激光与其他光相比,具有以下的特点:高亮度、高方向性、高单色性和高相干性。

1.激光的高亮度

光源的亮度B定义为光源单位发光表面沿给定方向上单位立体角内发出的光功率,单位为W/(c㎡·sr).对于激光而言,其辐射亮度按下式计算:

B=P/(S·Ω)

式中S—-给定方向上发光表面面积(c㎡);

ひ—给定方向上的立体发散角(sr);

P—给定方向上单位立体发散角发出的光功率(W)。

激光辐射亮度单位中的sr为立体发散角的单位,即球面度。

太阳光的亮度约为2×10³W/(c㎡·sr),气体激光的亮度为108W/(c㎡·sr),固体激光的亮度更高达1011W/(c㎡·sr).这是由于激光器的发光截面S和立体发散角Ω都很小,而输出功率P都很大的缘故。激光亮度远远高于太阳光的亮度,经透射镜聚焦后,能在焦点附近产生几千度甚至上万度的高温,因而能加工几乎所有的材料。

2.高方向性

激光的高方向性主要是指其光束的发散角小。光束的立体发散角为:

Ω=θ₂≈(2.44λ/D)²

式中

入—波长(μm);

D—光束截面直径(mm)。

一般工业用高功率激光器输出光束的发散角为毫拉德(mrad,1rad=10mGy)量级。对于基模或高斯模,光束直径和发散角最小,其方向性也最好。

激光的高方向性使激光能有效地传递较长距离,能聚焦得到极高的功率密度,这在激光切割和激光焊接中是至关重要的。

3.高单色性

单色性用Δν/ν=Δλ/Δλ来表征,其中ν和λ分别为辐射波的中心频率和波长,Δν、Δλ是谱线的线宽。原有单色性最好的光源是Kr86灯,其Δν/Δλ值为10-6量级,而稳频器的输出单色性Δν/Δλ可达10-10~10-13量级,要比原有Kr86灯的高几万倍至几千万倍,几乎完全消除了聚焦透镜的色散效应,使光束能精确地聚焦到焦点上,得到很高的功率密度,相应的功率密度可达0.10~

103mW/c㎡.比一般的切割热源高几个数量级。

4.高相干性

相干性主要是描述光波各个部分的相位关系。其中,空间相干性S描述垂直光束传播方向的平面上各点之间的相位关系;时间相干性Δt则描述沿光束传播方向上各点的相位关系。相干性完全是由光波场本身的空间分布(发散角)特性和频率谱分布特性(单色性)所决定的。由于激光的θ,Δν和Δλ都很小,故其SmF=λ/θ和相干长度L相干=c·Δt相干=c/Δν都很大。式中,c为光速。因激光相干性好,在较长时间内有恒定的相位差,可以形成稳定的干涉条纹。

正是由于激光具有如上所述四大特点,才使其得到了广泛的应用。激光在材料加工中的应用就是其应用的一个重要领域。

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