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激光功率密度与能量密度

更新时间:2023-03-30  |  点击率:1356

激光功率密度与能量密度

在处理激光光学时,功率和能量密度是需要理解的两个重要概念。这两个术语经常互换使用,但含义不同。表1定义了功率密度、能量密度和与激光光学器件相关的其他相关术语。


公制定义单位
功率单位时间内光的能量,如激光束发出的能量。W or J/s
能量储存在电磁辐射中的潜在能量,通过对功率与时间的积分得到。J
功率密度单位面积的功率,也称为辐照度。W/cm2
能量密度单位面积的能量,也称为通量。J/cm2
线性功率密度描述连续波(CW)激光的激光诱导损伤阈值(LIDT)的平顶光束功率的线性分布,通过总功率除以1/e光束直径。线性功率密度仅适用于平顶光束,对于高斯光束必须进行调整。W/cm2
峰值辐照度在激光脉冲持续时间内达到的最大辐照度或光功率密度。W/cm2
脉冲能量在激光脉冲的持续时间内达到的最大光能。J
体积功率密度三维体积上的功率,考虑了材料加工等应用中激光穿透样品的深度。W/cm3
体积能量密度三维体积上的能量,它考虑了在材料加工等应用中激光穿透样品的深度。J/cm3


表1:用于描述激光束和其他电磁辐射的常用指标的定义。

在大多数科学学科中,包括化学和电工程,“功率密度"和“能量密度"通常描述三维体积。然而,在光学科学中,这些术语通常用于描述二维区域,描述为“体积"。在光学行业功率密度、能量密度、通量和辐照度经常互换使用,这可能是wan全不准确的,特别是在不清楚指标是二维还是三维值的情况下。这对于激光切割和焊接应用尤其重要,因为必须考虑激光穿透的深度,而不是简单地接触表面。体积值通常更适用于这些情况,这是一个重要的区别,必须理解以避免误解

大多数激光束具有高斯光束轮廓,因此辐照度和能量密度在激光的光轴上都是最高的,并且随着偏离光轴的增加而降低。其他激光器具有平顶光束轮廓,与高斯光束不同,其在激光束的横截面上具有恒定的辐照度轮廓,并且强度快速下降。因此,平顶激光器有峰值辐照度。在平均功率相同的情况下,高斯光束的峰值功率是平顶光束的2倍(图1)。

图1:高斯光束轮廓与具有相同平均功率的平顶光束的比较,显示高斯光束的峰值功率比平顶光束的峰值功率大两倍。

激光束中的亮斑或辐照度的局部波动通常会扭曲其高斯分布。除非亮斑功率超过光轴上的功率,否则亮斑不会影响峰值辐照度,但亮斑扭曲所有各种功率和能量密度指标。功率密度和能量密度都是体积量,因此由激光产生的切割可能不精确,并且可能偏离中心。在微加工应用中,用户将无法通过简单地测量辐照度或注量来辨别问题。相反,需要仔细监测光束轮廓。如图2所示,高斯分布类似于钟形曲线,峰值辐照度位于中心,辐照度在两侧均匀下降。引入亮斑将使此分布出现偏差。

图2:描述了高斯光束和平顶光束上强度分布倾斜的亮斑

连续波(CW)激光器需要正确的术语来准确描述其性能。根据定义,它们没有脉冲,因此不能应用峰值辐照度。线性密度是用于具有均匀光束强度的CW激光器的适当术语,并且通常用于通过将平均功率除以光束直径来确定LIDT对于准连续激光,即重复频率高于50kHz的超快脉冲激光,其峰值辐照度可以显著高于平均功率相当的普通脉冲激光。这是由于等效平均功率被压缩成令人难以置信的短脉冲持续时间。准连续激光的峰值辐照度远高于连续激光的辐照度,即使它们具有相同的注量。



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