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 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 laser thì khác, ở đây là chia cho diện tích chứ không phải thể tích. Công suất cũng là một đại lượng vật lý mà chúng ta tiếp xúc nhiều, vì chúng ta sử dụng điện mỗi ngày, điện sẽ liên quan đến công suất, đơn vị chuẩn quốc tế của công suất là W, tức là J/s, là tỷ lệ 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 giữa 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 phát ra là mật độ công suất, tức là đơn vị của mật độ công suất là W/m2, và trongtrường laserVì diện tích điểm chiếu tia laser khá nhỏ, nên đơn vị thường được sử dụng là W/cm2. Mật độ năng lượng được tách ra khỏi khái niệm thời gian, kết hợp năng lượng và mật độ, và đơn vị là J/cm2. Thông thường, các laser hoạt động liên tục được mô tả bằng mật độ công suất, trong khilaser xungChúng được mô tả bằng cả mật độ công suất và mật độ năng lượng.

Khi tia laser hoạt động, mật độ công suất thường quyết định xem ngưỡng phá hủy, làm bay hơi hoặc tác động lên các vật liệu 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 tương tác laser xung ngắn (có thể coi là ở mức micro giây), xung cực ngắn (có thể coi là ở mức nano giây) và thậm chí cả laser cực nhanh (mức picosecond và femtosecond), các nhà nghiên cứu ban đầu thường sử 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 cùng cấp độ, vấn đề này càng có ý nghĩa quan trọng hơn.

Ngoài ra còn có ngưỡng về mật độ năng lượng của xung đơn. Điều này cũng làm cho việc nghiên cứu tương tác laser-vật chất trở nên phức tạp hơn. Tuy nhiên, thiết bị thí nghiệm hiện nay liên tục thay đổi, nhiều thông số như độ rộng xung, năng lượng xung đơn, tần số lặp lại và các thông số khác cũng liên tục thay đổi, thậm chí cần phải xem xét cả sự dao động năng lượng thực tế của laser trong một xung khi đo mật độ năng lượng, điều này có thể quá sơ sài. Nói chung, có thể coi gần đúng 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, hình vuông, hoặc thậm chí là hình chuông hay hình Gauss, và một số dạng sóng được xác định bởi chính đặc tính của laser, nên hình dạng của nó phức tạp hơn.

Độ rộng xung thường được xác định bằng độ rộng nửa đỉnh do máy hiện sóng cung cấp (độ rộng nửa đỉnh toàn phần FWHM), điều này khiến chúng ta phải tính giá trị mật độ công suất từ ​​mật độ năng lượng, vốn rất cao. Chiều cao và độ rộng nửa đỉnh thích hợp hơn nên được tính bằng tích phân, chiều cao và độ rộng nửa đỉnh. Hiện chưa có nghiên cứu chi tiết nào về việc liệu có tiêu chuẩn tinh tế nào liên quan để biết điều này hay không. Đối với bản thân mật độ công suất, khi thực hiện các phép tính, thông thường có thể sử dụng năng lượng xung đơn để tính toán, lấy năng lượng xung đơn/độ rộng xung/diện tích điểm, đó là công suất trung bình không gian, sau đó nhân với 2 để có công suất đỉnh không gian (phân bố không gian là phân bố Gauss, không cần làm như vậy), rồi nhân với biểu thức phân bố xuyên tâm, và thế là xong.