一文了解激光功率密度与能量密度

一文了解激光功率密度与能量密度

在激光光学领域，功率密度和能量密度是两个至关重要的概念。它们不仅影响激光器的性能，还决定了激光加工、焊接等应用的效果。本文将深入探讨这两个概念的定义、区别及其在实际应用中的重要性。

在处理激光光学时，功率和能量密度是需要理解的两个重要概念。这两个术语经常互换使用，但含义不同。表1定义了与激光光学相关的功率密度、能量密度和其他相关术语。

在包括化学和电气工程在内的大多数科学学科中，“功率密度”和“能量密度”通常描述三维体积。然而，在光学科学中，除非被描述为“体积”，否则这些术语通常用于描述二维区域。功率密度、能量密度、通量和辐照度在光学行业中经常互换使用，这可能是完全不准确的，尤其是当不清楚度量是二维还是三维值时。这对于激光切割和焊接应用尤其重要，因为必须考虑激光穿透的深度，而不是简单地碰到表面。体积值通常更适用于这些情况，并且是必须理解的一个重要区别，以避免沟通错误。

大多数激光束具有高斯光束轮廓，因此辐照度和通量在激光的光轴上都是最高的，并且随着与光轴的偏差增加而减小。其他激光器具有平顶光束轮廓，与高斯光束不同，平顶光束轮廓具有穿过激光束横截面的恒定辐照度轮廓和强度的快速下降。因此，平顶激光器不具有峰值辐照度。高斯光束的峰值功率是具有相同平均功率的平顶光束的两倍（图1）。

图1：高斯光束轮廓与具有相同平均功率的平顶光束的比较，表明高斯光束的峰值功率比平顶光束大2倍

激光束中的热点或辐照度的局部波动通常会使其高斯分布偏斜。除非热点功率超过光轴上的功率，否则热点不会影响峰值辐照度，但热点会扭曲所有各种功率和能量密度指标。功率密度和能量密度都是体积量，因此激光切割的结果可能不那么准确，可能偏离中心。在微加工应用中，用户将无法通过简单地测量辐照度或通量来识别问题。相反，需要仔细监测光束轮廓。如图2所示，高斯分布类似于钟形曲线，其中峰值辐照度位于中心，辐照度在两侧均匀下降。引入热点会使这种分布出现偏差。

图2：高斯光束和平顶光束上的强度分布偏离热点的描述

连续波（CW）激光器需要正确的术语来准确描述其性能。根据定义，它们没有脉冲，因此不能应用峰值辐照度。线密度是用于具有均匀光束强度的CW激光器的合适术语，并且通常用于通过将平均功率除以光束直径来确定LIDT。对于准连续波激光器，即重复频率高于50KHz的超快脉冲激光器，其峰值辐照度可以显著高于具有等效平均功率的普通脉冲激光器。这是由于等效的平均功率被浓缩成令人难以置信的短脉冲持续时间。准连续激光的峰值辐照度远高于连续激光的辐照度，即使它们具有相同的注量。

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转自：光子位