レーザーの出力密度とエネルギー密度

レーザーの出力密度とエネルギー密度

密度は日常生活でよく使われる物理量です。私たちが最もよく触れる密度は物質の密度で、ρ=m/vという公式で表されます。つまり、密度は質量を体積で割った値です。しかし、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っています。電力もまた、私たちが日常的に使用する電気に関係する多くの物理量です。電力の国際標準単位はW、つまりJ/sで、これはエネルギーと時間の比です。国際標準単位はJです。つまり、電力密度は電力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です。出力を出力スポット面積で割ったものが電力密度です。つまり、電力密度の単位はW/m²です。レーザーフィールドレーザー照射面積が非常に小さいため、一般的にはW/cm²が単位として用いられます。エネルギー密度は時間の概念から切り離され、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、連続レーザーはパワー密度で表されますが、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際、通常、パワー密度は、物質を破壊、アブレーション、またはその他の作用を及ぼす閾値に達するかどうかを決定します。閾値は、レーザーと物質の相互作用を研究する際によく登場する概念です。短パルス（us段階とみなすことができます）、超短パルス（ns段階とみなすことができます）、さらには超高速（psおよびfs段階）のレーザー相互作用物質の研究では、初期の研究者は通常、エネルギー密度の概念を採用しています。この概念は、相互作用レベルにおいて、単位面積あたりに対象に作用するエネルギーを表します。同レベルのレーザーの場合、この議論はより大きな意味を持ちます。

単一パルス注入のエネルギー密度にも閾値があります。これもレーザー物質相互作用の研究をより複雑にします。しかし、今日の実験装置は絶えず変化しており、さまざまなパルス幅、単一パルスエネルギー、繰り返し周波数などのパラメータが絶えず変化しており、パルスエネルギー変動におけるレーザーの実際の出力を考慮する必要がある場合でも、エネルギー密度を測定する場合は大まかすぎる可能性があります。一般的に、エネルギー密度をパルス幅で割ったものが時間平均電力密度であると大まかに考えることができます（時間であり、空間ではないことに注意してください）。ただし、実際のレーザー波形は矩形、方形波、さらにはベルやガウスではない場合があり、いくつかはレーザー自体の特性によって決まり、より形状が異なります。

パルス幅は通常、オシロスコープが提供する半値幅（フルピーク半値幅 FWHM）で与えられ、エネルギー密度から電力密度の値を計算することになりますが、これは高いです。より適切な半値幅は、半値幅と積分で計算する必要があります。知るための関連するニュアンス基準があるかどうかについては、詳細な調査が行われていません。電力密度自体については、計算を行う際に、通常、単一パルスエネルギーを使用して計算することができ、単一パルスエネルギー/パルス幅/スポット面積、つまり空間平均電力を2倍にして、空間ピーク電力（空間分布はガウス分布であるため、このような処理が必要であり、トップハットではこれを行う必要はありません）を算出し、放射状分布の式を掛けて、完了します。