2.1. Một số máy phát Laser CO 2 liên tục
2.1.3. Các Laser CO2 liên tục cấp 3
Kiểu Laser này th−ờng đ−ợc gọi là “Laser dịch chuyển dòng khí - gas transport laser”, cũng sử dụng nguyên lý làm mát của loại Laser khí CO2 cấp 2. Trong hình 2.5 là sơ đồ cơ bản của một hệ thống Laser CO2 liên tục cấp 3.
Hình 2.5: Hệ thống Laser CO2 cấp 3.
Đối với loại Laser này, dòng khí, dòng điện phóng và trục quang học hoàn toàn trực giao với nhau nên loại Laser này còn có tên gọi là loại Laser CO2 phóng điện ngang hay còn gọi là TE Laser – Laser có trường điện ngang. Tốc độ dòng khí cơ bản bằng với các loại Laser CO2 cấp 2 nh−ng chiều dài đ−ờng đi của dòng khí trong vùng kích thích giảm đi một phần nghìn mini mét. Một phân tử khí về cơ bản chỉ mất khoảng 2ms để di chuyển trong vùng kích thích. Nó cho thấy khoảng thời gian phân
tử bị kích thích lên mức năng l−ợng cao là rất nhỏ. Do đó, một phân tử CO2 sẽ chỉ có thể chuyển từ trạng thái 001 sang trạng thái 000 và ngay lập tức dời khỏi hệ thống.
Tiếp đó nó đuợc làm mát bằng bộ trao đổi nhiệt và lại đ−ợc gửi về hệ thống.
Hình 2.6a: Mặt cắt ngang máy phát Laser TE.
Hình 2.6b: Cấu hình máy phát Laser TE- Phóng điện ngang.
Hình 2.6 giới thiệu cấu hình cơ bản của hệ thống Laser dịch chuyển khí. Dòng khí tốc độ cao đi qua vùng kích thích có các phân tử N2 đ−ợc sử dụng để làm tăng tới một trạng thái dao động cao hơn bằng các va chạm với điện tử. Các va chạm giữa phân tử N2 và các phân tử CO2 trạng thái cân bằng để kích thích các phân tử CO2 lên trạng thái kích thích. Trong lúc đó, khí tiếp tục đ−ợc dịch chuyển xuôi dòng đi vào BCH. Laser xuất hiện và khí tiếp tục dịch chuyển tới bộ trao đổi nhiệt. Hỗn hợp khí trong tất cả các loại Laser CO2 đã khảo sát về cơ bản đều giống nhau. Trong hệ thống này (cũng nh− trong Laser CO2 cấp 2), nguyên tử He hỗ trợ cho quá trình trao đổi
nhiệt của các phân tử CO2 với bộ trao đổi nhiệt. Một l−ợng khí nhỏ (xấp xỉ 0,005%)
đã bị khử và thay thế trong mỗi vòng hồi khí mặc dù Laser vẫn giữ tạp chất ở một mức năng l−ợng thấp.
Các Laser CO2 TE có dòng khí dịch chuyển tốc độ nhanh và công suất đầu ra cao (từ 1-20KW) đ−ợc sử dụng nhiều trong công nghệ cắt gọt, hàn, xử lý bề mặt kim loại.
So với loại Laser CO2 phóng điện dọc tốc độ dòng khí dịch chuyển nhanh thì Laser CO2 TE sử dụng các thiết bị đơn giản nh−ng yêu cầu về tốc độ dòng khí dịch chuyển thấp hơn đối với loại Laser CO2 cấp 2. Tuy nhiên chất l−ợng chùm Laser của Laser CO2
cấp 2 tốt hơn vì tính chất đối xứng theo hình trục của phân bố dòng điện phóng.
BCH quang học của Laser cấp 3 thường có dạng gấp khúc như trên hình 2.7 để thu đ−ợc hiệu suất sử dụng khí kích thích tối đa. Tất cả các g−ơng, ngoại trừ cặp gương đầu ra làm bằng đồng hay silicon được làm mát bằng nước. Trong một vài kiểu Laser, g−ơng đầu ra th−ờng làm từ vật liệu Zinc selenide. Đối với hầu hết các hệ thống công suất lớn, thường sử dụng các BCH không ổn định.
Hình 2.7: Sơ đồ buồng cộng hưởng 7 đường.
Công suất của các hệ thống Laser trên khoảng 10kW/cm2, do đó không có loại vật liệu cửa sổ nào phù hợp đối với các hệ thống Laser CO2 liên tục. Có thể khắc phục vấn đề này bằng cách sử dụng khí động lực hoặc cửa sổ dịch chuyển khí. Chùm Laser
được hội tụ có một gương bên trong lỗi đặt trên thành buồng. Dòng khí tốc độ cao trên mỗi cạnh của thành buồng ngăn một hỗn hợp khí, thậm chí nhờ áp suất bên trong của Laser chỉ khoảng 50torr và áp suất bên ngoài là áp suất khí quyển (760torr).
Trong cả hai loại Laser CO2 cấp 1 và cấp 2, điện áp kích thích đ−ợc sử dụng là dọc theo trục quang học, nên xilanh khí thu nhỏ lại để đ−ợc phóng điện đồng đều.
Nh− đã biết nếu sử dụng một điện áp để phóng điện trong vùng mật độ cao, thể tích lớn thì dịch chuyển khí dẫn tới hiện t−ợng hồ quang và làm giảm quá trình kích thích
đồng đều chất khí. Có hai phương pháp thường được sử dụng để hạn chế vấn đề này.
Hình 2.8 là sơ đồ của hệ thống Laser CO2 ion hoá chùm điện tử. Một cửa sổ titan dạng lá mảnh tách môi tr−ờng Laser với một buồng chân không có chứa một
dây tóc có thể phát xạ các điện tử. Điện cực dương anôt của Laser là một đĩa kim loại. Điện cực âm catốt là một lưới đặt ngay phía trước của lá mảnh. Điện áp được cho qua hai điện cực duy trì này không đủ lớn để ion hóa khí.
Hình 2.8: Các Laser CO2 ion hoá chùm electron.
Khi có một chênh lệch điện thế âm lớn đ−ợc đ−a vào dây tóc phát, các điện tử sẽ chuyển dời về phía các điện cực dương, năng lượng động học và tốc độ khuếch đại lên. Do đó, cửa sổ dạng lá đủ để cho phép hầu hết các điện tử này đi xuyên qua. Mỗi
điện tử có năng l−ợng lớn đi xuyên qua hỗn hợp khí đều làm ion hoá phần lớn các nguyên tử. Các điện tử đ−ợc giải phóng đ−ợc gia tốc thêm bằng tr−ờng điện của các
điện tử duy trì và năng l−ợng dịch chuyển tới các phân tử N2 do va chạm. Quá trình cứ diễn ra liên tiếp suốt trong khoảng thời gian chùm điện tử tồn tại, nh−ng sẽ ngừng khi nguồn điện tử bị cạn. Do đó, việc điều chỉnh dòng điện bộ phát tương đối thấp để
điều khiển dòng Laser và công suất đầu ra.
Nh−ợc điểm chính của quá trình ion hoá chùm điện tử chính là phí tổn cộng thêm của hệ thống cao áp chân không. Có thể giảm giá thành bằng sử dụng kích thích bản điện cực d−ơng nh− chỉ trên hình 2.9. Một Laser sử dụng cấu hình này cần tới 54 anốt có kích thước 0.5inch x 4inch. Mỗi anốt có trở kháng bề mặt để giới hạn dòng.
Catốt là một thanh kim loại nằm phía trên anốt và mảnh. áp suất làm việc thực tế trong cùng một hệ thống đ−ợc giới hạn là 50torr. Hình 2.10 chỉ công suất đầu ra là một hàm của dòng điện đối với loại Laser trên.
Hình 2.9: Laser CO2 đ−ợc kích thích bằng điện cực mảnh
Hình 2.10: Công suất đầu ra tỷ lệ với dòng điện Laser CO2 kích thích điện cực mảnh.