激光功率密度計(jì)算公式

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定義了與激光光學(xué)相關(guān)的功率密度、能量密度和其他相關(guān)術(shù)語(yǔ)。

表1：用于描述激光束和其他電磁輻射的常用度量的定義

在包括化學(xué)和電氣工程在內(nèi)的大多數(shù)科學(xué)學(xué)科中，“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，除非被描述為“體積”，否則這些術(shù)語(yǔ)通常用于描述二維區(qū)域。功率密度、能量密度、通量和輻照度在光學(xué)行業(yè)中經(jīng)?；Q使用，這可能是完全不準(zhǔn)確的，尤其是當(dāng)不清楚度量是二維還是三維值時(shí)。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)單地碰到表面。體積值通常更適用于這些情況，并且是必須理解的一個(gè)重要區(qū)別，以避免溝通錯(cuò)誤。

大多數(shù)激光束具有高斯光束輪廓，因此輻照度和通量在激光的光軸上都是最高的，并且隨著與光軸的偏差增加而減小。其他激光器具有平頂光束輪廓，與高斯光束不同，平頂光束輪廓具有穿過(guò)激光束橫截面的恒定輻照度輪廓和強(qiáng)度的快速下降。因此，平頂激光器不具有峰值輻照度。高斯光束的峰值功率是具有相同平均功率的平頂光束的兩倍(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，表明高斯光束的峰值功率比平頂光束大2倍

激光束中的熱點(diǎn)或輻照度的局部波動(dòng)通常會(huì)使其高斯分布偏斜。除非熱點(diǎn)功率超過(guò)光軸上的功率，否則熱點(diǎn)不會(huì)影響峰值輻照度，但熱點(diǎn)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，因此激光切割的結(jié)果可能不那么準(zhǔn)確，可能偏離中心。在微加工應(yīng)用中，用戶將無(wú)法通過(guò)簡(jiǎn)單地測(cè)量輻照度或通量來(lái)識(shí)別問(wèn)題。相反，需要仔細(xì)監(jiān)測(cè)光束輪廓。如圖2所示，高斯分布類似于鐘形曲線，其中峰值輻照度位于中心，輻照度在兩側(cè)均勻下降。引入熱點(diǎn)會(huì)使這種分布出現(xiàn)偏差。

圖2：高斯光束和平頂光束上的強(qiáng)度分布偏離熱點(diǎn)的描述

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。線密度是用于具有均勻光束強(qiáng)度的CW激光器的合適術(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)波激光器，即重復(fù)頻率高于50KHz的超快脈沖激光器，其峰值輻照度可以顯著高于具有等效平均功率的普通脈沖激光器。這是由于等效的平均功率被濃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。

審核編輯 黃宇