《激光原理及应用》陈家璧第二版.ppt

6.5.3 激光多普勒测速技术的应用 2. 管道内水流的测量 图6-36是测量圆管或矩形管内水流速度分布的多普勒测量系统原理图，采用的是最典型的双散射型测量光路。 图6-36 测量管道内水流速度分布的激光多普勒测速系统原理图 图6-35是光纤多普勒测速仪原理图 图6-35 用于血液流速测量的光纤激光多普勒测速仪原理图 6.6.1 环形激光精密测角 1. Sagnac效应和角速度测量 环形干涉仪的sagnac效应如图6-37所示,干涉仪不动时，顺时针和反时针传播一周所需时间相同，即 图6-37 环形干涉仪的Sagnac 效应 当干涉仪转动时（转速 ），对于随着干涉仪转动的观察者来说，两束光（顺时针和反时针）传播的时间分别为 二者之差为 6.6.1 环形激光精密测角 2. 环形激光器 激光共振腔的共振频率为 在环行腔的情况下传播一圈的光程为L，即 图6-38 环形干涉仪激光器系统示意图 由于逆向传播的两束激光的光程不同，具有不同的振荡频率，应该满足 图6-38为环形激光器的示意图 3. 环形激光精密测角 基于上述拍频公式，如果从t1时刻到t2时刻，环形激光器转过角?，在这一段时间间隔内累计的拍频条纹数可以用转角来表示 6.6.2 光纤陀螺 1.光纤陀螺也是基于Sagnac效应。以长度为的光纤绕成直径为的由个圆圈组成的光纤圈，其直径和圆面积可以分别表示为： 图6-39 光纤陀螺仪示意图 光程差则可以表示为 6.7 激光环境测量 7.1 激光热加工原理 1.无论是哪一种激光加工的方法，都要将一定功率激光束聚焦于被加工物体上，使激光与物质相互作用。在不同激光参数下的各种加工的应用范围如图7-1示 图7-1 各种参数条件下激光加工的可能应用和影响 7.1 激光热加工原理 1.对激光与材料的相互作用过程的物理描述可以分为以下四个方面： (1) 材料对激光的吸收 激光热加工时首先发生的是材料对激光能量的吸收。透入材料内部的光能主要对材料起加热作用。 不同材料对不同波长激光吸收率不同。假设材料表面反射率为R，则吸收率为 当激光由空气垂直入射到平板材料上时，根据菲涅尔公式，反射率为 (2) 材料的加热 设入射激光束的光功率密度为qi，材料表面吸收的光功率密度为q0 ，则有 激光从表面入射到材料内部深度为处的光强 一般将激光在材料内的穿透深度定义为光强降至I0/e时的深度，因而穿透深度为1/a 7.1 激光热加工原理 (2) 材料的加热 为了得到加热阶段的温度分布，必须求解热传导微分方程。对于各向同性的均匀材料，激光加热的热传导偏微分方程的一般形式为 如果光功率的损耗全部变成热量，则有 从理论上讲，根据加工时的各工艺参数以及初始条件，可以解出加工过程中激光照射区的温度场分布。但实际加工时，各方面的因素使热传导方程的求解十分困难 简化：如果半无限大（即物体厚度无限大）物体表面受到均匀的激光垂直照射加热，被材料表面吸收的光功率密度不随时间改变，而且光照时间足够长，以至被吸收的能量、所产生的温度、导热和热辐射之间达到动平衡，此时圆形激光光斑中心的温度可以由下式确定 7.1 激光热加工原理 (2) 材料的加热 如果光照时间为有限长(s)，考察点离开表面的距离(cm)也不为零，此时圆形激光光斑中心轴线上考察点的温度为 进一步假设照射激光是高斯光束，且入射到表面上的光束有效半径为，则激光光斑的功率密度可用离开中心的距离表示为 持续加热得到的光斑中心的温度最大值为 (2) 材料的熔化与汽化 激光功率密度过高，材料在表面汽化，不在深层熔化；激光功率密度过低，则能量会扩散到较大的体积内，使焦点处熔化的深度很小 7.1 激光热加工原理 (4) 激光等离子体屏蔽现象 如图7-2所示，为等离子云变化的过程 激光作用于靶表面，引发蒸汽，蒸汽继续吸收激光能量，使温度升高，最后在靶表面产生高温高密度的等离子体。等离子体迅速向外膨胀，在此过程中继续吸收入射激光，阻止激光到达靶面，切断了激光与靶的能量耦合。 图7-2 等离子云变化的过程 1.激光淬火技术，又称激光相变硬化，它利用聚焦后的激光束照射到钢铁材料表面，使其温度迅速升到相变点以上。当激光移开后，由于仍处于低温的内层材料的快速导热作用，使表层快速冷却到马氏体相变点以下，获得淬硬层。 7.2.1 激光淬火技术的原理与应用 2.图7-3 为一台柔性激光加工系统的示意图。它通过五维运动的工作头把激光照射到被加工的表面，在计算机控制下直接扫描被加工表面完成激光淬火 图7-3 柔性激光加工系统示意图 3. 激光淬火可以使工件表层0.1到1.0mm范围内的组织结构和性能发生明显变化。图7-4所示为45钢表面激光淬火区横截面金相组织图 图7-4 钢表面激光淬火区