レーザーのパワー密度とエネルギー密度

レーザーのパワー密度とエネルギー密度

密度は私たちが日常生活でよく知っている物理量であり、私たちが最もよく知る密度は物質の密度であり、その式はρ=m/v、つまり密度は質量を体積で割ったものに等しいです。ただし、レーザーの出力密度とエネルギー密度は異なり、ここでは体積ではなく面積で割られています。電力はまた、私たちが多くの物理量と接触するものでもあります。私たちは毎日電気を使用するため、電力には電力が含まれます。電力の国際標準単位は W、つまり J/s であり、エネルギーと時間単位の比です。エネルギーの国際標準単位は J です。つまり、パワー密度はパワーと密度を組み合わせた概念ですが、ここでは体積ではなくスポットの照射面積を表します。パワーを出力スポット面積で割ったものがパワー密度です。 、電力密度の単位は W/m2 であり、レーザーフィールド, レーザーの照射スポット面積が非常に小さいため、一般的にはW/cm2という単位が使われます。エネルギー密度は時間の概念を取り除いたもので、エネルギーと密度を組み合わせたもので、単位はJ/cm2です。通常、連続レーザーは出力密度を使用して説明されますが、パルスレーザー電力密度とエネルギー密度の両方を使用して説明されます。

レーザーが作用するときは、通常、出力密度によって、破壊、アブレーション、またはその他の作用物質の閾値に達するかどうかが決まります。閾値は、レーザーと物質の相互作用を研究するときによく現れる概念です。短パルス (us 段階と考えられる)、超短パルス (ns 段階と考えられる)、さらには超高速 (ps および fs 段階) レーザー相互作用材料の研究では、初期の研究者は通常、エネルギー密度の概念を採用します。この概念は、相互作用のレベルで、単位面積当たりターゲットに作用するエネルギーを表します。同じレベルのレーザーの場合、この議論はより重要です。

単一パルス注入のエネルギー密度にもしきい値があります。これにより、レーザーと物質の相互作用の研究がより複雑になります。しかし、今日の実験装置は常に変化しており、さまざまなパルス幅、単一パルスエネルギー、繰り返し周波数、その他のパラメータも常に変化しており、エネルギー密度の場合にはパルスエネルギーの変動におけるレーザーの実際の出力を考慮する必要さえあります。一般に、エネルギー密度をパルス幅で割ったものが時間平均パワー密度であると大まかに考えることができます (空間ではなく時間であることに注意してください)。ただし、実際のレーザー波形は方形波、方形波、さらにはベル波形やガウス波形ではない可能性があり、一部はより整形されたレーザー自体の特性によって決定されることは明らかです。

パルス幅は通常、オシロスコープによって提供される半値幅 (全ピーク半値幅 FWHM) によって与えられます。これにより、高いエネルギー密度から電力密度の値が計算されます。より適切な半分の高さおよび半分の幅は、半分の高さおよび半分の幅の整数によって計算される必要があります。知るための関連するニュアンスの基準があるかどうかについては、詳細な調査は行われていません。パワー密度自体については、計算を行う際、通常、単一パルス エネルギー、単一パルス エネルギー/パルス幅/スポット面積を使用して計算することが可能です。これは空間平均パワーであり、空間ピーク パワーとして 2 を乗じます (空間分布はガウス分布であり、トップハットではそうする必要はありません)。その後、動径分布式で乗算されます。 , これで完了です。