Продолжаем обсуждать основные термины лазерной физики.
Монохроматичность
Многим знакомо понятие «монохромный» — одноцветный. Понятие монохроматичности лазерного излучения связано с наличием или отсутствием разброса частот (или длин волн, а значит — различных цветов).
Степень монохроматичности излучения определяется по формуле
где λ0 — центральная длина волны в спектре, а Δλ — ширина спектра.
Например, для лампы накаливания ширина спектра составляет 300 нм, а ширина спектра непрерывного лазерного излучения может составлять нанометры–тысячные доли нанометра. Ширина спектра лазерного диода — ~2-5 нм. Гелий-неонового лазера — всего ~0.002 нм.
Как используется монохроматичность лазерного излучения?
- Селективное воздействие. Длина волны излучения может быть точно «настроена» на поглощение конкретным материалом: например, при удалении татуировок излучение разрушает пигмент, но не повреждает окружающие ткани.
- Минимизация хроматических аберраций. В оптических системах (микроскопах, литографических установках) разные длины волн фокусируются в разных точках, размывая изображение. Идеальный монохроматичный пучок не создает такой проблемы, поэтому ширину спектра целенаправленно ограничивают.
- Передача сигналов по оптоволокну. В волоконной оптике узкий спектр позволяет уменьшить дисперсионное уширение сигнала и передавать данные на большие расстояния.
Когерентность
Когерентность — это согласованность фаз электромагнитных волн в разных точках пространства и/или в разные моменты времени. Если излучение когерентное, то все колебания происходят синхронно.
Согласованность колебаний в разных точках поперечного сечения луча — это пространственная когерентность.
Согласованность колебаний в одной точке, но в разные моменты времени — это временная когерентность. Она связана с монохроматичностью излучения: чем больше степень монохроматичности, тем больше время когерентности.
Где используется когерентность лазерного излучения?
Высокая степень когерентности излучения необходима в таких областях, как:
- Интерферометрия: сверхточное измерение длин, деформаций, показателей преломления (например, в гравитационно-волновом детекторе LIGO)
- Голография: запись и восстановление объёмных изображений
- Когерентная телекоммуникация: передача информации с помощью модуляции фазы света, что увеличивает ёмкость канала
- Лазерная локация (лидары): высокая точность и разрешение по дальности
Почему обычные источники света не обладают свойствами монохроматичности и когерентности?
В лампах накаливания или светодиодах атомы испускают фотоны независимо и случайным образом в разные моменты времени. Длины волн и фазы этих фотонов не согласованы.
Лазер работает на принципе вынужденного излучения: фотон, пролетая мимо возбуждённого атома, «вынуждает» его излучить второй фотон, абсолютно идентичный первому — с той же частотой, фазой, поляризацией и направлением движения. Оптический резонатор обеспечивает многократное повторение этого процесса, создавая поток синхронизированных фотонов — высокомонохроматическую и когерентную электромагнитную волну.
Сочетание высокой монохроматичности и когерентности позволяет фокусировать лазерный луч в пятно порядка длины волны — такое пятно называют дифракционным пределом.
Почему станки для гравировки и резки фокусируют пучки в пятна, диаметр которых намного больше дифракционного предела?
На практике концентрация энергии в сверхмалое пятно не выгодна, и вот почему.
Плотность мощности
В точке фокуса воздух будет ионизироваться, создавать плазму, которая экранирует излучение. Увеличив пятно до 50–200 мкм, пиковую плотность мощности можно снизить на 2–4 порядка, и сделать процесс лазерной резки более стабильным и предсказуемым.
Глубина фокуса
Чем меньше диаметр пятна, тем меньше глубина фокуса, в пределах которой пятно сохраняет диаметр близким к минимальному. Большая глубина фокуса позволяет обрабатывать заготовки с неидеальной геометрией.
Практические требования к ширине реза
Часто большой по сравнению с длиной волны диаметр пятна фокусировки — это техническое требование. Например:
- При лазерном раскрое слишком узкий рез может привести к заклиниванию, застреванию вырезанной детали в заготовке.
- При гравировке для заполнения площади малое пятно фокусировки потребует огромного количества проходов.
Вместо заключения
В станках для лазерной обработки материалов намеренно устанавливается диаметр пятна больше минимально возможного ради надежности, скорости, устойчивости процесса и экономической целесообразности. Предельные размеры пятен фокусировки необходимы в других областях: лазерной микрообработке, фотонной литографии, оптических пинцетах, — там, где требования к точности выше, а мощность излучения — ниже.
Лазерные технологии в ЛАССАРД
Если вы хотите увидеть лазерные технологии в действии, то приезжайте к нам в шоурум! Мы покажем, как лазерные технологии работают на практике в станках для резки, сварки, маркировки, очистки и упрочнения, а также в гибридном станке 4 в 1.
Наши контакты:
📱 Сайт
📱 Интернет-магазин оптико-механических изделий и оптических столов
👥 ВК
📺 RUTUBE
🏭 Наше производство и шоурум: ОЭЗ «Технополис Москва», 109316, Россия, Москва, Волгоградский проспект, д. 42, корп. 5, пом. 1Н
📞 Наш телефон: +7 495 120 68 86
✉️ Наша почта: sales@lassard.ru