激光功率密度與能量密度

在處理激光光學(xué)時，功率和能量密度是需要理解的兩個重要概念。這兩個術(shù)語經(jīng)常互換使用，但含義不同。表1定義了功率密度、能量密度和與激光光學(xué)器件相關(guān)的其他相關(guān)術(shù)語。

表1：用于描述激光束和其他電磁輻射的常用指標(biāo)的定義。

在大多數(shù)科學(xué)學(xué)科中，包括化學(xué)和電氣工程，“功率密度”和“能量密度”通常描述三維體積。然而，在光學(xué)科學(xué)中，這些術(shù)語通常用于描述二維區(qū)域，描述為“體積”。在光學(xué)行業(yè)中，功率密度、能量密度、通量和輻照度經(jīng)常互換使用，這可能是wan全不準(zhǔn)確的，特別是在不清楚指標(biāo)是二維還是三維值的情況下。這對于激光切割和焊接應(yīng)用尤其重要，因為必須考慮激光穿透的深度，而不是簡單地接觸表面。體積值通常更適用于這些情況，這是一個重要的區(qū)別，必須理解以避免誤解。

大多數(shù)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，并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，與高斯光束不同，其在激光束的橫截面上具有恒定的輻照度輪廓，并且強(qiáng)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倍。

激光束中的亮斑或輻照度的局部波動通常會扭曲其高斯分布。除非亮斑功率超過光軸上的功率，否則亮斑不會影響峰值輻照度，但亮斑會扭曲所有各種功率和能量密度指標(biāo)。功率密度和能量密度都是體積量，因此由激光產(chǎn)生的切割可能不精確，并且可能偏離中心。在微加工應(yīng)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(xì)監(jiān)測光束輪廓。如圖2所示，高斯分布類似于鐘形曲線，峰值輻照度位于中心，輻照度在兩側(cè)均勻下降。引入亮斑將使此分布出現(xiàn)偏差。

圖2：描述了高斯光束和平頂光束上強(qiáng)度分布傾斜的亮斑。

連續(xù)波（CW）激光器需要正確的術(shù)語來準(zhǔn)確描述其性能。根據(jù)定義，它們沒有脈沖，因此不能應(yīng)用峰值輻照度。線性密度是用于具有均勻光束強(qiáng)度的CW激光器的適當(dāng)術(shù)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(zhǔn)連續(xù)激光，即重復(fù)頻率高于50kHz的超快脈沖激光，其峰值輻照度可以顯著高于平均功率相當(dāng)?shù)钠胀}沖激光。這是由于等效平均功率被壓縮成令人難以置信的短脈沖持續(xù)時間。準(zhǔn)連續(xù)激光的峰值輻照度遠(yuǎn)高于連續(xù)激光的輻照度，即使它們具有相同的注量。