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      一文了解激光功率密度與能量密度
      材料來源:光子位           錄入時間:2024/4/10 21:50:19

      在處理激光光學時,功率和能量密度是需要理解的兩個重要概念。這兩個術語經;Q使用,但含義不同。表1定義了與激光光學相關的功率密度、能量密度和其他相關術語。

      表1:用于描述激光束和其他電磁輻射的常用度量的定義

      在包括化學和電氣工程在內的大多數科學學科中,“功率密度”和“能量密度”通常描述三維體積。然而,在光學科學中,除非被描述為“體積”,否則這些術語通常用于描述二維區域。功率密度、能量密度、通量和輻照度在光學行業中經;Q使用,這可能是完全不準確的,尤其是當不清楚度量是二維還是三維值時。這對于激光切割和焊接應用尤其重要,因為必須考慮激光穿透的深度,而不是簡單地碰到表面。體積值通常更適用于這些情況,并且是必須理解的一個重要區別,以避免溝通錯誤。

      大多數激光束具有高斯光束輪廓,因此輻照度和通量在激光的光軸上都是最高的,并且隨著與光軸的偏差增加而減小。其他激光器具有平頂光束輪廓,與高斯光束不同,平頂光束輪廓具有穿過激光束橫截面的恒定輻照度輪廓和強度的快速下降。因此,平頂激光器不具有峰值輻照度。高斯光束的峰值功率是具有相同平均功率的平頂光束的兩倍(圖1)。

      圖1:高斯光束輪廓與具有相同平均功率的平頂光束的比較,表明高斯光束的峰值功率比平頂光束大2倍

      激光束中的熱點或輻照度的局部波動通常會使其高斯分布偏斜。除非熱點功率超過光軸上的功率,否則熱點不會影響峰值輻照度,但熱點會扭曲所有各種功率和能量密度指標。功率密度和能量密度都是體積量,因此激光切割的結果可能不那么準確,可能偏離中心。在微加工應用中,用戶將無法通過簡單地測量輻照度或通量來識別問題。相反,需要仔細監測光束輪廓。如圖2所示,高斯分布類似于鐘形曲線,其中峰值輻照度位于中心,輻照度在兩側均勻下降。引入熱點會使這種分布出現偏差。

      圖2:高斯光束和平頂光束上的強度分布偏離熱點的描述

      連續波(CW)激光器需要正確的術語來準確描述其性能。根據定義,它們沒有脈沖,因此不能應用峰值輻照度。線密度是用于具有均勻光束強度的CW激光器的合適術語,并且通常用于通過將平均功率除以光束直徑來確定LIDT。對于準連續波激光器,即重復頻率高于50KHz的超快脈沖激光器,其峰值輻照度可以顯著高于具有等效平均功率的普通脈沖激光器。這是由于等效的平均功率被濃縮成令人難以置信的短脈沖持續時間。準連續激光的峰值輻照度遠高于連續激光的輻照度,即使它們具有相同的注量。

      References

      Paschotta, D. (2020, March 14). Power Density. Retrieved June 29, 2020, from https://www.rp-photonics.com/power_density.html

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      轉自:光子位

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