ความหนาแน่นกำลังและความหนาแน่นพลังงานของเลเซอร์

ความหนาแน่นกำลังและความหนาแน่นพลังงานของเลเซอร์

ความหนาแน่นเป็นปริมาณทางกายภาพที่เราคุ้นเคยกันดีในชีวิตประจำวัน ความหนาแน่นที่เราพบเห็นบ่อยที่สุดคือความหนาแน่นของวัสดุ สูตรคือ ρ=m/v นั่นคือ ความหนาแน่นเท่ากับมวลหารด้วยปริมาตร แต่ความหนาแน่นของกำลังและความหนาแน่นของพลังงานเลเซอร์นั้นแตกต่างกัน โดยในที่นี้จะหารด้วยพื้นที่แทนที่จะเป็นปริมาตร กำลังก็เป็นปริมาณทางกายภาพที่เราคุ้นเคยเช่นกัน เพราะเราใช้ไฟฟ้าทุกวัน ไฟฟ้าจึงเกี่ยวข้องกับกำลัง หน่วยมาตรฐานสากลของกำลังคือ W นั่นคือ J/s คืออัตราส่วนของพลังงานต่อหน่วยเวลา หน่วยมาตรฐานสากลของพลังงานคือ J ดังนั้นความหนาแน่นของกำลังจึงเป็นแนวคิดของการรวมกำลังและความหนาแน่นเข้าด้วยกัน แต่ในที่นี้จะวัดจากพื้นที่การฉายรังสีของจุดแทนที่จะเป็นปริมาตร กำลังหารด้วยพื้นที่ของจุดที่ปล่อยออกมาคือความหนาแน่นของกำลัง นั่นคือ หน่วยของความหนาแน่นของกำลังคือ W/m² และในสนามเลเซอร์เนื่องจากพื้นที่จุดฉายแสงเลเซอร์ค่อนข้างเล็ก ดังนั้นโดยทั่วไปจึงใช้หน่วยเป็น W/cm² ความหนาแน่นของพลังงานนั้นแยกออกจากแนวคิดเรื่องเวลา โดยรวมพลังงานและความหนาแน่นเข้าด้วยกัน และมีหน่วยเป็น J/cm² โดยปกติแล้ว เลเซอร์แบบต่อเนื่องจะถูกอธิบายโดยใช้ความหนาแน่นของกำลัง ในขณะที่เลเซอร์แบบพัลส์อธิบายโดยใช้ทั้งความหนาแน่นของกำลังและความหนาแน่นของพลังงาน

เมื่อเลเซอร์ทำงาน ความหนาแน่นของพลังงานมักจะเป็นตัวกำหนดว่าถึงระดับเกณฑ์สำหรับการทำลาย การระเหย หรือการกระทำอื่นๆ ต่อวัสดุหรือไม่ เกณฑ์เป็นแนวคิดที่มักปรากฏขึ้นเมื่อศึกษาปฏิสัมพันธ์ของเลเซอร์กับสสาร สำหรับการศึกษาปฏิสัมพันธ์ของเลเซอร์พัลส์สั้น (ซึ่งสามารถพิจารณาได้ว่าเป็นระดับไมโครวินาที) พัลส์สั้นมาก (ซึ่งสามารถพิจารณาได้ว่าเป็นระดับนาโนวินาที) และแม้แต่เลเซอร์เร็วมาก (ระดับพิโควินาทีและเฟมโตวินาที) นักวิจัยในยุคแรกๆ มักใช้แนวคิดของความหนาแน่นของพลังงาน แนวคิดนี้ ในระดับปฏิสัมพันธ์ แสดงถึงพลังงานที่กระทำต่อเป้าหมายต่อหน่วยพื้นที่ ในกรณีของเลเซอร์ในระดับเดียวกัน การอภิปรายนี้มีความสำคัญมากขึ้น

นอกจากนี้ยังมีค่าเกณฑ์สำหรับความหนาแน่นของพลังงานในการฉีดพัลส์เดี่ยว ซึ่งทำให้การศึกษาปฏิสัมพันธ์ระหว่างเลเซอร์กับสสารมีความซับซ้อนมากขึ้น อย่างไรก็ตาม อุปกรณ์ทดลองในปัจจุบันมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา ความกว้างของพัลส์ พลังงานพัลส์เดี่ยว ความถี่ในการทำซ้ำ และพารามิเตอร์อื่นๆ ก็เปลี่ยนแปลงอยู่ตลอดเวลา และแม้กระทั่งจำเป็นต้องพิจารณาเอาต์พุตจริงของเลเซอร์ในการผันผวนของพลังงานพัลส์ในกรณีของการวัดความหนาแน่นของพลังงาน ซึ่งอาจไม่แม่นยำนัก โดยทั่วไปแล้ว สามารถพิจารณาได้คร่าวๆ ว่าความหนาแน่นของพลังงานหารด้วยความกว้างของพัลส์คือความหนาแน่นของกำลังเฉลี่ยตามเวลา (โปรดทราบว่าเป็นเวลา ไม่ใช่พื้นที่) อย่างไรก็ตาม เป็นที่ชัดเจนว่ารูปคลื่นเลเซอร์จริงอาจไม่ใช่รูปสี่เหลี่ยมผืนผ้า รูปคลื่นสี่เหลี่ยมจัตุรัส หรือแม้แต่รูประฆังหรือรูปเกาส์เซียน และบางส่วนถูกกำหนดโดยคุณสมบัติของเลเซอร์เอง ซึ่งมีรูปร่างมากกว่า

ความกว้างของพัลส์มักจะกำหนดโดยความกว้างครึ่งความสูงที่แสดงโดยออสซิลโลสโคป (ความกว้างครึ่งยอดเต็ม FWHM) ซึ่งทำให้เราต้องคำนวณค่าความหนาแน่นของกำลังจากความหนาแน่นของพลังงาน ซึ่งมีค่าสูง ควรคำนวณความสูงครึ่งและความกว้างครึ่งที่เหมาะสมกว่าโดยใช้การอินทิเกรตความสูงครึ่งและความกว้างครึ่ง ยังไม่มีการสอบถามอย่างละเอียดว่ามีมาตรฐานความแตกต่างที่เกี่ยวข้องสำหรับการทราบหรือไม่ สำหรับความหนาแน่นของกำลังเอง เมื่อทำการคำนวณ โดยปกติแล้วสามารถใช้พลังงานพัลส์เดี่ยวในการคำนวณได้ พลังงานพัลส์เดี่ยว/ความกว้างพัลส์/พื้นที่จุด ซึ่งเป็นกำลังเฉลี่ยเชิงพื้นที่ จากนั้นคูณด้วย 2 เพื่อหาค่ากำลังสูงสุดเชิงพื้นที่ (การกระจายเชิงพื้นที่เป็นการกระจายแบบเกาส์ ไม่จำเป็นต้องทำเช่นนั้น) จากนั้นคูณด้วยนิพจน์การกระจายแบบรัศมี และก็เสร็จสิ้น