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、私たちの日常生活で非常に馴染みのある物理量です。私たちが最もよく接する密度は物質の密度で、その式はρ=m/v、つまり密度は質量を体積で割ったものです。しかし、レーザーの電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、私たちが毎日電気を使用するため、多くの物理量と接しています。電気には電力が関係しており、電力の国際標準単位はW、つまりJ/sはエネルギーと時間の単位の比であり、エネルギーの国際標準単位はJです。したがって、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あり、出力スポット面積で電力を割ったものが電力密度、つまり電力密度の単位はW/m2です。レーザー場レーザー照射スポット領域が非常に小さいため、一般的にはW/cm2が単位として使用されます。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、連続レーザーは出力密度を使用して記述されますが、パルスレーザー電力密度とエネルギー密度の両方を用いて記述される。

レーザーが作用するとき、通常、パワー密度によって、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際によく登場する概念です。短パルス（マイクロ秒レベル）、超短パルス（ナノ秒レベル）、さらには超高速（ピコ秒およびフェムト秒レベル）レーザーの物質との相互作用の研究では、初期の研究者は通常、エネルギー密度の概念を採用しました。この概念は、相互作用のレベルでは、単位面積あたりにターゲットに作用するエネルギーを表し、同じレベルのレーザーの場合、この議論はより重要になります。

単一パルス注入のエネルギー密度にも閾値があります。これもレーザーと物質の相互作用の研究をより複雑にしています。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、繰り返し周波数などのパラメータが常に変化しており、エネルギー密度を測定する場合、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さえ考慮する必要があり、粗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（時間であって空間ではないことに注意してください）。しかし、実際のレーザー波形は矩形波、方形波、ベル型やガウス型ではないことは明らかであり、レーザー自体の特性によって決まるものもあり、より形状が異なります。

パルス幅は通常、オシロスコープによって提供される半値幅（全ピーク半値幅 FWHM）で与えられ、これにより、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、これは高い値です。より適切な半値幅は、積分によって計算されるべきであり、半値幅と半値幅を知るための関連するニュアンス標準があるかどうかは詳細に調査されていません。電力密度自体については、計算を行う際に、通常は単一パルスエネルギーを使用して、単一パルスエネルギー/パルス幅/スポット面積（空間平均電力）を計算し、次に空間ピーク電力の 2 倍し（空間分布がガウス分布の場合はこのような処理であり、トップハットの場合はそうする必要はありません）、次に放射状分布式を掛ければ完了です。