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, nghĩa là mật độ bằng khối lượng chia cho thể tích. Nhưng mật độ công suất và mật độ năng lượng của tia laser lại khác, ở đây chia cho diện tích chứ không phải thể tích. Công suất cũng là điểm tiếp xúc của chúng ta với rất nhiều đại lượng vật lý, vì chúng ta sử dụng điện hàng ngày, 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 thường sử dụng đơn vị W/cm². 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 tác động, mật độ công suất thường quyết định liệu ngưỡng phá hủy, cắt bỏ, hoặc các vật liệu tác động khác có đạt được hay không. Ngưỡng là một khái niệm thường xuất hiện khi nghiên cứu tương tác của laser với vật chất. Khi nghiên cứu các 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 siêu 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 cùng cấp, việc thảo luận này có ý nghĩa quan trọng hơn.

Ngoài ra còn có một ngưỡng cho 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, các thiết bị thí nghiệm ngày nay liên tục thay đổi, độ rộng xung, năng lượng xung đơn, tần số lặp lại và các thông số khác cũng liên tục thay đổi, và ngay cả khi cần phải xem xét đầu ra thực tế của laser trong một xung, thì việc đo lường mật độ năng lượng có thể quá thô. Nhìn chung, có thể coi mật độ năng lượng chia cho độ rộng xung là mật độ công suất trung bình theo thời gian (lưu ý rằng đây là thời gian, không phải không gian). Tuy nhiên, rõ ràng là dạng sóng laser thực tế có thể không phải là sóng hình chữ nhật, sóng vuông, thậm chí là hình chuông hoặc Gauss, mà một số được xác định bởi các đặc tính của chính laser, vốn có hình dạng phức tạp hơn.

Độ rộng xung thường được đưa ra bởi độ rộng nửa chiều cao do máy hiện sóng cung cấp (FWHM nửa chiều rộng đỉnh đầy đủ), khiến chúng ta tính toán giá trị mật độ công suất từ ​​mật độ năng lượng, cao. Chiều cao và chiều rộng nửa phù hợp hơn nên được tính bằng tích phân, chiều cao và chiều rộng nửa. Không có cuộc điều tra chi tiết nào về việc liệu có một tiêu chuẩn sắc thái liên quan để biết hay không. Đối với bản thân mật độ công suất, khi thực hiện các phép tính, thường có thể sử dụng năng lượng xung đơn để tính toán, năng lượng xung đơn/độ rộng xung/diện tích điểm, 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 biểu thức phân phối xuyên tâm, và bạn đã hoàn thành.