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一分钟了解激光功率密度与能量密度

时间:2023-01-11 17:19:07 作者:博纳德 点击:

  处理激光光学器件时,功率和能量密度是需要理解的两个重要概念。这两个术语经常互换使用,但具有不同的含义。下面为大家介绍激光光学相关的功率密度、能量密度和其它相关术语。

名称含义单位
Power每单位时间的光能,例如激光束传递的能量。W or J/s
Energy存储在电磁辐射中的势能,通过对时间积分功率得到。J
Power Density单位面积的功率,也称为辐照度。W/cm2
Energy Density单位面积的能量,也称为注量。J/cm2
Linear Power Density平顶光束功率的线性分布描述了连续波 (CW) 激光器的激光诱导损伤阈值 (LIDT),总功率除以 1/e 2光束直径。线性功率密度仅适用于平顶光束,必须针对高斯光束进行调整。W/cm2
Peak Irradiance在激光脉冲持续时间内达到的最大辐照度或光功率密度。5个W/cm2
Pulse Energy在激光脉冲持续时间内达到的最大光能。J
Volumetric Power Density三维体积的功率,它考虑了材料加工等应用中激光穿透样品的深度。W/cm3
Volumetric Energy Density三维体积上的能量,它考虑了材料加工等应用中激光穿透样品的深度。J/cm3

  在大多数科学学科中,包括化学和电气工程,“功率密度”和“能量密度”通常描述三维体积。然而,在光学科学中,这些术语通常用于描述二维区域,除非被描述为“体积”。功率密度、能量密度、注量和辐照度在光学行业中经常互换使用,这可能是完全不准确的,尤其是在不清楚度量是二维值还是三维值的情况下。这对于激光切割和焊接应用尤为重要,因为必须考虑激光穿透的深度,而不是简单地接触表面。体积值通常更适用于这些情况,并且是必须理解的重要区别以避免误解。

  大多数激光束具有高斯光束轮廓,因此辐照度和注量在激光器的光轴上均最高,并随着与轴的偏差增加而降低。其它激光器具有平坦的顶部光束轮廓,与高斯光束不同,它在激光束的横截面上具有恒定的辐照度轮廓,并且强度快速下降。因此,平顶激光器没有峰值辐照度。高斯光束的峰值功率是具有相同平均功率的平顶光束的两倍。

  激光束中的热点或局部辐照度波动通常会扭曲其高斯分布。热点不会影响峰值辐照度,除非热点功率超过光轴上的功率,但热点会扭曲所有各种功率和能量密度指标。功率和能量密度都是体积量,因此激光切割的结果可能不那么准确,并且可能会偏离中心。在微加工应用中,用户将无法通过简单地测量辐照度或注量来辨别问题。相反,需要仔细监测光束轮廓。高斯分布类似于钟形曲线,其中峰值辐照度位于中心,辐照度在两侧均匀下降。引入热点将扭曲这种分布。

  连续波 (CW) 激光器需要正确的术语才能准确描述其性能。根据定义,它们没有脉冲,因此不能应用峰值辐照度。线性密度是适用于具有均匀光束强度的 CW 激光器的适当术语,通常用于通过将平均功率除以光束直径来确定 LIDT。对于准连续激光器,即重复频率在 50 KHz 以上的超快脉冲激光器,其峰值辐照度可明显高于具有同等平均功率的普通脉冲激光器。这是由于等效的平均功率被浓缩成极短的脉冲持续时间。准连续波激光器的峰值辐照度远高于连续波激光器的辐照度,即使它们具有相同的能量密度。