2.1. Một số máy phát Laser CO 2 liên tục
2.1.1. Các Laser khí CO 2 liên tục cấp 1
Laser CO2 liên tục cấp 1 là loại Laser đ−ợc nghiên cứu và phát triển đầu tiên.
Cho tới bây giờ nó là loại Laser phổ biến nhất. Hình 2.1 là sơ đồ của Laser CO2 liên tục cấp 1. Loại Laser khí CO2 này có các tính chất: Làm lạnh bằng dầu hoặc n−ớc bằng cách sử dụng ống plasma bằng thuỷ tinh hai thành; Dòng khí trong ống plasma có tốc độ thấp (Từ 1-20l/phút, phụ thuộc vào kích thước ống và đầu ra Laser); Cơ chế bơm sử dụng phóng điện bằng dòng điện một chiều đồng trục với dòng khí và tia Laser; làm việc ở dòng điện thấp (3-300mA); áp suất chất khí từ 10-30torr; đ−ờng kính ống từ 1-2cm; công suất đầu ra xấp xỉ 50W/m (kích th−ớc chiều dài ống)
Hình 2.1: Laser CO2 phóng điện dọc đơn giản.
Hệ số cơ bản giới hạn công suất đầu ra của các loại Laser này chính là hạn chế trong việc loại bỏ ảnh h−ởng của nhiệt tăng trong chất khí. Quá trình làm mát chính nhờ vào những va chạm giữa nguyên tử He và thành ống. Cũng có thể thực hiện làm mát bằng không khí, tuy nhiên phương pháp này dẫn đến nhiệt độ thành ống tăng cao và làm giảm rất nhiều hiệu suất của Laser. Các Laser CO2 công suất nhỏ hơn và loại sử dụng trong nghiên cứu th−ờng sử dụng ph−ơng pháp làm mát bằng n−ớc. Các Laser CO2 sử dụng trong công nghiệp th−ờng sử dụng ph−ơng pháp hồi tiếp dầu hoặc nước tạo bộ trao đổi nhiệt để giảm nhiệt và ổn định hệ thống tốt hơn. Cũng có thể thực hiện tăng dòng khí trong ống tới giá trị làm việc tối −u làm giảm ảnh h−ởng của nhiệt độ tới hệ thống phát Laser. Việc tăng đường kính ống cũng như giảm hiệu quả
làm mát bằng cách tăng chiều dài quãng đường cần thiết để các nguyên tử He va vào thành ống tính từ trung tâm của ống dẫn đến nhiệt độ trong ống tăng cao.
Nh− đã biết, tốc độ nghịch đảo nồng độ lên trạng thái năng l−ợng cao hơn nhờ quá trình bơm đ−ợc tính theo công thức:
2 2
2
e e g e g e p
N N F dt N
dN ⎟ =σ = υσ
⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛ (2-1)
Trong đó: υ Tốc độ điện tử Ne Nồng độ điện tử
Vậy để tính đ−ợc tốc độ bơm cần biết đ−ợc giá trị σe2, giá trị này hoàn toàn phụ thuộc vào năng l−ợng của điện tử tới. Do đó có thể viết σe2 = σe2 (E). Tuy nhiên trong phóng điện chất khí, các điện tử có một vài phân bố năng l−ợng khác nhau. Trong trường hợp này có thể tính được tốc độ nghịch đảo trạng thái mức năng lượng trên theo trung bình phân bố mật độ:
)
( 2
2
e e g p
N dt N
dN ⎟ = υσ
⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛ (2-2)
Trong đó: (υσ)=∫υσ(E)f(E)dE
Mà Wp = Ne(υσ)
Trong thực tế, công suất đầu ra của loại Laser này hoàn toàn phụ thuộc vào chiều dài hiệu dụng của ống plasma chứ không phụ thuộc vào đ−ờng kính của ống. Điều này có thể tính số các phân tử nhảy lên mức Laser trên trong một đơn vị thời gian:
⎟⎟
⎠
⎞
⎜⎜
⎝
= ⎛
⎟⎠
⎜ ⎞
⎝
⎛
drift g th e
p e
N J dt
dN
υ σ υ
2 (2-3)
Trong đó: J cường độ dòng điện phóng
σe Số l−ợng điện tử cố định trên mặt cắt ngang của ống plasma Ng Tổng trạng thái cơ bản của phân tử CO2 đ−ợc nghịch đảo e điện tử nạp
Đối với ng−ỡng trên của tốc độ bơm, công suất đầu ra P đ−ợc tính xấp xỉ theo (dN2/dt)P. Do đó có thể viết theo công thức dưới đây:
P ≈ J.Ng.Va ≈ J.p.D2.l (2-4) Trong đó: Va Thể tích môi chất kích hoạt
D §−êng kÝnh èng plasma l Chiều dài ống plasma p áp suất chất khí
Từ đây có thể thấy điều kiện làm việc tối −u của loại Laser này: (1) Tích số pD phải là hằng số (xấp xỉ 22,5 Torr x cm: áp suất chất khí là 15 Torr với đ−ờng kính ống plasma là 1,5) để giữ quá trình phóng tại nhiệt độ điện tử tối −u; (2) Do nhiệt độ thành ống plasma tăng tới giới hạn, nên tồn tại một giá trị tối ưu của cường độ dòng phóng và giá trị này phải tỷ lệ nghịch với kích th−ớc đ−ờng kính ống D có nghĩa là với ống
plasma có đường kính lớn thì độ tản nhiệt ở thành ống khó hơn. Tồn tại một giá trị tối
ưu cường độ dòng phóng để chú ý khi cường độ dòng phóng tăng dẫn tới nhiệt độ của hỗn hợp khí cũng tăng (thậm chí có khi tới 80% công suất điện bị tổn hao thành nhiệt năng) và kết quả là mật độ các mức Laser thấp hơn tăng theo nhiệt độ.
Phương pháp hiệu quả nhất để tăng công suất đầu ra của kiểu Laser này chính là mở rộng chiều dài kích thích (tăng chiều dài ống plasma). Để có kết quả tốt nhất cũng cần phải kết hợp với việc tăng tốc độ dòng khí có trong ống. Trong các hệ thống có công suất đầu ra lớn, khí đ−ợc quay vòng bằng cách sau mỗi chu kỳ thêm vào vài phần trăm chất khí. Bảng d−ới đây liệt kê một số thông số làm việc của các Laser khí CO2 cÊp 1.
Chiều dài kích hoạt
(mÐt)
Công suất
®Çu ra (W)
Tỷ lệ hỗn hợp khí CO2:N2:He
Tốc độ dòng khí (lÝt/phót)
Công suất/
chiều dài (W/m)
Tốc độ dòng n−íc (lÝt/phót) 1
2 5 6 9 18
50 100 275 375 525 1000
1 : 1,5 : 9,3 1 : 1,5 : 9,3 2 : 1,35 : 9,3 1 : 8 : 23 1 : 6,7 : 30 1 : 2,35 : 17
1,15 1,15 4,01 4,26 4,23 14,35
50 50 55 62,5 58,3 55,6
2 2 10 10 10 15 Bảng 2.1: Các thông số làm việc của Laser khí CO2 cấp 1.
Hình 2.2 giới thiệu phương pháp thường dùng để tăng chiều dài kích thích trong khi tổng kích th−ớc và chi phí nguồn cung cấp là nhỏ nhất.
Hình 2.2: Hiện thống quang và điện của Laser CO2 250W (l = 3m)
BCH lồng hai ống plasma vào làm một có thành ống song song với nhau. Các Laser CO2 hiện có trên thị tr−ờng sử dụng tới 6 ống (10 g−ơng phản hồi) và công suất
tới 1KW. Các ống Laser nh− chỉ trên hình 2.2 có một anốt nằm ở trung tâm và bốn catốt tại mỗi đầu ống. Việc sắp xếp nh− vậy đ−ợc yêu cầu cho mỗi catốt. Hệ thống này thường sẽ đắt hơn là sử dụng nguồn điện được điều chỉnh đơn giản ở các điện áp cao hơn. Các mức điện áp cơ bản đ−ợc yêu cầu là 10-15kV đối với một ống phóng có kích thước 1m, đối với xung điện áp thì cần tới giá trị gấp đôi.
Các Laser CO2 cấp 1 có BCH đ−ợc thiết kế với các g−ơng nh− là một bộ phận không thể thiếu của ống plasma nh− chỉ trên hình 2.1 hay sử dụng các cửa sổ góc Brewster và các gương bên ngoài. Nếu các gương được đặt bên trong thì chúng th−ờng sẽ phải chịu điện thế cao. Đôi khi ng−ời ta th−ờng sử dụng các phiến Granite làm khung quang học cơ bản để cách ly các điện áp cao này và cho phép độ ổn định cơ học tốt. Hợp kim Invar cũng có ổn định kích thước rất tuyệt vời khi sử dụng trong hệ thống cao áp kín.
Như đã biết ở phần trước, Laser khí CO2 cấp 1 cũng thường sử dụng 4 loại vật liệu quang được liệt kê trong bảng 1.2. Trong đó, Germanium (Ge) là vật liệu thường
đ−ợc ghép cặp với các model có công suất thấp (<100W) bởi nó có −u điểm về giá
thành và không thể sử dụng đ−ợc trong Laser công suất cao vì độ hấp thụ các tia Laser bị ảnh hưởng tại nhiệt độ 500C. Các loại vật liệu như Gallium arsenide (GaAs) và zinc selenide (ZnSe) đ−ợc sử dụng để ghép cặp với các Laser CO2 công suất cao.
Gallium arsenide có hệ số hấp thụ thấp, độ chịu nhiệt cao và độ bền tốt. Zinc selenide có hệ số hấp thụ thấp hơn, nh−ng độ chịu nhiệt thấp, có −u điểm trong việc truyền
ánh sáng nhìn thấy do đó đ−ợc dùng để điều chỉnh quang. Silicon (Si) không truyền
được ánh sáng có bước sóng 10,6àm những nó là có ưu điểm về độ chịu nhiệt tốt và giá thành rẻ và có thể chế tạo theo bề mặt hình cầu dễ dàng hơn các vật liệu khác, do
đó nó được sử dụng rộng rãi để làm gương HR cho Laser CO2 công suất thấp cao, mặc dù có tuổi thọ thấp hơn các g−ơng kim loại (nh− Đồng – Cu, vv..) th−ờng đ−ợc chế tạo bằng các quy trình máy móc phức tạp.
Loại Laser khí CO2 cấp 1 có thể sử dụng ba cấu hình BCH: BCH dạng cầu bán kính dài; BCH g−ơng phẳng song sử dụng cho các loại Laser CO2 có công suất đầu ra cỡ 1KW; BCH g−ơng cầu phẳng đ−ợc sử dụng phù hợp cho hầu hết các hệ thống Laser. Đối với hệ thống Laser công suất cao (có công suất lớn hơn 150W), g−ơng có
độ phản xạ giảm, thường được làm mát bằng nước.