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激光功率密度與能量密度

更新時間:2023-03-30  |  點(diǎn)擊率:3405

激光功率密度與能量密度

在處理激光光學(xué)時,功率和能量密度是需要理解的兩個重要概念。這兩個術(shù)語經(jīng)?;Q使用,但含義不同。表1定義了功率密度、能量密度和與激光光學(xué)器件相關(guān)的其他相關(guān)術(shù)語。


公制定義單位
功率單位時間內(nèi)光的能量,如激光束發(fā)出的能量。W or J/s
能量儲存在電磁輻射中的潛在能量,通過對功率與時間的積分得到。J
功率密度單位面積的功率,也稱為輻照度。W/cm2
能量密度單位面積的能量,也稱為通量。J/cm2
線性功率密度描述連續(xù)波(CW)激光的激光誘導(dǎo)損傷閾值(LIDT)的平頂光束功率的線性分布,通過總功率除以1/e光束直徑。線性功率密度僅適用于平頂光束,對于高斯光束必須進(jìn)行調(diào)整。W/cm2
峰值輻照度在激光脈沖持續(xù)時間內(nèi)達(dá)到的最大輻照度或光功率密度。W/cm2
脈沖能量在激光脈沖的持續(xù)時間內(nèi)達(dá)到的最大光能。J
體積功率密度三維體積上的功率,考慮了材料加工等應(yīng)用中激光穿透樣品的深度。W/cm3
體積能量密度三維體積上的能量,它考慮了在材料加工等應(yīng)用中激光穿透樣品的深度。J/cm3


表1:用于描述激光束和其他電磁輻射的常用指標(biāo)的定義。

在大多數(shù)科學(xué)學(xué)科中,包括化學(xué)和電工程,“功率密度"和“能量密度"通常描述三維體積。然而,在光學(xué)科學(xué)中,這些術(shù)語通常用于描述二維區(qū)域,描述為“體積"。在光學(xué)行業(yè),功率密度、能量密度、通量和輻照度經(jīng)常互換使用,這可能是wan全不準(zhǔn)確的,特別是在不清楚指標(biāo)是二維還是三維值的情況下。這對于激光切割和焊接應(yīng)用尤其重要,因?yàn)楸仨毧紤]激光穿透的深度,而不是簡單地接觸表面。體積值通常更適用于這些情況,這是一個重要的區(qū)別,必須理解以避免誤解。

大多數(shù)激光束具有高斯光束輪廓,因此輻照度和能量密度在激光的光軸上都是最高的,并且隨著偏離光軸的增加而降低。其他激光器具有平頂光束輪廓,與高斯光束不同,其在激光束的橫截面上具有恒定的輻照度輪廓,并且強(qiáng)度快速下降。因此,平頂激光器有峰值輻照度。在平均功率相同的情況下,高斯光束的峰值功率是平頂光束的2倍(圖1)。

圖1:高斯光束輪廓與具有相同平均功率的平頂光束的比較,顯示高斯光束的峰值功率比平頂光束的峰值功率大兩倍。

激光束中的亮斑或輻照度的局部波動通常會扭曲其高斯分布。除非亮斑功率超過光軸上的功率,否則亮斑不會影響峰值輻照度,但亮斑扭曲所有各種功率和能量密度指標(biāo)。功率密度和能量密度都是體積量,因此由激光產(chǎn)生的切割可能不精確,并且可能偏離中心。在微加工應(yīng)用中,用戶將無法通過簡單地測量輻照度或注量來辨別問題。相反,需要仔細(xì)監(jiān)測光束輪廓。如圖2所示,高斯分布類似于鐘形曲線,峰值輻照度位于中心,輻照度在兩側(cè)均勻下降。引入亮斑將使此分布出現(xiàn)偏差。

圖2:描述了高斯光束和平頂光束上強(qiáng)度分布傾斜的亮斑

連續(xù)波(CW)激光器需要正確的術(shù)語來準(zhǔn)確描述其性能。根據(jù)定義,它們沒有脈沖,因此不能應(yīng)用峰值輻照度。線性密度是用于具有均勻光束強(qiáng)度的CW激光器的適當(dāng)術(shù)語,并且通常用于通過將平均功率除以光束直徑來確定LIDT對于準(zhǔn)連續(xù)激光,即重復(fù)頻率高于50kHz的超快脈沖激光,其峰值輻照度可以顯著高于平均功率相當(dāng)?shù)钠胀}沖激光。這是由于等效平均功率被壓縮成令人難以置信的短脈沖持續(xù)時間。準(zhǔn)連續(xù)激光的峰值輻照度遠(yuǎn)高于連續(xù)激光的輻照度,即使它們具有相同的注量。



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