Mật độ công suất và mật độ năng lượng của laser

Mật độ công suất và mật độ năng lượng của laser

Mật độ là một đại lượng vật lý mà chúng ta rất quen thuộc trong cuộc sống hàng ngày, mật độ mà chúng ta tiếp xúc nhiều nhất là mật độ của vật liệu, công thức là ρ=m/v, tức là mật độ bằng khối lượng chia cho thể tích. Nhưng mật độ công suất và mật độ năng lượng của tia laser thì khác, ở đây chia cho diện tích chứ không phải thể tích. Công suất cũng là đại lượng vật lý mà chúng ta tiếp xúc, vì chúng ta sử dụng điện hàng ngày nên điện sẽ liên quan đến công suất, đơn vị chuẩn quốc tế của công suất là W, tức là J/s, là tỷ số giữa năng lượng và đơn vị thời gian, đơn vị chuẩn quốc tế của năng lượng là J. Vì vậy, mật độ công suất là khái niệm kết hợp công suất và mật độ, nhưng ở đây là diện tích chiếu xạ của điểm chứ không phải thể tích, công suất chia cho diện tích điểm đầu ra là mật độ công suất, tức là đơn vị của mật độ công suất là W/m2, và trongtrường laser, vì diện tích điểm chiếu xạ laser khá nhỏ, nên nói chung W/cm2 được sử dụng làm đơn vị. Mật độ năng lượng được loại bỏ khỏi khái niệm thời gian, kết hợp năng lượng và mật độ, và đơn vị là J/cm2. Thông thường, laser liên tục được mô tả bằng mật độ công suất, trong khitia laser xungđược mô tả bằng cả mật độ công suất và mật độ năng lượng.

Khi laser hoạt động, mật độ công suất thường xác định ngưỡng phá hủy, hoặc cắt bỏ, hoặc các vật liệu hoạt động khác có đạt được hay không. Ngưỡng là một khái niệm thường xuất hiện khi nghiên cứu sự tương tác của laser với vật chất. Đối với nghiên cứu về vật liệu tương tác laser xung ngắn (có thể được coi là giai đoạn us), xung cực ngắn (có thể được coi là giai đoạn ns) và thậm chí là vật liệu tương tác laser cực nhanh (giai đoạn ps và fs), các nhà nghiên cứu ban đầu thường áp dụng khái niệm mật độ năng lượng. Khái niệm này, ở cấp độ tương tác, biểu thị năng lượng tác động lên mục tiêu trên một đơn vị diện tích, trong trường hợp laser có cùng mức, cuộc thảo luận này có ý nghĩa lớn hơn.

Cũng có một ngưỡng cho mật độ năng lượng của xung tiêm đơn. Điều này cũng làm cho việc nghiên cứu tương tác laser-vật chất trở nên phức tạp hơn. Tuy nhiên, các thiết bị thí nghiệm ngày nay liên tục thay đổi, nhiều loại độ rộng xung, năng lượng xung đơn, tần số lặp lại và các thông số khác liên tục thay đổi, và thậm chí cần phải xem xét đầu ra thực tế của laser trong dao động năng lượng xung trong trường hợp mật độ năng lượng để đo, có thể quá thô. Nói chung, có thể coi sơ bộ rằng mật độ năng lượng chia cho độ rộng xung là mật độ công suất trung bình theo thời gian (lưu ý rằng đó là thời gian, không phải không gian). Tuy nhiên, rõ ràng là dạng sóng laser thực tế có thể không phải là hình chữ nhật, sóng vuông, hoặc thậm chí là hình chuông hoặc Gauss, và một số được xác định bởi các đặc tính của chính laser, có hình dạng hơn.

Độ rộng xung thường được đưa ra bởi độ rộng nửa chiều cao do máy hiện sóng cung cấp (độ rộng nửa đỉnh đầy đủ FWHM), khiến chúng ta tính toán giá trị mật độ công suất từ ​​mật độ năng lượng, vốn cao. Độ cao và chiều rộng nửa chiều cao và chiều rộng thích hợp hơn nên được tính theo tích phân, độ cao và chiều rộng nửa chiều cao. Không có cuộc điều tra chi tiết nào về việc liệu có tiêu chuẩn sắc thái liên quan nào để biết hay không. Đối với bản thân mật độ công suất, khi thực hiện các phép tính, thường có thể sử dụng một năng lượng xung đơn để tính toán, một năng lượng xung đơn/độ rộng xung/diện tích điểm, đó là công suất trung bình không gian, sau đó nhân với 2, đối với công suất đỉnh không gian (phân phối không gian là phân phối Gauss là một cách xử lý như vậy, top-hat không cần phải làm như vậy), sau đó nhân với một biểu thức phân phối xuyên tâm, và bạn đã hoàn thành.