Laserin tehotiheys ja energiatiheys

Laserin tehotiheys ja energiatiheys

Tiheys on fysikaalinen suure, jonka tunnemme hyvin jokapäiväisessä elämässämme. Tiheys, johon eniten kosketuksissamme on materiaalin tiheys, kaava on ρ = m/v, eli tiheys on yhtä suuri kuin massa jaettuna tilavuudella. Mutta laserin tehotiheys ja energiatiheys ovat erilaisia, tässä ne jaetaan pinta-alalla eikä tilavuudella. Teho on myös kosketuksemme monien fysikaalisten suureiden kanssa, koska käytämme sähköä joka päivä. Sähkö sisältää tehoa. Tehon kansainvälinen standardiyksikkö on W, eli J/s, joka on energian ja ajan suhde. Energian kansainvälinen standardiyksikkö on J. Joten tehotiheys on tehon ja tiheyden yhdistämisen käsite, mutta tässä on pisteen säteilyalue eikä tilavuus. Teho jaettuna lähtöpisteen pinta-alalla on tehotiheys. Tehotiheyden yksikkö on W/m2.laserkenttä, koska lasersäteilyn pistepinta-ala on melko pieni, joten yksikkönä käytetään yleensä W/cm2. Energiatiheys poistetaan ajan käsitteestä yhdistämällä energia ja tiheys, ja yksikkö on J/cm2. Normaalisti jatkuvia lasereita kuvataan tehotiheydellä, kun taaspulssilaseritkuvataan käyttämällä sekä tehotiheyttä että energiatiheyttä.

Kun laser toimii, tehotiheys yleensä määrää, saavutetaanko tuhoamis-, ablatointi- tai muiden vaikuttavien materiaalien kynnys. Kynnys on käsite, joka usein esiintyy tutkittaessa lasereiden vuorovaikutusta aineen kanssa. Lyhyiden pulssien (joita voidaan pitää us-vaiheena), erittäin lyhyiden pulssien (joita voidaan pitää ns-vaiheena) ja jopa erittäin nopeiden (ps- ja fs-vaihe) laservuorovaikutusmateriaalien tutkimuksessa varhaiset tutkijat yleensä käyttävät energiatiheyden käsitettä. Tämä käsite edustaa vuorovaikutuksen tasolla kohteeseen vaikuttavaa energiaa pinta-alayksikköä kohti. Saman tason laserin tapauksessa tällä keskustelulla on suurempi merkitys.

Myös yksittäisen pulssin injektion energiatiheydelle on kynnysarvo. Tämä tekee laserin ja aineen vuorovaikutuksen tutkimisesta monimutkaisempaa. Nykypäivän kokeelliset laitteet kuitenkin muuttuvat jatkuvasti, ja pulssinleveydet, yksittäisen pulssin energiat, toistotaajuudet ja muut parametrit muuttuvat jatkuvasti, ja jopa laserin todellisen tehon huomioon ottaminen pulssin energian vaihteluiden tapauksessa energiatiheyden mittaamiseksi voi olla liian karkeaa. Yleisesti ottaen voidaan karkeasti olettaa, että energiatiheys jaettuna pulssinleveydellä on ajan keskimääräinen tehotiheys (huomaa, että se on aikaa, ei tilaa). On kuitenkin selvää, että todellinen laserin aaltomuoto ei välttämättä ole suorakulmainen, neliöaalto tai edes kelloaalto tai Gaussin aaltomuoto, ja jotkut määräytyvät laserin itsensä ominaisuuksien mukaan, jotka ovat muodokkaampia.

Pulssinleveys annetaan yleensä oskilloskoopin antamana puolikorkeusleveytenä (täyden huipun puolileveys FWHM), minkä vuoksi laskemme tehotiheyden arvon energiatiheydestä, joka on korkea. Sopivampi puolikorkeus ja puolileveys tulisi laskea integraalin, puolikorkeuden ja puolileveyden avulla. Ei ole tehty yksityiskohtaista tutkimusta siitä, onko olemassa asiaankuuluvaa vivahteikas standardia sen tietämiseksi. Itse tehotiheyden laskennassa on yleensä mahdollista käyttää yksittäistä pulssienergiaa laskemiseen, yksittäisen pulssin energian/pulssinleveyden/pisteen pinta-alan, joka on spatiaalinen keskiteho, ja kertoa sitten kahdella spatiaalisen huipputehon saamiseksi (spatiaalinen jakauma on Gaussin jakauma, top-hat ei tarvitse tehdä niin), ja sitten kertoa säteittäisjakauman lausekkeella. Ja olet valmis.