(Hình 1: Cơ chế hoạt động của hai loại laser CO2 phổ biến hiện nay)

Ưu, nhược điểm của hai loại laser này được miêu tả trong Bảng 1.
Bảng 1: Bảng so sánh một số thông số kỹ thuật giữa laser DC-CO2 và RF-CO2

Do có nhiều ưu điểm, trong thời gian gần đây người ta tập trung nghiên cứu phát triển các ứng dụng của laser RF-CO2. Hầu hết laser RF-CO2 đang bán trên thị trường hiện nay có tần số kích thích dưới 100 MHz. Có ba dạng cấu trúc cơ bản của laser RF-CO2 là: cấu trúc điện cực phẳng, cấu trúc điện cực hình khuyên và cấu trúc điện cực đồng trục. Trong đó cấu trúc điện cực phẳng được sử dụng phổ biến.
Trong các đầu phát laser RF-CO2 có cấu trúc điện cực phẳng, plasma sẽ được hình thành giữa hai điện cực và đóng vai trò như một ống dẫn sóng quang học được mô tả ở Hình 2.

(Hình 2: Nguyên lý làm việc của laser RF-CO2 cấu trúc điện cực phẳng)

Việc làm sáng tỏ các quá trình vật lý diễn ra trong buồng cộng hưởng của laser CO2 kích thích bằng tần số RF là một công việc hết sức khó khăn, đặc biệt là việc tính toán về sự phân bố của trường RF trong không gian ba chiều (3D) cũng như sự tương tác của trường RF với các phân tử khí ở dạng plasma. Để đơn giản hóa, người ta thường tiếp cận theo hướng coi môi trường plasma phân bố trong không gian hai chiều (2D), trên một mặt phẳng và sự tương tác là giữa trường RF với các bản cực. Khi đó, có thể xem đầu phát laser như một trở kháng động tương đương 50 Ω. Bài toán thiết kế chế tạo khối kích thích phát xạ laser RF-CO2 trở về dạng thiết kế chế tạo bộ phát tần số RF có phối hợp trở kháng với đầu phát laser có trở kháng tương đương 50 Ω với nguyên lý như mô tả tại Hình 3.

(Hình 3: Sơ đồ nguyên lý bộ phát tần số RF và mạch phối hợp trở kháng)

Phối hợp trở kháng giữa đầu phát laser với bộ phát tần số RF phụ thuộc vào các tham số của đầu phát laser và các thông số linh kiện, đặc biệt là thông số của MOSFET. Để thuận tiện trong quá trình điều chỉnh phối hợp trở kháng trong một dải tần số (thường từ 40 đến 50 MHz), các tụ điện C1, C2, C3 trong Hình 3 thường là các tụ vi chỉnh (trimmer).
Hiện nay, Trung tâm Công nghệ Laser đang thực hiện nghiên cứu chế tạo khối phát công suất tần số RF để tiến tới làm chủ chế tạo các đầu phát laser trong thiết bị laser RF-CO2, một số kết quả thực nghiệm được mô tả trong Hình 4.

(Hình 4: Khối phát công suất tần số RF và dạng tín hiệu)

Các kết quả thực nghiệm thu được cho thấy, tần số RF kích thích phát xạ laser tối ưu cho đầu laser RF-CO2 công suất dưới 50 W nằm trong dải từ 40 MHz đến 50 MHz.
Với các kết quả thu được, Trung tâm sẽ chủ động hơn trong việc chế tạo thiết bị, bảo hành, bảo dưỡng, thay thế đầu phát laser trong thiết bị laser RF-CO2 công suất dưới 50W ứng dụng trong y tế và công nghiệp, với giá thành thấp hơn so với thiết bị nhập ngoại.

Nguồn: Trung tâm Công nghệ Laser

The post Kích thích phát xạ laser CO2 bằng tần số vô tuyến (RF) appeared first on Viện Đổi mới sáng tạo Quốc gia.

(Hình 1. Sơ đồ hệ thống truyền động bám sát góc.)

Trên Hình 1, xenxin phát CX đóng vai trò bộ lập lệnh, cung cấp tín hiệu điều khiển hệ thống hay tín hiệu đặt q₁ dưới dạng tổ hợp của 3 tín hiệu xoay chiều  S1, S2, và S3, sinh bởi 3 cuộn stator đặt lệch nhau 120° trong không gian; xenxin biến áp CT đóng vai trò: i) thiết bị hồi tiếp góc đo trạng thái góc chấp hành  q₂ (q₁ và q₂ là trạng thái góc của trục quay cơ khí của các xenxin) ,và  ii) bộ điều khiển tạo tín hiệu sai lệch tỷ lệ với Dq = q₁ – q₂ để điều khiển chuyển động của động cơ M sao cho Dq ® 0. Hệ thống có cấu trúc cơ điện nên khá đơn giản, dễ hiệu chỉnh, độ chính xác bám sát góc rất cao, đáp ứng theo thời gian thực. Trong nhiều ứng dụng hiện đại, tín hiệu điều khiển hệ thống q₁ được cho dưới dạng số, trong khi bộ điều khiển và thiết bị hồi tiếp vẫn sử dụng xenxin CT. Khi đó, thay vì sử dụng xenxin phát CX, cần phải sử dụng một bộ biến đổi tín hiệu góc số – xenxin, hay bộ xenxin điện tử. Về bản chất thì bộ biến đổi tín hiệu góc số – xenxin là một bộ biến đổi số – tương tự (DAC) với biên độ được điều chế theo tín hiệu q₁. Phương pháp D/A thường dựa trên chuyển đổi khuếch tại tổng với lối vào là mạng điện trở có trọng số hoặc cơ chế điều chế độ rộng xung (PWM). Biên độ tín hiệu được điều chế bằng phương pháp nhân chập tín hiệu, sử dụng phần cứng hoặc tính toán.

(Hình 2: Cấu hình mô đun biến đổi góc dùng dsPIC và biến áp chuyển đổi 2/3)

DSC được lựa chọn là dsPIC30F4011 của Microchip có Mô đun PWM có độ phân giải 16-bit. Trên cơ sở các bộ PWM xây dựng các bộ điều chế độ rộng xung ra sine (SPWM)

Điều chế độ rộng xung ra sin (SPWM) c  là điện áp sin

Điện áp ra có công suất tỷ lệ với thời gian độ rộng xung  của tín hiệu SPWM:

Giá trị Duty Cycle Count – DCC được nạp vào sau mỗi lần mcu tính toán.

KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

Kết quả thực nghiệm cho thấy: sai lệch về góc Dq_i (max.) = 55,1 phút góc,  Dq_i (min.) = 0,117 phút góc, Dq_S (trung bình) = 8,41 phút góc < 15 phút góc, đạt tiêu chuẩn độ chính xác cấp I của xenxin

Mô đun biến đổi tín hiệu góc được xây dựng trên một chip DSC có các thông số kỹ thuật đạt yêu cầu, có thể thay thế xenxin phát CX trong mạch điều khiển truyền động bám sát góc chuyên dụng.

Sản phẩm trong hình 3 đã được nhóm nghiên cứu của Trung tâm Công nghệ Laser nghiên cứu, thực hiện và cũng là sản phẩm của một nhiệm vụ khoa học và công nghệ cấp cơ sở năm 2021 đã được Hội đồng đánh giá và nghiệm thu.

Nguồn: Trung tâm Công nghệ Laser

The post MÔ ĐUN ĐIỀU KHIỂN GÓC ĐỒNG BỘ XENXIN appeared first on Viện Đổi mới sáng tạo Quốc gia.

Hiện nay công nghệ laser đã được ứng dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực của đời sống, kinh tế, xã hôi, đặc biệt là trong lĩnh vực công nghiệp. Trong gia công vật liệu, laser thường được sử dụng để khắc, cắt, hàn… Riêng trong lĩnh vực khắc, tùy theo từng loại laser, bước sóng hoạt động, công suất phát… chùm tia laser có thể khắc được trên hầu hết các loại vật liệu như: kim loại, hợp kim, gỗ, nhựa, gốm… trong đó, thủy tinh là loại vật liệu có thể được khắc rất tốt bằng chùm tia laser.

Về cấu tạo, thủy tinh được tạo thành từ silic oxit nóng chảy và kết tinh dưới dạng cấu trúc vô định hình. Thủy tinh được sử dụng rất phổ biến trong đời sống hàng ngày dưới nhiều hình thái khác nhau: chai, lọ, ly đựng chất lỏng, kính ô tô, vách ngăn, kính cách âm… Thủy tinh còn được ứng dụng nhiều trong các ngành nghề thủ công mỹ nghệ, trang trí, quà tặng… Do vậy, nhu cầu về gia công và chế tác thủy tinh cũng chiếm một thị phần đáng kể trên thị trường.

Thủy tinh là một trong những vật liệu có độ cứng cơ học cao nên rất khó khắc. Có thể kể đến một số phương pháp truyền thống khắc trên thủy tinh như: khắc bằng dao kim cương, dùng axit ăn mòn… Tuy nhiên, hiện nay công nghệ khắc laser trên thủy tinh đã trở nên thông dụng nhờ khả năng lựa chọn loại laser có bước sóng, chất lượng chùm tia phù hợp, tối ưu hóa thời gian khắc; cho phép khắc được nhiều chi tiết phức tạp với độ chính xác rất cao, thậm trí, có thể nói khắc bằng laser là công nghệ duy nhất hiện nay cho phép khắc được hình ảnh 3D nằm bên trong khối thủy tinh.
Quá trình khắc laser trên thủy tinh diễn ra như sau: khi chùm tia laser hội tụ được chiếu tới khối thủy tinh, mật độ năng lượng rất cao tại điểm hội tụ có thể làm nóng chảy silic oxit trong thủy tinh, từ đó tạo ra các cấu trúc bất trật tự và hình thành nên vết khắc. Kích thước của vết khắc phụ thuộc vào bước sóng, công suất laser, chất lượng chùm tia, hệ quang hội tụ,… Tập hợp các vết khắc này sẽ tạo thành đối tượng hình ảnh 3D bên trong khối thủy tinh. Đây chính là nguyên lý của kỹ thuật khắc laser 3D trong khối thủy tinh trong suốt.

2. Thiết kế, chế tạo thiết bị khắc laser bên trong khối thủy tinh
Hiện nay, có nhiều loại laser được sử dụng để khắc trong thủy tinh như: laser khí CO2, laser excimer, laser rắn,… trong đó laser rắn Nd:YAG Q-switched phát bức xạ tại bước sóng hòa ba bậc hai (532 nm) đã chứng tỏ nhiều ưu điểm: vết khắc sắc nét, độ ổn định cao, giá thành hợp lý… Nhờ đó, khi kết hợp với hệ quét tia laser galvo và bàn máy 3D, thiết bị cho phép khắc được hình ảnh 3D bên trong các khối thủy tinh rất chi tiết với tốc độ khắc rất cao.
Thiết bị khắc laser 3D bên trong khối thủy tinh đã được các cán bộ nghiên cứu tại Trung tâm Công nghệ Laser chế tạo dựa trên tích hợp các module và linh kiện bán thành phần sẵn có trên thị trường. Cấu hình hệ laser khắc 3D gồm các khối chính: nguồn phát laser Nd:YAG Q-switched 532 nm (CP400, Canlas), đầu quét tia laser Galvo (SinoLaser), thấu kính lái tia f-theta, bàn máy dịch chuyển 3 trục XYZ, card điều khiển DMC1000B, LMC-1 và phần mềm khắc laser 3D.

Diễn biến của quá trình khắc 3D bằng laser cũng tương tự như trong công nghệ in 3D thông thường, trong đó đối tượng vật thể ba chiều được chia thành rất nhiều lát cắt Sn hai chiều và mỗi lát cắt này sẽ được khắc lần lượt bên trong khối thủy tinh bằng chùm tia laser. Tập hợp tất cả các lát khắc này tạo thành hình ảnh ba chiều của vật thể.

Chất lượng và độ sắc nét của hình khắc 3D trong khối thủy tinh phụ thuộc vào các yếu tố như: mật độ điểm khắc, tốc độ quét tia, khoảng dịch chuyển của bàn máy, công suất laser, kích thước vết laser hội tụ… Khi sử dụng thấu kính quét tia laser f-theta, kích thước điểm hội tụ giới hạn nhỏ nhất d (hay đường kính tại vị trí có cường độ 1/e2) đối với chùm tia laser tới có đường kính D sẽ được tính theo công thức:

trong đó: Q là hệ số chất lượng chùm tia laser (với mode TEM00, Q = 1), F là chiều dài tiêu cự của thấu kính f-theta.
Trong thực tế, hiện tượng che lấp chùm tia và các quang sai có thể khiến kích thước điểm hội tụ lớn hơn so với giá trị được tính toán. Kích thước trường quét lớn yêu cầu sử dụng thấu kính hội tụ f-theta có tiêu cự dài hơn. Tuy nhiên, điều này sẽ dẫn đến làm tăng kích thước điểm hội tụ trừ khi đường kính chùm tia tới, kích thước gương và đường kính thấu kính hội tụ đều tăng lên.

3. Sản phẩm khắc laser 3D bên trong khối thủy tinh
Trong quy trình khắc, hình ảnh đối tượng khắc được thiết kế trên các phần mềm vẽ 3D thông thường như 3DS Max, AutoCAD 3D…, sau đó được xử lý, chuyển thành các file dữ liệu 3D định dạng .obj, .dxf, .3ds, .stl. Khi đó, dữ liệu 3D sẽ được chuyển thành tập hợp các tọa độ điểm khắc laser trong không gian. Trong quá trình khắc laser, phần mềm hệ thống sẽ điều khiển đồng bộ giữa chùm tia laser lối ra với dịch chuyển của đầu quét tia galvo và bàn máy 3 trục XYZ. Dưới đây là một số hình ảnh của sản phẩm được thiết kế bằng phần mềm 3DS Max và khắc laser 3D bên trong khối thủy tinh.

4. Kết luận
Kỹ thuật khắc laser 3D bên trong khối thủy tinh là một hướng nghiên cứu mới, được Trung tâm Công nghệ Laser triển khai thực hiện trong một vài năm qua. Việc chế tạo thành công hệ thiết bị khắc laser 3D tại Trung tâm Công nghệ Laser – Viện Ứng dụng Công nghệ cho phép khắc được các hình dạng 3D bất kỳ bên trong một số vật liệu trong suốt đối với mắt người như thủy tinh, pha lê, acrylic… với độ sắc nét, độ ổn định cao và thời gian thực hiện rất nhanh.
Thành công này sẽ góp phần mở rộng hướng nghiên cứu, ứng dụng của công nghệ laser trong công nghiệp đối với các sản phẩm có vật liệu từ thủy tinh thuộc các lĩnh vực kiến trúc, xây dựng, trang trí, quà tặng…

Nguồn: Trung tâm Công nghệ Laser

The post Khắc hình ảnh 3D bên trong khối thủy tinh bằng công nghệ laser appeared first on Viện Đổi mới sáng tạo Quốc gia.