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激光的功率密度与能量密度

大的题目不好写,先写一些小小的内容。激光的功率密度与能量密度,对于刚接触激光的人,可能一时半会摸不清是什么区别,以及用到什么地方,我这里来给大家抛砖引玉。激光的功率密度:功率,这个概念在九年义务教育中 ......

大的题目不好写,先写一些小小的。

激光的功率密度与能量密度,对于刚接触激光的人,可能一时半会摸不清是什么区别,以及用到什么地方,我这里来给大家抛砖引玉。

激光的功率密度:

功率,这个概念在九年义务教育中,最初的学习时间大概是在初中。功率代表单位时间内做工的量,国际标准单位为W(瓦)。单位时间输出的能量,做工的能量,能量的国际标准单位为J(焦耳),时间的国际标准单位是s(秒)。这里暂时不做其他延伸,我们说回来。

功率密度,有功率的概念,再加上密度的概念,对于光来说,通常认为其辐照在某个表面,那么,其密度与我们通常的材料密度,kg/m^3不同,它不是除以单位体积,而是除以单位面积也就是W/m^2,在激光领域,常用W/cm^2来表示激光的功率密度。表示单位时间内,激光辐照在单位面积靶材上的能量大小。这个值较为容易对长脉冲激光或连续激光做形容。

激光的能量密度:

激光的能量密度,通常忽略掉其时间因素,比如单个脉冲激光辐照靶材时的能量密度,单位为J/cm^2。对于脉宽相同的激光器来说,单个脉冲辐照出的能量密度,可以代表这个激光器的某种水平,也经常有一些能量计,测得的数值就是激光器输出脉冲的能量,除以激光器输出光斑面积,就是能量密度。

怎么用好这两个东西以及如何换算,emmm...有时间我再细说。

20190721


择日不如撞日。更新一波。

激光作用时,功率密度通常会决定是否达到破坏、或者烧蚀、或者其他作用材料的阈值。阈值是研究激光与物质相互作用时经常出现的概念。

而对于短脉冲(可认为us阶段)、超短脉冲(可认为ns阶段),乃至超快(ps与fs阶段)激光作用材料的研究中,前期的研究者,通常采用了能量密度这一概念。这一概念在相互作用的层面,表示作用到靶材单位面积内的能量,在某种同一级别激光器的情况下,这种讨论是具有较大的意义的。

是的,单脉冲注入的能量密度,也存在阈值的情况。这也使得激光与物质相互作用的研究,变得更加复杂。

但当今实验设备不断更迭,各种脉宽、单脉冲能量、重复频率等参数不断变化的情况下,甚至需要考虑激光实际输出在一个脉冲内能量的波动的情况下,采用能量密度来衡量,可能就过于粗糙了。

暂不拓展说明了。

然后说一下换算,其实换算这个东西,当把两者理解很清楚后,就会很简单。

一般可以粗略的认为,能量密度除以脉宽,得到的就是时间平均功率密度(注意是时间,不是空间)。但是很明显,实际激光的波形可未必是矩形、方波,甚至未必是钟形、高斯型,有的由激光器本身属性决定的,是较为异形的。

而脉宽,通常由示波器提供的半高宽(全峰半宽FWHM)来给出,这会导致我们从能量密度计算功率密度时候的值,偏高。更合适的半高宽,应该是由积分计算出来的,半高宽。目前还没有详细查询,与知晓,是否存在相关的细微的差别标准。

对于功率密度本身,搞计算的时候,通常可以采用单脉冲能量来计算,单脉冲能量/脉宽/光斑面积,这是空间平均功率,然后乘以2,作空间峰值功率(空间分布是Gauss分布的是这样的处理,top-hat不用这么处理),然后再乘以一个径向分布的表达式,就完成了。


时间上的计算,多数还是以作判断的形式来计算的。

20200928

遇到一些坑,回来康康。

不知道大家晓得贝塞尔光束不,脱离这个行当几年回来,发现这种光束用来加工透明介质的情况有很多,说白了,主要用在激光切割玻璃,而且应用成果相当不错。

但是,由于贝塞尔光束的特殊聚焦方式,

1、它只能加工相对透明的介质,、

2、它的功率密度,和能量密度,由于衡量的体系不同了,目前暂时(20210112)没看到具体的衡量方式。倒是看到一些表达式来计算原始高斯光束通过角锥镜等,聚焦成贝塞尔光束的有效长度与直径,暂时(20210112)没自己尝试计算过,也没找到其他人计算这个能量密度的量化单位,根据常识经验等,估计应该是个“体积值”,就是W/cm^3与J/cm^3之类的。暂时没看到相关的介绍,各位大佬若有看到,我想学习一下。

后续或许大概有时间会出一个专门的题目来聊一聊贝塞尔光束的,待我了解更深以后。

20210112

增加一些概念,在实际的激光应用中,激光作用材料实际上主要可根据吸收机制大体上分为三大类别,分别为金属、半导体和电介质。对于激光与材料相互作用的空间交互关系来讲,主要分为两大类:

1、光很难穿透材料,如激光对金属加工,根据朗伯比尔定律计算材料的吸收深度,对于金属来讲往往是处于nm量级的厚度的,如1064对金属铝,大约8-10nm,对铜,可能在超快情况下发生热电子侵彻导致吸收深度有一定的加深,暂时记不住参数就不量化说明了,但大体上,是可以根据光斑大小(40um-10mm范围)和吸收深度(10nm-100nm量级)的比例,可将其简化为面热源等,故可以以功率密度W/cm^2来应用。

2、对于半导体和电介质,如若表面光滑,激光穿入材料相互作用,有时候是可以做面热源等的降维度简化,但有时候是不可以的,这时候就还需要将体的功率密度W/cm^3这样类似的概念拿出来用的。

但变成体的作用,那样具体分析就比较棘手,相对难以量化。

20210831

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