激光功率密度與能量密度

在處理激光光學(xué)時(shí),，功率和能量密度是需要理解的兩個(gè)重要概念,。這兩個(gè)術(shù)語(yǔ)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(yǔ)。

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(yǔ)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)?；Q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(duì)于激光切割和焊接應(yīng)用尤其重要,，因?yàn)楸仨毧紤]激光穿透的深度,，而不是簡(jiǎn)單地接觸表面,。體積值通常更適用于這些情況，這是一個(gè)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(méi)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(dòng)通常會(huì)扭曲其高斯分布,。除非亮斑功率超過(guò)光軸上的功率,，否則亮斑不會(huì)影響峰值輻照度，但亮斑會(huì)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(hù)將無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單地測(cè)量輻照度或注量來(lái)辨別問(wèn)題。相反,，需要仔細(xì)監(jiān)測(cè)光束輪廓,。如圖2所示，高斯分布類(lèi)似于鐘形曲線(xiàn)，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(yǔ)來(lái)準(zhǔn)確描述其性能,。根據(jù)定義，它們沒(méi)有脈沖,，因此不能應(yīng)用峰值輻照度,。線(xiàn)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(yǔ)，并且通常用于通過(guò)將平均功率除以光束直徑來(lái)確定LIDT,。對(duì)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(shí)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,。