Trong đó gia công bằng chùm tia laser được ứng dụng rất nhiều trong công nghệ hiện đại. Laser là nguồn sóng điện từ trường của bức xạ trong vùng cực tím (tử ngoại), trong vùng ánh sáng nhìn thấy được và vùng tia hồng ngoại. Đặc trưng của các nguồn năng lượng này là mức độ đơn sắc và độ tập trung cao . Chính vì thế mà mật độ nguồn nhiệt tại vùng gia công rất tậptrung và rất cao.

CÔNG NGHỆ LASER

Từ những năm 1960 người ta đã bắt đầu nghiên cứu ứng dụng laser trong công nghệ gia công kim loại và các vật liệu khác.Laser công suất nhỏ được ứng dụng cho hàn, cắt và một số công nghệ gia công khác với kim loại có chiều dày bé.Laser

Nguồn năng luợng tuy mới xuát hiện vào những năm 60 nhưng có nhiều ưu việt nên đã được ứng dụng nhiều trong các lĩnh vực khoa học công nghệ, trong y tế, trong kỹ thuật quân sự, thông tin liên lạc, kỹ thuật ảnh .

Laser – Tiếng Anh có nghiã là : Light amplification by the Stimulated Emission of  Radiaction (Có nghĩa là khuyếch đại ánh sáng bằng cảm ứng). Thực chất của quá trình đó có thể lý giải như sau :
Theo Thuyết về nguyên tử của Bo thì sự bức xạ của các vạch quang phổ là do các điện tử chuyển động từ mức năng lượng này sang mức năng lượng khác Mỗi lần thay đổi mức năng lượng các nguyên tử sẽ bức xạ một lượng tử năng lượng
ε = h ν

Trong đó h – Hằng số Plăng.
ν – tần số của ánh sáng.

Sơ đồ mô tả quá trình háp thụ và bức xạ

Wk – Mức năng lượng ở quỹ đạo k; Wi – Mức năng lượng ở quỹ đạo i
Bước chuyển điện tử từ i về k ứng vơí sự hấp thụ năng lượng.
Bước chuyển điện tử từ k về i ứng vơí sự bức xạ.

The Anhstanh thì bước chuyển tù K về i gồm 2 loại 

Bước chuyển tự phát. Loại này có công suất bức xạ nhỏ không có tác dụng trong các máy phát lượng tử.
Bước chuyển cảm ứng : Bước chuyển này chịu ảnh hưởng của bức xạ bên ngoài có tần số ν ki.

Người ta đã chứng minh được rằng muốn có một môi trường có khả năng khuyếch đại ánh sáng thì mật độ nguyên tử ở mức năng lượng cao phải lớn hơn mật độ nguyên tử ở mức năng lượng thấp. Lúc đó, sẽ có sự đảo lộn về mật độ nguyên tử trên các mức năng lượng (tạo nghịch đảo độ tích luỹ).

Người ta sử dụng một trong phương pháp tạo ra khả năng đó là phương pháp bơm quang học. Trong laser khí người ta sử dụng hiệu ứng va chạm giữa các nguyên tử hoặc phân tử để tạo nghịch đảo độ tích luỹ; trong laser phân tử người ta sử dụng phương pháp phân rã phân tử.

Sơ đồ nguyên lý cấu tạo của máy phát laser

Các bộ phận chính cúa máy phát laser

Máy phát laser được cấu tạo bởi 3 phần chính 

• Môi trường hoạt tính
• Nguốn kích thích
• Phần quang học

Môi trường quang học là bộ phận quan trọng – “trái tim của laser”có nhiệm vụ tạo ra sóng điện từ hay sóng ánh sáng. Môi trường hoạt tính của laser có thể dùng các chất :

• Khí và hổn hợp khí (Ne, He, CO2,…
• Tinh thể (Rubi-hồng ngọc,…) Thuỷ tinh hợp chất
• Chất lỏng : các dung dịch sơn, chất hữa cơ, vô cơ,…
• Chất bán dẫn (Ge, Si,…)

Để cung cấp cho môi trường hoạt tính một năng lượng cần thiết để tạo nên vùng đảo các hạt ở các mức năng lượng cao người ta dùng nguồn kích thích.Nguốn kích thích thường dùng là : nguồn ánh sáng đèn với hệ thống gương phản chiếu; dòng điện tần số cao cũng có thế dòng điện một chiều hay dòng điện có tần số thấp.

Phân loại laser 

Có nhiều phương pháp để phân loại laser. Dựa theo vật liệu cấu tạo nên môi trường hoạt tính người ta chia laser thành 3 loại : laser rắn, laser lỏng và laser khí.

Laser rắn 

Laser dạng rắn được tạo thành từ việc bức xạ của một số chất có tính chất đặc biệt với một số nguyên tố có hoạt tính đặc biệt chịu sự tác dụng của bức xạ ánh sáng.

Laser dạng rắn : hay sử dụng là Rubin-Hồng ngọc Al2O3 với 0,0 % Cr2O3,Kính, Y3Al5O12, CaWO4

Laser hồng ngọc được sử dụng rộng rãi hơn các loại khác vì nó yêu cầu năng lượng kích thích thấp hơn các loại kia. Đây là loại laser đầu tiên được chế tạo từ rubi hồng ngọc, tức là từ Oxyd nhôm với 0,05 % Cr . Loại laser này có tính dẫn nhiệt, bền nhiệt tốt,cho phép làm việc với tần số cao. Tiếp sau là laser chế tạo từ thuỷ tinh với các ion Neodim ( Nd) .

Đây cũng là loại laser thể rắn, nguyên lý hoạt động của chúng tương tự nhau. Laser thuỷ tinh Nd có độ đồng nhất cao đảm bảo góc phân kỳ (góc mở) nhỏ và cho phép bức xạ đều.giá thành rẻ, dẫn nhiệt tốt, có độ bền cơ học, độ bền nhiệt cao, thời gian phục vụ lâu. Quá trình làm việc của loại laser này theo sơ đồ 4 mức năng lượng nên hầu như không thay đổi nhiều theo nhiệt độ, các thông số của laser vì thế sẽ ổn định hơn.

Nhược điểm của loại này là tính dẫn nhiệt và chịu nhiết kém, hạn chế khả năng nâng cao công suất hoặc khi làm việc ở chế độ liên tục. Vì thế, hai loại laser trên đang được cải thiện và hoàn chỉnh liên tục . Các loại laser trên cho phép gia công lỗ có đường kính từ 10 … 500 µm với chiều dày của vật liệu từ 1 .. 3 mm

Laser thể khí có các loại : Laser CO2 – N2.

– Laser CO2 – Ne – He
– Laser N2, Ar,…

Laser thể khí có bước sóng dao động trong khoảng rộng, từ tử ngoại đến hồng ngoại, cho nên cho phép ta chọn được loại laser phù hợp với từng loại vật liệu gia công : kim loại, thuỷ tinh, chất bán dẫn, gốm sứ, vải, gỗ,…Hệ số hửu ích cao

Ví dụ : Laser thuỷ tinh – Nd đạt hệ số hửu ích η = 0,1 … 1 % (có thể đạt 2… 3%)

Laser CO2 có thể đạt hệ số hửu ích η <= 25 %,Công suất bức xạ đến 100KW Có thể làm việc ở chế độ liên tục hay chế độ xung; vận hành đơn giản.Hệ số hửu ích CO2 có thể cạnh tranh trong các công việc cắt xén vải, giấy,giấy các ton, da, gỗ, cắt những tấm mỏng từ kim loại cứng.

Laser lỏng là một trong những hướng mới của laser. Có 2 loại chất lỏng thường dùng là các hổn hợp hữu cơ kim loại và chất màu. Loại hổn hợp hữu cơ kim loại chứa một số nguyên tố hiếm như Eu (eu-rô-pi). Môi trường hữu cơ đóng vai trò trung gian, nhận năng lượng của nguồn ánh sáng kích thích rồi truyền lại cho các nguyên tử Eu bị kích thích và bức xạ với bước sóng 0,61µm.

Các loại laser lỏng có nhược điểm là môi trường hoạt tính không bền vững,chất hữu cơ bị phân huỷ dưới tác động của ánh sáng kích thích. Vì vậy hiện nay người ta thay chúng bằng các chất vô cơ. Các dung dịch vô cơ được chế tạo từ Oxyd Clorua phot pho hoặc oxyd clorua selen với nêôdim (Nd) hoặc một ít Clorit thiếc hoặc các halogen kim loại hoà tan. Loại laser chất lỏng vô cơ có công suất bức xạ cao (cở 500W ở chế độ xung) và hiệu suất khá cao (tương đương laser rắn với hợp chất Nd)

Laser không cần nguồn cung cấp điện 

+“Laser khí động học” hay “laser phản lực” : Người ta tạo ra vùng đảo bằng phương pháp giản nở khí đột ngột .
+Laser hoá học Dùng năng lượng sinh ra do các phản ứng hoá học để tạo ra vùng đảo các mức năng lượng.
+Laser gamma là một loại laser có cấu tạo phức tạp công suất lớn và bước sóng ngắn có thể đạt cở vài Ao (<10-7 cm).