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激光打标机之光源的时间与空间的相干性

  电磁辐射具有波动性,任何电磁波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,即

  y=Acos(ωτ+φ)

  (1-2)式中,A为振幅;ω=2πν为角频率;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系。如果两列波满足振动方向相同,频率相同, 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。

  光的相干叠加

  图1 8 光的相干叠加

  对于普通光源而言,激光打标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,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。而激光是通过受激辐射过程形成的,其中每个光子的运动状态(频率、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,实际上无法应用。

  相干性包括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。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。

  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,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。

  对于激光来说,所有属于同一个横模模式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)是紧密联系的。

  激光的相干性有很多重要应用,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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