Плотность мощности и плотность энергии лазера
Плотность — это физическая величина, с которой мы хорошо знакомы в повседневной жизни. Чаще всего мы сталкиваемся с плотностью материала, формула которой — ρ = m/v, то есть плотность равна массе, деленной на объем. Но плотность мощности и плотность энергии лазера — это разные величины, здесь они делятся на площадь, а не на объем. Мощность также является одной из многих физических величин, с которыми мы сталкиваемся, поскольку мы используем электричество каждый день, а электричество включает в себя мощность. Международная стандартная единица мощности — Вт, то есть Дж/с, — это отношение энергии к времени, международная стандартная единица энергии — Дж. Таким образом, плотность мощности — это понятие, объединяющее мощность и плотность, но здесь речь идет о площади облучения пятна, а не об объеме. Плотность мощности — это мощность, деленная на площадь выходного пятна, то есть единица измерения плотности мощности — Вт/м².лазерное полеПоскольку площадь пятна лазерного облучения довольно мала, обычно в качестве единицы измерения используется Вт/см². Плотность энергии исключается из понятия времени, объединяя энергию и плотность, и ее единицей измерения является Дж/см². Обычно непрерывные лазеры описываются с помощью плотности мощности, в то время какимпульсные лазерыОни описываются с использованием как плотности мощности, так и плотности энергии.
При воздействии лазера плотность мощности обычно определяет, достигается ли пороговое значение для разрушения, абляции или других воздействий на материалы. Пороговое значение — это понятие, часто встречающееся при изучении взаимодействия лазеров с веществом. При исследовании взаимодействия лазеров с короткими импульсами (которые можно рассматривать как мкс-стадию), сверхкороткими импульсами (которые можно рассматривать как нанс-стадию) и даже сверхбыстрыми лазерами (пс и фемтосекунды) ранние исследователи обычно использовали понятие плотности энергии. Это понятие на уровне взаимодействия представляет собой энергию, действующую на мишень на единицу площади; в случае лазера того же уровня это обсуждение приобретает большее значение.
Существует также пороговое значение плотности энергии при инжекции одиночного импульса. Это также усложняет изучение взаимодействия лазера с веществом. Однако современное экспериментальное оборудование постоянно меняется, ширина импульса, энергия одиночного импульса, частота повторения и другие параметры постоянно изменяются, и даже необходимость учитывать фактические колебания энергии импульса лазера при измерении плотности энергии может быть слишком грубой. В целом, можно приблизительно считать, что плотность энергии, деленная на ширину импульса, представляет собой среднюю по времени плотность мощности (обратите внимание, что речь идет о времени, а не о пространстве). Однако очевидно, что фактическая форма лазерного сигнала может не быть прямоугольной, прямоугольной, колоколообразной или гауссовой, и некоторые формы определяются свойствами самого лазера, что делает их более сложными.
Ширина импульса обычно определяется шириной на половине высоты, предоставляемой осциллографом (полная пиковая ширина на половине высоты, FWHM), что позволяет нам вычислять значение плотности мощности на основе плотности энергии, которая высока. Более подходящими значениями половины высоты и ширины следует считать интеграл по половине высоты и ширине. Не проводилось подробного исследования того, существует ли соответствующий стандарт для определения нюансов. Что касается самой плотности мощности, при расчетах обычно можно использовать энергию одного импульса для вычисления, отношение энергии одного импульса к ширине импульса и площади пятна, что представляет собой пространственно-среднюю мощность, а затем умножить на 2 для пространственно-пиковой мощности (пространственное распределение — это распределение Гаусса, такой подход не требуется), а затем умножить на выражение радиального распределения. И все готово.
Дата публикации: 12 июня 2024 г.