Пространственные характеристики лазерного излучения. Свойства лазерного излучения

Расходимость лазерного излучения. Излучение никогда не выходит из лазера в виде пучка параллельных лучей. Лазерный луч расходится (расширяется) в пространстве. Под расходимостью понимают линейный или телесный угол, в котором на значительном удалении от источника излучения сосредоточена основная доля генерируемой энергии или мощности. Расходимость лазерного луча характеризуется полным углом расходимости 20, в пределах которого либо содержится определенная доля мощности (примерно 84 %) или энергии лазерного излучения, либо интенсивность снижается в некоторое число раз.

Лазеры могут генерировать излучение с малой угловой расходимостью. Это означает, что возможны передача излучения на большие расстояния и его фокусировка в пятно с малыми размерами.

Угол расходимости в лазере определяется типом резонатора, его геометрическими размерами, точностью юстировки зеркал, качеством их поверхности, оптической неоднородностью активной среды, неравномерностью накачки и т. д. Расходимость лазерного излучения можно изменить с помощью оптических систем. Так, при расширении луча в п раз его угловая расходимость уменьшается во столько же раз.

Распределение энергии по сечению лазерного луча. Модовый состав лазерного излучения отражает распределение энергии по сечению пучка. Распределение интенсивности излучения на выходной апертуре лазера определяется типом используемого резонатора и модовым составом возбуждаемых в нем колебаний. Работа на моде ТЕМ_оо позволяет достичь дифракционного предела расходимости луча. Распределение интенсивности излучения по сечению выходного луча лазера в этом случае имеет вид гауссовой кривой. Поскольку более высоким модам соответствуют большие расходимости, технологические процессы рекомендуется проводить на основной моде ТЕМ_оо

При многомодовой генерации распределение интенсивности по выходной апертуре лазера определяется конкретным модовым составом и распределением энергии излучения среди этих мод. Варьированием модового состава излучения можно существенно влиять на распределение интенсивности, подбирая его при проведении тех или иных технологических процессов оптимальным образом.

В случае неустойчивого резонатора распределение интенсивности излучения на выходе лазера в зависимости от формы выходного зеркала и его юстировки может иметь вид кольца, прямоугольной рамки, серпа или уголка.

Свойства лазерного излучения. Энергетические характеристики лазерного излучения. Основной энергетической характеристикой лазерного излучения является его мощность Р. Для лазеров, работающих в импульсном и импульсно-периодическом режимах генерации, к таким характеристикам относятся энергия лазерного импульса его длительность частота следования этих импульсов а также средняя Р_ср и импульсная Р_И мощности излучения, определяемые как

Технологические процессы часто характеризуют плотностью мощности или плотностью энергии, т. е. мощностью или энергией, приходящейся на единицу поверхности в пятне нагрева,

Важной энергетической характеристикой также является КПД лазера. Общий энергетический КПД лазера определяют как отношение мощности или энергии излучения (в случае импульсного режима работы) к потребляемой для генерации электрической мощности (или энергии).

Монохроматичность лазерного излучения. Она характеризует свойство лазеров излучать в узком диапазоне длин волн. Ширина спектра излучения лазера зависит от числа линий, на которых происходит генерация.

При проведении технологических процессов монохроматичность лазерного излучения имеет важное значение. Так, отсутствие хроматических аббераций при фокусировке позволяет получить малый диаметр пятна излучения в зоне обработки. Кроме того, важное значение это свойство имеет при использовании технологий, основанных на селективности воздействия лазерного излучения на определенные компоненты обрабатываемого материала.

Когерентность лазерного излучения. Очень важным свойством излучения квантового генератора является его когерентность. Под когерентностью понимают согласованное протекание во времени и пространстве нескольких колебательных или волновых процессов. При этом волны имеют одинаковый период и неизменный сдвиг фаз колебаний в каждой точке. В случае когда излучение лазера когерентно, связанные с ним колебания электромагнитного поля имеют постоянный во времени сдвиг фазы для двух произвольных точек. Необходимо разделять временную и пространственную когерентность. Первая имеет место при наличии разности оптического пути лазерных лучей, а вторая — при рассмотрении фазовых свойств излучения из разных, разнесенных точек поперечного сечения пучка.

Поскольку лазерное излучение генерируется вследствие согласованного вынужденного излучения света во всем объеме активной среды, пространственная когерентность света на выходе из резонатора лазера сохраняется в пределах всего поперечного сечения пучка.

В результате пространственно-временной когерентности лазерные источники имеют низкую расходимость, что позволяет не только передавать энергию излучения на значительные расстояния с минимальным рассеянием, но и фокусировать луч в пятно малого диаметра, что имеет большое значение при проведении технологического процесса. Кроме того, взаимодействие когерентного лазерного излучения с поверхностью может сопровождаться образованием поверхностных электромагнитных волн, которые можно использовать для создания периодических поверхностных структур. Это свойство также используют при создании многолучевых или многоканальных лазерных систем, представляющих собой набор большого числа пространственно-разнесенных лазеров, параллельные пучки которых с помощью фокусирующей системы собираются на обрабатываемом изделии в одно пятно. Если излучение на выходе всех лазеров когерентно и относительный сдвиг фаз равен нулю, то при сведении пучков вместе можно получить максимальную интенсивность, а следовательно, достичь высоких технологических показателей работы лазера.

Поляризация лазерного излучения. Она характеризует ориентацию вектора электрического поля в электромагнитной волне. Если в каждой точке светового пучка вектор электрического поля Е колеблется вдоль одной линии в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, то имеет место линейная (плоская) поляризация (рис. 1.21, а). При сложении двух пучков линейно-поляризованного света с взаимно перпендикулярными плоскостями поляризации в случае фиксированного сдвига фаз возникает свет с эллиптической поляризацией. Если амплитуды обеих поляризационных составляющих равны, а разность фаз составляет или поляризация называется круговой (рис. 1.21, б). Другими словами, в случае круговой или эллиптической поляризации концы векторов Е и Н описывают окружности или эллипсы в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны, с частотой, равной частоте электромагнитного поля. Если свет не поляризован, то вектор мгновенного электрического поля в любой фиксированной точке может хаотически принимать любую ориентацию в плоскости, перпендикулярной направлению распространения волны.

Поляризация лазерного излучения может оказывать существенное влияние на эффективность проведения технологических процессов. От нее зависит коэффициент поглощения обрабатываемой поверхности. Лазерные пучки с различными направлениями поляризации имеют различные коэффициенты поглощения в широком диапазоне углов падения излучения. Поляризацию излучения необходимо выбирать с учетом особенностей конкретной технологии. Например, при лазерной резке толстых металлических материалов излучение попадает в глубь прорезаемого образца после многократного отражения излучения от боковой поверхности щели. Излучение с ориентацией электрического поля вдоль направления реза при отражении от боковой поверхности щели поглощается в меньшей степени и достигает дна с меньшими потерями, что приводит к увеличению предельной глубины реза. Однако такая поляризация будет оптимальной только в случае выполнения резки в заданном направлении. При вырезании сложных фигур излучение должно иметь круговую поляризацию, так как именно это позволит обеспечить одинаковую ширину и глубину реза в разных направлениях.