Характеристики лазерного излучения

Лазерное излучение, в отличие от излучения других источников света, отличается высокой степенью когерентности, малой угловой расходимостью, высокими спектральной яркостью и монохроматичностью.

Монохроматичностьлазерного излучения определяется диапазоном частот или длин волн, который занимает излучение, т.е. шириной его спектра. Для некоторой спектральной линии с длиной волны λ₀(частотой ω₀) степень монохроматичности

(12.5)

где Δλ – ширина спектра.

Степень монохроматичности μдля лазерного излучения составляет 10^-15– 10^-16, в то время как для спектральных линий, выделенных монохроматорами,μ10^-6. Поскольку значительная часть потока излучения приходится на очень узкий участок спектра излучения, который не превосходит сотых долей микрометра, то спектральная плотность мощности лазерного излучения на много порядков превосходит спектральную плотность мощности излучения других известных источников электромагнитной энергии.

Когерентностьопределяется корреляцией характеристик поля излучения, образованного в одно и то же время разнесенными в пространстве источниками (пространственная когерентность), или одним и тем же источником, но в разные моменты времени (временная когерентность). Связь между характеристиками временной и пространственной когерентности источников имеет следующий вид:

, (12.6)

где с– скорость света;l_ког– длина когерентности;τ_ког– время когерентности, в течение которого разность фаз не успевает измениться на величину того же порядка, что иπ.

Если разность хода лучей превышает длину когерентности, то корреляция между характеристиками электромагнитного поля в различные моменты времени отсутствует. Длина когерентности лазерного излучения достигает нескольких тысяч километров, время когерентности – долей секунд; для естественных источников квазимонохроматического света аналогичные величины меньше в 10⁹раз. Пространственная когерентность обусловливает высокую направленность излучения и возможность фокусирования его на площадки малых размеров.

Угловая расходимостьΔθлазерного излучения может быть получена предельно малой, т.е. может определяться только дифракционной расходимостью:

(12.7)

где λ – длина волны излучения; D– эффективный диаметр пятна на выходном зеркале лазера. Для газовых лазеровD1 см, Δθ30 угловых секунд (для λ = 1 мкм), для твердотельных – соответственно ~ 1 мм и 30 угловых минут, для полупроводниковых лазеров ~ 1 мкм и 30 угловых градусов.

Значительное увеличение расходимости излучения реальных лазеров по сравнению с расчетным значением обусловливается неоднородностью распределения амплитуды и фазы поля излучения в пределах излучающей поверхности, многомодовым характером генерации излучения (точнее – наличием колебаний поперечных типов), наличием неоднородностей в активной среде и несовершенством элементов резонатора.

Излучающая поверхность стержня из лазерного вещества не является однородной, а представляет собой сложную структуру в виде отдельных светящихся пятен.

Высокая спектральная яркостьлазерного излучения (количество энергии на единичный частотный интервал, излучаемой в единицу времени с единицы поверхности источника в единицу телесного угла) обусловлена его высокой монохроматичностью и острой направленностью. Для лазеров величина спектральной яркости в десятки тысяч раз превышает спектральную яркость Солнца.

Основную роль в лазерной обработке материалов играют энергетические параметры– энергия, мощность, плотность энергии. В зависимости от типа лазера мощность в непрерывном режиме – от нескольких мкВт до 100 кВт, энергия в одиночном импульсе – от десятых долей до 10⁵Дж, плотность мощности для лазеров непрерывного режима – до 10⁶Вт/см², импульсного режима – до 10⁹– 10¹⁵Вт/см².

Высокие значения плотности мощности излучения приводят к значительному сокращению времени нагрева, плавления и испарения материала, обеспечивая скорости обработки, сравнимые со скоростью протекания физических процессов в объекте облучения.

Лазерное излучение как электромагнитная волна оптического диапазона является практически безынерционным. Время включения и выключения луча, смена направления перемещения луча относительно детали определяется лишь быстродействием соответствующего устройства (оптического затвора, механизма перемещения зеркала или координатного стола).