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激光焊接机之光源的时间与空间的相干性
添加时间:2018-10-21

  电磁辐射具有波动性,任何电磁辐射都可以看作是正弦波的叠加。根据波动理论,每列波都可以用一个波动方程来描述(description),即
 
  y=acos(ωτ+φ)
  (1-2)式中,a为振幅;ω=2πν为角频率(frequency);驴为初始相位;(ωτ+φ)为波的相位。
 
  相干波意味着各子波之间有确定的位相关(related)系。如果两列波满足振动方向相同,频率(frequency)相同, 相位差恒定的相干条件,它们就是相干的。图1 8给出了三列波y1,y2,y3及它们相干叠加的结果,在图l-8(a)中,三列波相位完全相同;在图l-8(b)中,三列波具有不同的相位。
 
 


 
  图1 8 光的相干叠加
 
  对于普通光源来说,激光焊合机的发光机制是发光中心(原子、分子或电子)的自发辐射过程(guò chéng),不同发 光中心发出的波列,或同一发光中心在不同时刻发出的波列相位都是随机的,因此光的相干性 极差,或者说是非相干光。而激光是通过(tōng guò)受激辐射过程形成的,其中每个光子的运动状态(频率(frequency)、相位、偏振态、传播方向)都相同.因而是最好的相干光源。激光是一种相干光,这是激光与普通光源最重要的区别。对普通光源采用单色仪分光,通过狭缝后可得到单色性很好的光,其相干性也很好,但是,这样获得的相干光强度非常弱,实际上没有办法应用。
 
  相干性包括(bāo kuò)时间相干性和空间相干性,下面分别从这两个方面来讨论激光的相干性。
 
  1、时间相干性
  时间相干性描述(description)沿光束传播方向上各点的相位关系,指光场中同一空间点在不同时刻光波场之间的相干性。激光焊接机是激光材料加工用的机器,又常称为激光焊机、镭射焊机,按其工作方式常可分为激光模具烧焊机(手动焊接机)、自动激光焊接机、激光点焊机、光纤传输激光焊接机,光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热,激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散,将材料熔化后形成特定熔池以达到焊接的目的。时间相干性通常用相干时间tc来描述,相干时间指光传播方向上某点处,可以使两个不同时刻的光波场之间有相干性的最大时间间隔,即光源所发出的有限长波列的持续时间。相干时间和单色性之间存在简单关系,即
  tc=1/δν (1—3)
  可见,光源单色性越高,则相干时间也越长。
  有时用相干长度l。来表示相干时间,相干长度指可以使光传播方向上两个不同点处的光 波场具有相干性的最大空间间隔,即光源发出的光波列长度。相干长度可表示为
  lc=tc*c=c/δν (1-4)
  式(1-4)说明,相干长度实质上与相干时间是相同的,都与光源单色性的好坏相关(related)。激光焊接机高功率CO2及高功率YAG激光器的出现,开辟了激光焊接的新领域。获得了以小孔效应为理论基础的深熔焊接,在机械、汽车、钢铁等工业领域获得了日益广泛的应用。
  普通光源中,相干性最好的kr86灯的相干长度为800mm,而he-ne激光的相干长度为1.5*10^11mm。
 
  2.空间相干性
  空间相干性描述(description)垂直于光束传播方向的波面上各点之间的相位关系,指光场中不同的空间点在同一时刻光场的相干性,可以用相干面积来描述(description),即
  s=(δλ/θ)2
  式中,θ为光束平面发散角。由式(1-5)可以看出,光束方向性越好,则其空间相干性也越好。
 
  对于普通光源,只有当光束发散角小于某一限度,即δθ=<(λ/δχ)时,光束才具有明显的空间相干性,δχ为光源的限度。激光焊接机是激光材料加工用的机器,又常称为激光焊机、镭射焊机,按其工作方式常可分为激光模具烧焊机(手动焊接机)、自动激光焊接机、激光点焊机、光纤传输激光焊接机,光焊接是利用高能量的激光脉冲对材料进行微小区域内的局部加热,激光辐射的能量通过热传导向材料的内部扩散,将材料熔化后形成特定熔池以达到焊接的目的。
  对于激光来说,所有属于同一个横模模式(pattern)的光子都是空间相干的,不属于同一个横模模式的光子则是不相干的。因此,激光的空间相干性由其横模结构所决定,单横模的激光是完全相干的,多横模光束的相干性变差。同时,单横模光束的方向性最好,横模阶次越高方向性越差,由此可见,光束的空间相干性和它的方向性(用光束发散角描述(description))是紧密联系的。
 
  激光的相干性有非常多重要应用,如使用激光干涉仪进行检测,比普通干涉仪速度快、精度高。全息照相也正是成功地应用激光相干性的一个例子。
 
 
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