激光功率密度與能量密度

激光功率密度與(yu) 能量密度

在處理激光光學時，功率和能量密度是需要理解的兩(liang) 個(ge) 重要概念。這兩(liang) 個(ge) 術語經常互換使用，但含義(yi) 不同。表1定義(yi) 了功率密度、能量密度和與(yu) 激光光學器件相關(guan) 的其他相關(guan) 術語。

表1：用於(yu) 描述激光束和其他電磁輻射的常用指標的定義(yi) 。

在大多數科學學科中，包括化學和電氣工程，“功率密度"和“能量密度"通常描述三維體(ti) 積。然而，在光學科學中，這些術語通常用於(yu) 描述二維區域，描述為(wei) “體(ti) 積"。在光學行業(ye) 中，功率密度、能量密度、通量和輻照度經常互換使用，這可能是wan全不準確的，特別是在不清楚指標是二維還是三維值的情況下。這對於(yu) 激光切割和焊接應用尤其重要，因為(wei) 必須考慮激光穿透的深度，而不是簡單地接觸表麵。體(ti) 積值通常更適用於(yu) 這些情況，這是一個(ge) 重要的區別，必須理解以避免誤解。

大多數激光束具有高斯光束輪廓，因此輻照度和能量密度在激光的光軸上都是最高的，並且隨著偏離光軸的增加而降低。其他激光器具有平頂光束輪廓，與(yu) 高斯光束不同，其在激光束的橫截麵上具有恒定的輻照度輪廓，並且強度快速下降。因此，平頂激光器沒有峰值輻照度。在平均功率相同的情況下，高斯光束的峰值功率是平頂光束的2倍（圖1）。

圖1：高斯光束輪廓與(yu) 具有相同平均功率的平頂光束的比較，顯示高斯光束的峰值功率比平頂光束的峰值功率大兩(liang) 倍。

激光束中的亮斑或輻照度的局部波動通常會(hui) 扭曲其高斯分布。除非亮斑功率超過光軸上的功率，否則亮斑不會(hui) 影響峰值輻照度，但亮斑會(hui) 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(ti) 積量，因此由激光產(chan) 生的切割可能不精確，並且可能偏離中心。在微加工應用中，用戶將無法通過簡單地測量輻照度或注量來辨別問題。相反，需要仔細監測光束輪廓。如圖2所示，高斯分布類似於(yu) 鍾形曲線，峰值輻照度位於(yu) 中心，輻照度在兩(liang) 側(ce) 均勻下降。引入亮斑將使此分布出現偏差。

圖2：描述了高斯光束和平頂光束上強度分布傾(qing) 斜的亮斑。

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(yi) ，它們(men) 沒有脈衝(chong) ，因此不能應用峰值輻照度。線性密度是用於(yu) 具有均勻光束強度的CW激光器的適當術語，並且通常用於(yu) 通過將平均功率除以光束直徑來確定LIDT。對於(yu) 準連續激光，即重複頻率高於(yu) 50kHz的超快脈衝(chong) 激光，其峰值輻照度可以顯著高於(yu) 平均功率相當的普通脈衝(chong) 激光。這是由於(yu) 等效平均功率被壓縮成令人難以置信的短脈衝(chong) 持續時間。準連續激光的峰值輻照度遠高於(yu) 連續激光的輻照度，即使它們(men) 具有相同的注量。