ความหนาแน่นกำลังและความหนาแน่นพลังงานของเลเซอร์

ความหนาแน่นกำลังและความหนาแน่นพลังงานของเลเซอร์

ความหนาแน่นเป็นปริมาณทางกายภาพที่เราคุ้นเคยกันดีในชีวิตประจำวัน ความหนาแน่นที่เราสัมผัสมากที่สุดคือความหนาแน่นของวัสดุ สูตรคือ ρ = m/v นั่นคือ ความหนาแน่นเท่ากับมวลหารด้วยปริมาตร แต่ความหนาแน่นกำลังและความหนาแน่นพลังงานของเลเซอร์ต่างกัน โดยในที่นี้เราหารด้วยพื้นที่แทนที่จะเป็นปริมาตร กำลังยังสัมพันธ์กับปริมาณทางกายภาพอีกมากมาย เนื่องจากเราใช้ไฟฟ้าทุกวัน ไฟฟ้าจึงเกี่ยวข้องกับกำลัง หน่วยมาตรฐานสากลของกำลังคือ W หรือ J/s ซึ่งเป็นอัตราส่วนระหว่างพลังงานกับหน่วยเวลา หน่วยมาตรฐานสากลของพลังงานคือ J ดังนั้น ความหนาแน่นกำลังจึงเป็นแนวคิดของการรวมกำลังและความหนาแน่น แต่ในที่นี้เราใช้พื้นที่ฉายรังสีของจุดมากกว่าปริมาตร กำลังหารด้วยพื้นที่จุดเอาต์พุตคือความหนาแน่นกำลัง นั่นคือหน่วยของความหนาแน่นกำลังคือ W/m2 และในสนามเลเซอร์เนื่องจากพื้นที่จุดฉายแสงเลเซอร์มีขนาดค่อนข้างเล็ก จึงมักใช้หน่วยเป็น W/cm2 ความหนาแน่นของพลังงานจะถูกตัดออกจากแนวคิดเรื่องเวลา โดยนำพลังงานและความหนาแน่นมารวมกัน และมีหน่วยเป็น J/cm2 โดยปกติแล้ว เลเซอร์แบบต่อเนื่องจะอธิบายโดยใช้ความหนาแน่นกำลัง ในขณะที่เลเซอร์แบบพัลส์ได้รับการอธิบายโดยใช้ทั้งความหนาแน่นของกำลังและความหนาแน่นของพลังงาน

เมื่อเลเซอร์ทำงาน ความหนาแน่นของพลังงานมักจะเป็นตัวกำหนดว่าเกณฑ์สำหรับการทำลาย การลอก หรือวัสดุอื่นๆ ที่กระทำจะถึงเกณฑ์หรือไม่ เกณฑ์เป็นแนวคิดที่มักปรากฏขึ้นเมื่อศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างเลเซอร์กับสสาร สำหรับการศึกษาวัสดุที่มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างเลเซอร์กับสสาร พัลส์สั้น (ซึ่งถือเป็นระยะ us) พัลส์สั้นมาก (ซึ่งถือเป็นระยะ ns) และแม้แต่วัสดุที่มีปฏิสัมพันธ์ระหว่างเลเซอร์ที่เร็วเป็นพิเศษ (ระยะ ps และ fs) นักวิจัยยุคแรกๆ มักจะใช้แนวคิดเรื่องความหนาแน่นของพลังงาน แนวคิดนี้ในระดับปฏิสัมพันธ์ แสดงถึงพลังงานที่กระทำต่อเป้าหมายต่อหน่วยพื้นที่ ในกรณีของเลเซอร์ในระดับเดียวกัน การอภิปรายนี้จะมีความสำคัญมากขึ้น

นอกจากนี้ยังมีเกณฑ์สำหรับความหนาแน่นพลังงานของการฉีดพัลส์เดี่ยว ซึ่งทำให้การศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างเลเซอร์กับสสารมีความซับซ้อนมากขึ้น อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ทดลองในปัจจุบันมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา ความกว้างของพัลส์ พลังงานพัลส์เดี่ยว ความถี่ในการทำซ้ำ และพารามิเตอร์อื่นๆ มีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา แม้กระทั่งต้องพิจารณาถึงเอาต์พุตจริงของเลเซอร์ในความผันผวนของพลังงานพัลส์ ซึ่งในกรณีของความหนาแน่นของพลังงานที่ต้องการวัด อาจมีความคลาดเคลื่อนมากเกินไป โดยทั่วไปแล้ว ความหนาแน่นพลังงานหารด้วยความกว้างของพัลส์คือความหนาแน่นกำลังเฉลี่ยของเวลา (โปรดทราบว่าเป็นเวลา ไม่ใช่พื้นที่) อย่างไรก็ตาม เห็นได้ชัดว่ารูปคลื่นเลเซอร์จริงอาจไม่ใช่รูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า รูปคลื่นสี่เหลี่ยม หรือแม้แต่รูปคลื่นระฆังหรือรูปคลื่นเกาส์เซียน และบางรูปคลื่นถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของตัวเลเซอร์เอง ซึ่งมีรูปร่างมากกว่า

โดยทั่วไปแล้ว ความกว้างของพัลส์จะคำนวณจากความกว้างครึ่งหนึ่งของความสูงที่ออสซิลโลสโคปกำหนด (full peak half-width FWHM) ซึ่งทำให้เราต้องคำนวณค่าความหนาแน่นของพลังงานจากความหนาแน่นของพลังงานที่มีค่าสูง ความสูงครึ่งหนึ่งและความกว้างที่เหมาะสมกว่าควรคำนวณโดยใช้อินทิกรัล ความสูงครึ่งหนึ่ง และความกว้าง ยังไม่มีการสอบถามอย่างละเอียดว่ามีมาตรฐานความแตกต่างที่เกี่ยวข้องสำหรับการทราบหรือไม่ สำหรับความหนาแน่นของพลังงานนั้น เมื่อทำการคำนวณ มักจะใช้พลังงานพัลส์เดี่ยวในการคำนวณ พลังงานพัลส์เดี่ยว/ความกว้างพัลส์/พื้นที่จุด ซึ่งเป็นกำลังเฉลี่ยเชิงพื้นที่ แล้วคูณด้วย 2 สำหรับกำลังพีคเชิงพื้นที่ (การกระจายเชิงพื้นที่เป็นแบบเกาส์ การกระจายแบบท็อปแฮตไม่จำเป็นต้องทำเช่นนี้) แล้วคูณด้วยนิพจน์การกระจายเชิงรัศมี เท่านี้ก็เสร็จเรียบร้อย