Từ Tia laser đến hình thành máy cắt khắc laser

1.Lịch sử hình thành tia laser trong phòng thí nghiệm

Tia laser được biết đến lần đầu tiên vào năm 1960 tại phòng thí nghiệm nghiên cứu California bằng cách chiếu đèn flash công suất cao trên một thỏi ruby ​​với các bề mặt tráng bạc. Từ đó, các tia laze được sử dụng ở khắp mọi nơi: từ các phòng thí nghiệm nghiên cứu để cắt vật liệu trong vật lý lượng tử cho đến các bệnh viện, siêu thị, dùng trong thanh toán và mạng điện thoại…

Năm 1965, Trung tâm Nghiên cứu Western Electric Engineering sản xuất máy cắt laser đầu tiên và được sử dụng để khoét các lỗ trên kim cương. Năm 1967, người Anh đi tiên phong trong việc cắt kim loại bằng tia laser với khí hổ trợ là oxy. Trong năm 1970, công nghệ này đã được đưa vào sản xuất để cắt titan cho các ứng dụng hàng không vũ trụ . Đồng thời laser CO2 được sử dụng để cắt phi kim loại, chẳng hạn như hàng dệt may, bởi vì, vào thời điểm đó, laser CO2 là không đủ mạnh mẽ để làm nóng chảy kim loại.

2.Định nghĩa chính xác về tia laser :

Theo thuyết lượng tử thì trong một nguyên tử electron tồn tại ở các mức năng lượng riêng biệt và rời rạc. Các mức năng lượng có thể hiểu là tương ứng với các quỹ đạo riêng biệt của electron xung quanh hạt nhân. Electron ở bên ngoài sẽ có mức năng lượng cao hơn những electron ở phía trong. Khi có sự tác động vật lý hay hóa học từ bên ngoài, các electron này cũng có thể nhảy từ mức năng lượng thấp lên mức năng lượng cao hay ngược lại, gọi là chuyển dời trạng thái. Các chuyển dời có thể sinh ra hay hấp thụ lượng tử ánh sáng hay photon theo thuyết lượng tử của Albert Einstein. Bước sóng (liên quan đến màu sắc) của tia sáng phụ thuộc vào sự chênh lệch năng lượng giữa các mức.

Có nhiều loại laser khác nhau, có thể ở dạng hỗn hợp khí, ví dụ He-Ne, hay dạng chất lỏng, song có độ bức xạ lớn nhất vẫn là tia laser tạo bởi các linh kiện bán dẫn như điốt laser.

3. Ứng Dụng về tia laser :

Laser có trong rất nhiều ứng dụng, như làm mắt đọc đĩa quang CD/DVD, máy in laser, máy quét mã vạch, Công cụ trình tự DNA, internet cáp quang, truyền dữ liệu trong không gian vũ trụ, máy cắt, máy hàn, máy phẫu thuật laser, tảy mụn ruồi, nhám bằng laser. Trong quân đội laser được dùng để đánh dấu, đo khoảng cách và tốc độ của mục tiêu. Trong giải trí laser được sử dụng trong các sân khấu như hòa âm ánh sáng.  Hiện này laser dung làm máy khắc cắt laser , máy cắt khắc laser, dung nhiều trong lĩnh vực quảng cáo, thương hiệu xây dựng thương hiệu nhờ công nghệ khắc laser  (Wikimedia)

4. Đặc điểm của tia laser

Các ra tia laser được phát ra bằng cách kích thích một loại vật liệu phát laser bằng cách phóng điện hoặc chiếu đèn trong một buồng kín. Khi vật liệu phát laser được kích thích, các chùm tia được phản xạ trong nội bộ bằng gương phản xạ một phần, cho đến khi nó đạt đủ năng lượng để thoát ra một luồng ánh sáng kết hợp đơn sắc. Gương hoặc sợi quang học thường được sử dụng để dẫn hướng ánh sáng kết hợp với một thấu kính hội tụ để tập trung ánh sáng vào vùng làm việc.

Các phần hẹp nhất của chùm tia hội tụ thường có đường kính nhỏ hơn 0,32 mm. Tùy thuộc vào độ dày vật liệu, độ rộng đường cắt nhỏ khoảng 0,10 mm là có thể. Để có thể bắt đầu cắt từ một nơi nào đó khác hơn so với các mép cạnh, cần phải đánh thủng vật liệu trước mỗi lần cắt. Việc đánh thủng thường liên quan đến một xung năng lượng cao của chùm tia laser mà từ từ làm thủng một lỗ trên vật liệu. Ví dụ mất khoảng từ 5-15 giây để đánh thủng đối với thép không gỉ dày 13 mm.

Các tia sáng song song rõ ràng từ các nguồn laser thường nằm trong khoảng giữa đường kính 1,5-2,0 mm. Chùm này thường tập trung và tăng cường bởi một thấu kính hoặc gương đến một nơi rất nhỏ khoảng 0.025 mm để tạo ra một chùm tia laser rất dữ dội có đủ năng lượng để xuyên thủng kim loại. Tia laser này gọi là tia laser fiber chuyên làm máy cắt laser kim loại,  máy cắt laser fiber 

Ưu điểm của cắt laser so với cắt bằng cơ khí là công cụ kẹp phôi dễ dàng hơn và giảm ảnh hưởng đến phôi. Độ chính xác có thể được tốt hơn, các chùm tia laser không bị mòn trong quá trình cắt. Ngoài ra giúp giảm độ cong vênh của vật liệu khi cắt,  các hệ thống laser có một vùng nhiệt bị ảnh hưởng nhỏ. Một số vật liệu cũng rất khó hoặc không thể cắt bởi nhiều phương tiện truyền thống khác.

Cắt laser kim loại có những ưu điểm hơn so với plasma như đường cắt chính xác hơn và sử dụng ít năng lượng hơn so với plasma; Tuy nhiên, hầu hết các máy cắt laser công nghiệp cũng không thể cắt kim loại dày hơn plasma. Các máy cắt Laser đời mới  có công suất cao hơn (khoảng 6000 watts) đang tiếp cận máy cắt plasma trong khả năng cắt các vật liệu dày, nhưng chi phí của các loại máy này là cao hơn rất nhiều lần so với plasma.

Các loại nguồn cắt laser: Có 3 loại nguồn cắt laser là CO2 laser, YAG laser và Fiber laser