ความหนาแน่นกำลังและความหนาแน่นพลังงานของเลเซอร์

ความหนาแน่นกำลังและความหนาแน่นพลังงานของเลเซอร์

ความหนาแน่นเป็นปริมาณทางกายภาพที่เราคุ้นเคยในชีวิตประจำวัน ความหนาแน่นที่เราสัมผัสมากที่สุดคือความหนาแน่นของวัสดุ สูตรคือ ρ=m/v นั่นคือ ความหนาแน่นเท่ากับมวลหารด้วยปริมาตร แต่ความหนาแน่นของกำลังและความหนาแน่นของพลังงานของเลเซอร์แตกต่างกัน ที่นี่หารด้วยพื้นที่แทนที่จะเป็นปริมาตร พลังงานยังเป็นสิ่งที่เราสัมผัสกับปริมาณทางกายภาพจำนวนมาก เนื่องจากเราใช้ไฟฟ้าทุกวัน ไฟฟ้าจะเกี่ยวข้องกับกำลัง หน่วยมาตรฐานสากลของกำลังคือ W นั่นคือ J/s คืออัตราส่วนของพลังงานและหน่วยเวลา หน่วยมาตรฐานสากลของพลังงานคือ J ดังนั้นความหนาแน่นของกำลังจึงเป็นแนวคิดของการรวมกำลังและความหนาแน่น แต่ที่นี่เป็นพื้นที่การฉายรังสีของจุดแทนที่จะเป็นปริมาตร กำลังหารด้วยพื้นที่จุดเอาต์พุตคือความหนาแน่นของกำลัง นั่นคือ หน่วยของความหนาแน่นของกำลังคือ W/m2 และในสนามเลเซอร์เนื่องจากพื้นที่จุดฉายแสงเลเซอร์มีขนาดค่อนข้างเล็ก จึงมักใช้ W/cm2 เป็นหน่วยหนึ่ง ความหนาแน่นของพลังงานจะถูกนำออกจากแนวคิดของเวลา โดยรวมพลังงานและความหนาแน่นเข้าด้วยกัน และหน่วยจะเป็น J/cm2 โดยปกติ เลเซอร์ต่อเนื่องจะอธิบายโดยใช้ความหนาแน่นของกำลัง ในขณะที่เลเซอร์แบบพัลส์ได้รับการอธิบายโดยใช้ทั้งความหนาแน่นของกำลังและความหนาแน่นของพลังงาน

เมื่อเลเซอร์ทำงาน ความหนาแน่นของพลังงานมักจะกำหนดว่าเกณฑ์สำหรับการทำลาย การขจัด หรือวัสดุที่ทำหน้าที่อื่น ๆ จะถึงหรือไม่ เกณฑ์เป็นแนวคิดที่มักปรากฏขึ้นเมื่อศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างเลเซอร์กับสสาร สำหรับการศึกษาวัสดุที่มีปฏิกิริยากับเลเซอร์แบบพัลส์สั้น (ซึ่งอาจถือเป็นระยะ us) พัลส์สั้นพิเศษ (ซึ่งอาจถือเป็นระยะ ns) และแม้แต่วัสดุที่มีปฏิกิริยากับเลเซอร์แบบเร็วพิเศษ (ระยะ ps และ fs) นักวิจัยในยุคแรกมักจะใช้แนวคิดเรื่องความหนาแน่นของพลังงาน แนวคิดนี้ในระดับของปฏิสัมพันธ์แสดงถึงพลังงานที่กระทำกับเป้าหมายต่อหน่วยพื้นที่ ในกรณีของเลเซอร์ในระดับเดียวกัน การอภิปรายนี้มีความสำคัญมากขึ้น

นอกจากนี้ยังมีเกณฑ์สำหรับความหนาแน่นของพลังงานของการฉีดพัลส์เดี่ยว ซึ่งทำให้การศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างเลเซอร์กับสสารมีความซับซ้อนมากขึ้น อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ทดลองในปัจจุบันมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา ความกว้างของพัลส์ที่หลากหลาย พลังงานพัลส์เดี่ยว ความถี่ในการทำซ้ำ และพารามิเตอร์อื่นๆ เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา และแม้แต่ต้องพิจารณาเอาต์พุตจริงของเลเซอร์ในความผันผวนของพลังงานพัลส์ในกรณีของความหนาแน่นของพลังงานที่จะวัด อาจหยาบเกินไป โดยทั่วไป อาจพิจารณาคร่าวๆ ได้ว่าความหนาแน่นของพลังงานหารด้วยความกว้างของพัลส์คือความหนาแน่นของกำลังเฉลี่ยของเวลา (โปรดทราบว่าเป็นเวลา ไม่ใช่พื้นที่) อย่างไรก็ตาม เห็นได้ชัดว่ารูปคลื่นเลเซอร์จริงอาจไม่ใช่รูปสี่เหลี่ยมจัตุรัส หรือแม้แต่รูประฆังหรือรูปเกาส์เซียน และบางส่วนถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของเลเซอร์เอง ซึ่งมีรูปร่างมากกว่า

โดยทั่วไปความกว้างของพัลส์จะกำหนดโดยความกว้างครึ่งหนึ่งของความสูงที่ออสซิลโลสโคปให้มา (ความกว้างครึ่งหนึ่งของจุดสูงสุดเต็มช่วง FWHM) ซึ่งทำให้เราต้องคำนวณค่าความหนาแน่นของกำลังจากความหนาแน่นของพลังงานซึ่งมีค่าสูง ความสูงครึ่งหนึ่งและความกว้างที่เหมาะสมกว่าควรคำนวณโดยใช้อินทิกรัล ความสูงครึ่งหนึ่ง และความกว้าง ไม่มีการสอบถามโดยละเอียดว่ามีมาตรฐานความแตกต่างที่เกี่ยวข้องสำหรับการทราบหรือไม่ สำหรับความหนาแน่นของกำลังนั้น เมื่อทำการคำนวณ มักจะใช้พลังงานพัลส์เดียวในการคำนวณ พลังงานพัลส์เดียว/ความกว้างของพัลส์/พื้นที่จุด ซึ่งเป็นกำลังเฉลี่ยเชิงพื้นที่ จากนั้นคูณด้วย 2 สำหรับกำลังพีคเชิงพื้นที่ (การกระจายเชิงพื้นที่คือการกระจายแบบเกาส์เป็นการบำบัดดังกล่าว ท็อปแฮตไม่จำเป็นต้องทำเช่นนั้น) จากนั้นคูณด้วยนิพจน์การกระจายแบบรัศมี และเสร็จเรียบร้อย