suất<br /> ất λSHG và công su<br /> suất<br /> ất laser bbơm<br /> ơm (laser<br /> phát ở bước<br /> b ớc sóng 1064 nm). Module laser Nd:YAG bbơm ơm bbằng<br /> ằng laser diode có công<br /> suất phát ở bbư<br /> suất ước<br /> ớc sóng ccơ<br /> ơ bản<br /> bản đư<br /> được<br /> ợc điều chỉnh theo ddòng<br /> òng bbơm,<br /> ơm, dòng<br /> dòng bơm<br /> bơm ttối<br /> ối đa 30<br /> A tương ứng với công suất phát lớn nhất ở bbước ớc sóng 1064 nm, ng ngưưỡng<br /> ỡng phphát<br /> át laser<br /> ở khoảng 11A. Kết quả thí nghiệm đđược ợc mô tả nh<br /> nhưư sau:<br /> Bảng 2. Thông<br /> ảng 2. hông ssố<br /> ố phát laser của module laser Nd:YAG<br /> được<br /> được cung cấp từ hhãng<br /> ãng ssản<br /> ản xuất<br /> xuất..<br /> Dòng bbơm<br /> ơm (A) 10 15 20 25 30<br /> Công suất<br /> suất bư<br /> bước<br /> ớc sóng 1064 nm (W) 0 19.4 40 90 108<br /> Kết quả khảo sát vvàà đo đạc<br /> Kết đạc công su<br /> suất<br /> ất laser bbước<br /> ớc sóng hhòa<br /> òa ba bậc<br /> bậc hai và<br /> và hi<br /> hiệu<br /> ệu<br /> suất nhân tần đđư<br /> suất ược<br /> ợc tr<br /> trình<br /> ình bày trong hình sau:<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 44.. Đồ<br /> Đồ thị công suất laser bbướcớc sóng hhòa<br /> òa ba bbậcậc hai phụ thuộc vvào ào dòng bbơm<br /> ơm..<br /> Trong hình 4 ở tr trên,<br /> ên, kkết<br /> ết quả đo cho thấy ng<br /> ngưưỡng<br /> ỡng phát laser hhòa òa ba bậc<br /> bậc hai ttương<br /> ương<br /> ứng với ddòngòng bơm 11,2 A đđối ối với cả ba lần khảo sát. Đ Đường<br /> ờng 1 có hiệu suất phát<br /> hòa ba bbậcậc hai thấp hhơn<br /> ơn hhẳn<br /> ẳn so với hai đđư<br /> ường<br /> ờng còn<br /> còn lại,<br /> lại, vvàà có hi<br /> hiệu<br /> ệu suất thấp nhất chỉ<br /> đạt<br /> ạt 22 % tại ddòngòng bbơm<br /> ơm 25 A. Nguyên nhân là góc ttới ới tia laser tới tinh thể KTP<br /> chưa thỏa<br /> thỏa mãn ều kiện góc hợp pha (90o)[10-11]<br /> mãn điều [10 11]<br /> . Trong hai đư đường<br /> ờng phía trên,<br /> trên, kkết<br /> ết<br /> quả đo lần hai vvàà llần<br /> quả ần thứ ba, sau khi hiệu chỉnh hiệu suất phát cao hhơn ơn rrất<br /> ất nhiều,<br /> hiệu suất có thể đạt đđược<br /> hiệu ợc 60 % tại ddòng<br /> òng bbơm<br /> ơm 20 A. T Tạiại ddòng<br /> òng bơm<br /> bơm này, hohoạt<br /> ạt động<br /> laser đđạt<br /> ạt được<br /> đ ợc độ ổn định cao, các mode dao đđộng ộng trong buồng cộng hhưởng ởng đđưược<br /> ợc<br /> khuếch đại vvàà ccộng<br /> khuếch ộng hhưởng<br /> ởng mạnh, vvàà duy trì trong khokhoảng<br /> ảng ddòng<br /> òng bơm<br /> bơm ttừ<br /> ừ 20 – 25 A.<br /> <br /> <br /> 110 P Đ. Th<br /> Thắng,<br /> ắng, Đ.<br /> Đ.V.<br /> V. Mư<br /> Mười,<br /> ời, …<br /> …,, “Khoan<br /> “Khoan vi llỗỗ tr<br /> trên<br /> ên vật<br /> vật liệu thép<br /> thép… hòa ba bbậc Nd:YAG.””<br /> ậc hai của Nd:YAG<br /> Nghiên ccứu<br /> ứu khoa học công nghệ<br /> <br /> Sau đó m mật<br /> ật độ nghịch đảo tích lũy trạng thái đạt bbão ão hòa, công susuất<br /> ất phát laser bbơm<br /> ơm<br /> 1064 nm tăng ch chậmậm lại vvàà không tăng khi ddòng<br /> òng b<br /> bơm<br /> ơm đạtạt gần 30 A trở đi. Hiệu suất<br /> phát laser hòa ba bbậc ậc hai cũng vvìì đó mà gigiảm<br /> ảm mạnh xuống chỉ ccòn òn 35,55 % ở ddòngòng<br /> bơm 25 A.<br /> 3.2. K<br /> Kết<br /> ết quả khoan vi lỗ<br /> 1. Ảnh hhưởng<br /> ởng dòng<br /> dòng bbơm<br /> ơm laser lên đưđường<br /> ờng kính vi lỗ<br /> Công suất<br /> suất phát laser li ên tục<br /> liên tục hòa<br /> hòa ba bbậc<br /> ậc hai đư<br /> được<br /> ợc điều chỉnh trong khokhoảng<br /> ảng 20 –<br /> 40 W, trong khokhoảng ảng nnày,<br /> ày, hoạt<br /> hoạt động laser có độ ổn định cao vvàà hiệuhiệu suất phát hhòaòa<br /> ba bbậc<br /> ậc hai cao từ 45 – 55 %. Tính toán theo công th thức<br /> ức (9) th<br /> thìì năng<br /> năng lư ợng xung<br /> lượng<br /> laser có giá tr<br /> trịị trong khoảng 13.33 – 26.67 mJ, tương ứng với công suất đỉnh la laser<br /> ser<br /> tính theo công th ức (1) 0.6665x106 – 1.3335 x106 W.<br /> thức<br /> Trong kết<br /> kết quả báo cáo thực nghiệm nnày, ày, các tham ssốố đđược<br /> ợc khảo sát llàà công su<br /> suất<br /> ất<br /> laser nhân ttần<br /> ần λSHG, ttần ần số xung Q Q-Switch,<br /> Switch, và ththời<br /> ời gian tương<br /> tương tác chùm bbức ức xạ<br /> laser lên vvật<br /> ật liệu thép không gỉ. Trong khi đó, khí hỗ hỗ trợ gia công llàà khí N2 và áp<br /> suất ddòng<br /> suất òng khí 0.5 MPa, ttốc ốc độ khoan cố định ở 5 mm/s vvàà th thời<br /> ời gian trễ hệ vi dịch<br /> chuy<br /> chuyểnển là<br /> là 100 ms. K Kếtết quả khoan vi lỗ tr trên<br /> ên vật<br /> vật liệu thép không gỉ khi thay đổi<br /> dòng bbơm<br /> ơm đư<br /> được<br /> ợc tr trình<br /> ình bày ở hình<br /> hình dư<br /> dưới<br /> ới đây.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> b)<br /> Hình 55. Kết<br /> Kết quả khoan vi lỗ tr<br /> trên<br /> ên vvật<br /> ật liệu thép không gỉ độ ddày<br /> ày 0.1 mm, th<br /> thời<br /> ời gian<br /> phát xung laser 100 ms, và ttần<br /> ần số QQ-Switch<br /> Switch 1.5kHz. a) Ảnh chụp vi lỗ tr<br /> trên<br /> ên hhệệ<br /> Micro<br /> Micro--Raman,<br /> Raman, b) đư<br /> đường<br /> ờng kính vi lỗ thay đổi theo ddòng<br /> ng bơm.<br /> bơm<br /> <br /> <br /> Tạp<br /> ạp chí Nghi<br /> Nghiên<br /> ên cứu<br /> cứu KH<br /> KH&CN<br /> &CN quân<br /> uân sự,<br /> sự, Số 44<br /> 44, 088 - 2016<br /> 20 6 111<br />  Vật<br /> ật lý<br /> <br /> Ở kết quả trtrên,<br /> ên, vvới<br /> ới ddòng<br /> òng b<br /> bơm<br /> ơm nhnhỏỏ hhơn<br /> ơn 16 A, công su<br /> suất<br /> ất laser phát nhỏ, mật độ<br /> công suất<br /> suất chưa<br /> chưa đđủủ để khoan thủng tấm kim loại, không hhìnhình thành vi llỗ.<br /> ỗ. Khi ddòng<br /> òng<br /> bơm llớn<br /> ớn hơn<br /> hơn 16A và tăng ddần ần thì<br /> th đư<br /> đường<br /> ờng kính vi lỗ cũng tăng theo, tuy nhi<br /> nhiên<br /> ên khi<br /> mật độ công ssuất<br /> mật ất bắt đầu đạt mức bbão<br /> ão hòa ttại<br /> ại dòng<br /> dòng bơm<br /> bơm 25 A, th<br /> thìì đường<br /> đường kính vi lỗ<br /> nằm<br /> ằm khoảng 130 – 140 μm.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> a)<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> b)<br /> Hình 66. Kết<br /> Kết quả khoan vi lỗ trtrên<br /> ên vvật<br /> ật liệu thép không rỉ 304 độ dầy 0.3 mm, ddòng òng<br /> bơm 21 A, ttần<br /> ần số Q<br /> Q-Switc<br /> Switc<br /> Switch h 1.5 kHz. a) Ả Ảnh<br /> nh chụp<br /> chụp trên<br /> trên kính hi<br /> hiển<br /> ển vi, b) Đ ờng kính<br /> Đường<br /> vi llỗ<br /> ỗ phụ thuộc theo thời gian phát laser<br /> laser.<br /> 2. Ảnh hhưởng<br /> ởng thời gian phát laser<br /> Hình 6 trên đây là kkết<br /> ết quả đường<br /> đ ờng kính vi lỗ khi thay đổi thời gian phát laser, tức<br /> là thay đđổi<br /> ổi số lư<br /> lượng<br /> ợng xung laser khoan trên vật vật liệu, thời gian phát laser thay đổi từ<br /> 100 – 1400 ms. Trong thí nghi nghiệm<br /> ệm nnày,<br /> ày, công susuất<br /> ất laser đạt khoảng 25.7 W ở ddòng òng<br /> 6<br /> bơm 21 A tương ứng với công suất đỉnh laser xung 1.285x10 W. Đường Đường kính vi lỗ<br /> đo đư<br /> được<br /> ợc nằm trong khoảng 90 – 110 μm, vvới ới sai số ± 5 μm. C Công<br /> ông suất<br /> suất laser đđư<br /> ược<br /> ợc<br /> <br /> <br /> <br /> 112 P Đ. Th<br /> Thắng,<br /> ắng, Đ.<br /> Đ.V.<br /> V. Mư<br /> Mười,<br /> ời, …<br /> …,, “Khoan<br /> “Khoan vi llỗỗ tr<br /> trên<br /> ên vật<br /> vật liệu thép<br /> thép… hòa ba bbậc Nd:YAG.””<br /> ậc hai của Nd:YAG<br /> Nghiên ccứu<br /> ứu khoa học công nghệ<br /> <br /> giữ nguyên,<br /> giữ nguyên, thì ththời<br /> ời gian ttương<br /> ương tác chùm bbứcức xạ laser llên<br /> ên vvật<br /> ật liệu thay đổi, đđường<br /> ờng<br /> kính vi llỗ<br /> ỗ thay đổi không nhiều, llàà do khi vi llỗỗ được<br /> đ ợc hhình<br /> ình thành, chùm tia laser ssẽẽ<br /> đi qua vi llỗ,<br /> ỗ, không ttương<br /> ương tác vvới<br /> ới vật liệu nữa nnên<br /> ên kích thư<br /> thước<br /> ớc vi lỗ<br /> lỗ được<br /> đ ợc duy tr<br /> trì.<br /> <br /> <br /> <br /> <br /> Hình 77. Sự ự thay đổi đđư ờng kính vi lỗ theo tần số Q<br /> ường Q-Switch.<br /> Switch. Quá trình khoan vvới ới<br /> dòng bbơmơm 21 A, th<br /> thời<br /> ời gian phát laser 1000 ms ms.<br /> 3. Ảnh hhưởng<br /> ởng của tần số Q Q--Switch<br /> Switch<br /> Sựự thay đổi đđường<br /> ờng kính vi lỗ đđư ược<br /> ợc khảo sát trong khoảng tần số Q Q--Switch<br /> Switch 1 –<br /> 2 kHz như trong hhình ình 9, đường<br /> đường kính vi lỗ thay đổi trong khoảng 70 – 100 μm vvới ới<br /> sai ssố<br /> ố ± 5 μm. Đư Đường<br /> ờng kính vi lỗ ít thay trong vvùng ùng tần<br /> tần số Q<br /> Q-Switch<br /> Switch 1.4 – 1.8 kHz<br /> bởi<br /> ởi công suất đỉnh đạt ổn định trong vvùng ùng tần<br /> tần số này.<br /> này. Khi thay đđổiổi tần số Q Q--<br /> Switch tăng ddần,ần, cô<br /> công<br /> ng su ất xung laser giảm dần về công suất trung bbình<br /> suất ình (công<br /> suất phát li<br /> suất liên<br /> ên ttục),<br /> ục), năng llưượng<br /> ợng xung không đủ hhình ình thành vi llỗ<br /> ỗ trên<br /> trên ttấm<br /> ấm vật liệu<br /> thép không ggỉ. ỉ. Trong các thí nghiệm tr trên<br /> ên đều<br /> đều sử dụng khí hỗ trợ N2, bbởi ởi khí N2<br /> như là m một<br /> ột loại khí trtrơơ ở nhiệt độ cao<br /> cao,, gi<br /> giảm<br /> ảm vùng<br /> vùng ảnh hhưởng<br /> ởng nhiệt tr ên vật<br /> trên vật liệu,<br /> ngăn ccảnản sự mở quá tr trình<br /> ình nóng ch<br /> chảy<br /> ảy vvàà bbốc<br /> ốc bay vật liệu, chất llượng<br /> ợng vi lỗ đđư ược<br /> ợc<br /> cải<br /> ải thiện vvàà sạch<br /> sạch hhơn.<br /> ơn.<br /> 4. K<br /> KẾT<br /> ẾT LUẬN<br /> Những<br /> Nh ững kết quả nghi<br /> nghiênên cứu<br /> cứu khoan vi lỗ tr trên<br /> ên vật<br /> vật liệu thép không gỉ, độ ddày ày khác<br /> nhau được<br /> được nghi<br /> nghiên<br /> ên ccứu<br /> ứu và thử<br /> thử nghiệm tr trên<br /> ên hệhệ thống laser xung Nd:YAG phát ở<br /> bước sóng hhòa<br /> bước òa ba bbậc<br /> ậc hai λSHG = 532 nm. Công su suất<br /> ất laser phát ở chế độ li liên<br /> ên ttục<br /> ục<br /> điều chỉnh trong khoảng 20 – 40 W, phát xung qua phương pháp Q<br /> điều Q--Switch<br /> Switch quang<br /> – âm ttần<br /> ần số trong khoảng 1.4 – 1.7 kHz có th thểể đáp<br /> đáp ứng đđư ược<br /> ợc rất nhiều ứng dụng<br /> trong các llĩnh<br /> ĩnh vực khác nhau như ch chếế tạo mmàng<br /> àng lọc,<br /> lọc, thiết bị vvòi<br /> òi phun, thi ết bị cảm<br /> thiết<br /> biến. Chất llư<br /> biến. ượng<br /> ợng vi lỗ ttương<br /> ương đđối<br /> ối ổn định, đđườngờng kính vi lỗ đạt đượcđ ợc trong dải 70<br /> – 110 μm, vvớiới thời gian ttương<br /> ương tác chùm bbức ức xạ laser với vật li liệu<br /> ệu rất ngắn 1000 –<br /> 1500 ms. Trong tương lai, nghiên ccứu ứu trtrên<br /> ên những<br /> những hệ laser có bư bước<br /> ớc sóng ngắn<br /> trong vùng ttửử ngoại có thể tạo đđượcợc những vi lỗ nhỏ hhơn ơn 50 μm. Nh óm tác gi<br /> Nhóm giảả<br /> gửi<br /> ửi lời cảm ơn chân thành ttớiới ban llãnh<br /> ãnh đạoạo Trung tâm Công nghệ laser, lời cảm<br /> <br /> <br /> Tạp<br /> ạp chí Nghi<br /> Nghiên<br /> ên cứu<br /> cứu KH<br /> KH&CN<br /> &CN quân<br /> uân sự,<br /> sự, Số 44<br /> 44, 088 - 2016<br /> 20 6 113<br />  Vật lý<br /> <br /> ơn tới TS. Lê Đình Nguyên, và tập thể cán bộ nghiên cứu của Trung tâm công<br /> nghệ laser đã tạo điều kiện và tư vấn cho nhóm tác giả thực hiện nghiên cứu và<br /> hoàn thành bài báo này.<br /> TÀI LIỆU THAM KHẢO<br /> [1]. Walter Koechner: “Solid-State Laser Engineering, sixth revised and updated<br /> edition”. 18496 Yellow Schoolhouse Rd, Round Hill, VA 20141, U.S.A.<br /> Library of congress control number: 2005932556, ISBN-10: 0-387-29094-X,<br /> e-ISBN: 0-387-29338-8.<br /> [2]. L.M. Cabalin, J.J. Laserna: “Experimental determination of laser induced<br /> breakdown thresholds of metals under nanosecond Q-switched laser<br /> operation”. Depurtment qf’Analytica1 Chemistry, Faculty of” Sciences,<br /> University of Mdlaga. E-29071 Mblaga. Spain Received 23 October 1997;<br /> accepted 23 February 1998. Spectrochimica Acta Part B 53 (1998) 723-730.<br /> [3]. Greg Bates: “Laser-Material Interaction for Marking: Wavelength dependence<br /> of materials: metals, plastics, semiconductors, and other materials”.<br /> Advanced Laser Center, Miyachi Unitek Corporation.<br /> [4]. Ikhlas Jabir Mahmood: “Theoretical Study of Drilling Process Materials By<br /> Laser Pulses (Micro, Nano and Picoseconds)”. International Journal of<br /> Science and Research (IJSR) ISSN (Online): 2319-7064. Index Copernicus<br /> Value (2013): 6.14 | Impact Factor (2013): 4.438.<br /> [5]. P.T. Pajak, A.K. De Silva, D.K. Harrison, J.A. McGeough: “Research and<br /> developments in laser beam machining”. Zeszyty Naukowe Politechniki<br /> Poznazskiej, Budowa Maszyn I Zarzadzanie Produkcja 2005.<br /> [6]. Sintec Optronics Technology Pte Ltd: “Beam expander”10 Bukit Batok<br /> Crescent #07-02 The Spire Singapore 658079.Tel: +65 63167112 Fax: +65<br /> 63167113.<br /> [7]. Susumu Konno, Shuichi Fujikawa, and Koji Yasui “Highly efficient 68-W<br /> green-beam generation by use of an intracavity frequency-doubled diode<br /> side-pumped Q-switched Nd:YAG rod laser”, © 1998 Optical Society of<br /> America, OCIS codes: 140.3480, 140.3540, 140.2620, 140.2580. 20<br /> September 1998 y Vol. 37, No. 27 y APPLIED OPTICS.<br /> [8]. W. K. Marshall, K. Cowles, and H. Hemmati “Performance of efficient Q-<br /> Switched diode-laser-pumped Nd:YAG and Ho:YLF lasers for space<br /> applications”. Communications systems research section, TDA Progress<br /> Report 42-95, July-September 1988.<br /> [9]. R.J.Jones: “Second Harmonic Generation, Fall 2012”. Optical Sciences<br /> [10].V.I. Donin, D.V. Yakovin and A.V. Gribanov: “Diode-Pumped Nd:YAG<br /> Green Laser with Q-Switch and Mode Locking”. Institute of Automation and<br /> Electrometry, Siberian Branch of RAS, Novosibirk.<br /> [11]. P K Mukhopadhyay, K Ranganathan, S K Sharma, J George, R Sunder and T<br /> P S Nathan: “Highly efficient green beam generation by simulataneous side<br /> and end of an intracavity frequency double Q-Switched Nd:YAG laser”. Solid<br /> state laser Division, Center for Advanced Technology, Indore, M. P. 452013,<br /> INDIAN.<br /> <br /> <br /> 114 P Đ. Thắng, Đ.V. Mười, …, “Khoan vi lỗ trên vật liệu thép… hòa ba bậc hai của Nd:YAG.”<br /> Nghiên cứu khoa học công nghệ<br /> <br /> ABSTRACT<br /> MICRO-HOLE DRILLING ON THE MATERIAL OF STAINLESS STEEL<br /> BY USING PULSE LASER OF