Laseri võimsustihedus ja energiatihedus

Laseri võimsustihedus ja energiatihedus

Tihedus on füüsikaline suurus, millega me igapäevaelus väga tuttavad oleme. Tihedus, millega me kõige sagedamini kokku puutume, on materjali tihedus. Valem on ρ = m/v, see tähendab, et tihedus on võrdne massi ja ruumala jagamisega. Kuid laseri võimsustihedus ja energiatihedus on erinevad, siin jagatud pindalaga, mitte ruumalaga. Võimsus on ka meie kokkupuude paljude füüsikaliste suurustega, kuna me kasutame elektrit iga päev. Elekter hõlmab võimsust. Võimsuse rahvusvaheline standardühik on W, see tähendab J/s, mis on energia ja ajaühiku suhe. Energia rahvusvaheline standardühik on J. Seega on võimsustihedus võimsuse ja tiheduse kombinatsiooni mõiste. Siin on pigem kiirguspunkti pindala kui ruumala. Võimsuse ja väljundpunkti pindala jagamisel saadakse võimsustihedus. Võimsuse tihedus on W/m2.laserväli, kuna laserkiirguse täpi pindala on üsna väike, kasutatakse ühikuna üldiselt W/cm2. Energiatihedus eemaldatakse aja mõistest, ühendades energia ja tiheduse ning ühik on J/cm2. Tavaliselt kirjeldatakse pidevaid lasereid võimsustiheduse abil, samas kuiimpulsslaseridkirjeldatakse nii võimsustiheduse kui ka energiatiheduse abil.

Kui laser toimib, määrab võimsustihedus tavaliselt, kas saavutatakse hävitamise, ablatsiooni või muude toimivate materjalide lävi. Lävi on mõiste, mis sageli ilmneb laserite ja aine vastastikmõju uurimisel. Lühikese impulsi (mida võib pidada us-astmeks), ülilühikese impulsi (mida võib pidada ns-astmeks) ja isegi ülikiire (ps- ja fs-astme) laserinteraktsioonimaterjalide uurimisel võtsid varased teadlased tavaliselt kasutusele energiatiheduse mõiste. See mõiste esindab interaktsiooni tasandil sihtmärgile mõjuvat energiat pindalaühiku kohta; sama tasemega laseri puhul on see arutelu suurema tähtsusega.

Samuti on üksikimpulsi süstimise energiatihedusel läviväärtus. See muudab laseri ja aine interaktsiooni uurimise keerulisemaks. Tänapäeva eksperimentaalsed seadmed muutuvad aga pidevalt, impulsi laius, üksikimpulsi energia, kordussagedus ja muud parameetrid muutuvad pidevalt ning isegi laseri tegeliku väljundvõimsuse arvestamine impulsi energia kõikumiste korral võib energiatiheduse mõõtmiseks olla liiga ligikaudne. Üldiselt võib ligikaudselt eeldada, et energiatihedus jagatud impulsi laiusega on aja keskmine võimsustihedus (pange tähele, et see on aeg, mitte ruum). Siiski on ilmne, et tegelik laserlainekuju ei pruugi olla ristkülikukujuline, ruudukujuline ega isegi kella- või Gaussi lainekujuline ning mõned neist on määratud laseri enda omadustega, mis on vormikamad.

Impulsi laius on tavaliselt antud ostsilloskoobi poolt antud poolkõrguse laiuse (täispiigi poollaius FWHM) abil, mis paneb meid võimsustiheduse väärtuse arvutama energiatiheduse põhjal, mis on kõrge. Sobivam poolkõrgus ja -laius tuleks arvutada integraali, poole kõrguse ja laiuse abil. Puudub üksikasjalik uurimus selle kohta, kas on olemas asjakohane nüansistandard selle tundmiseks. Võimsustiheduse enda puhul on arvutuste tegemisel tavaliselt võimalik kasutada ühe impulsi energiat, ühe impulsi energia/impulsi laiuse/punkti pindala, mis on ruumiline keskmine võimsus, ja seejärel korrutada see kahega, et saada ruumiline tippvõimsus (ruumiline jaotus on Gaussi jaotus, top-hat ei pea seda tegema) ja seejärel korrutada see radiaaljaotuse avaldisega. Ja ongi valmis.