Leistungsdichte und Energiedichte von Lasern
Dichte ist eine physikalische Größe, die uns im Alltag sehr vertraut ist. Die Dichte, mit der wir am häufigsten in Berührung kommen, ist die Dichte eines Materials. Die Formel lautet ρ = m/v, d. h. die Dichte entspricht der Masse geteilt durch das Volumen. Leistungsdichte und Energiedichte des Lasers unterscheiden sich jedoch, da sie hier durch die Fläche und nicht durch das Volumen geteilt werden. Leistung ist auch unser Kontakt mit vielen physikalischen Größen. Da wir täglich Strom verbrauchen, ist Strom mit Leistung verbunden. Die internationale Standardeinheit für Leistung ist W, d. h. J/s. Sie ist das Verhältnis von Energie zu Zeiteinheit, die internationale Standardeinheit für Energie ist J. Die Leistungsdichte ist also das Konzept der Kombination von Leistung und Dichte. Hier ist jedoch die Bestrahlungsfläche des Spots und nicht das Volumen gemeint. Die Leistung geteilt durch die Fläche des Ausgangsspots ergibt die Leistungsdichte, d. h. die Einheit der Leistungsdichte ist W/m².Laserfeld, da die Laserbestrahlungsfläche recht klein ist, wird üblicherweise W/cm² als Einheit verwendet. Die Energiedichte wird aus dem Zeitkonzept herausgelöst, indem Energie und Dichte kombiniert werden. Die Einheit ist J/cm². Kontinuierliche Laser werden normalerweise anhand der Leistungsdichte beschrieben, währendgepulste Laserwerden sowohl anhand der Leistungsdichte als auch der Energiedichte beschrieben.
Beim Lasern bestimmt üblicherweise die Leistungsdichte, ob die Schwelle zur Zerstörung, Ablation oder anderen Materialeinwirkungen erreicht wird. Der Begriff Schwelle taucht häufig bei der Untersuchung der Wechselwirkung von Lasern mit Materie auf. Für die Untersuchung von kurzpulsigen (us-Stufe), ultrakurzpulsigen (ns-Stufe) und sogar ultraschnellen (ps- und fs-Stufe) Laserwechselwirkungsmaterialien verwenden junge Forscher üblicherweise das Konzept der Energiedichte. Dieses Konzept stellt auf der Ebene der Wechselwirkung die auf das Ziel pro Flächeneinheit wirkende Energie dar; bei Lasern derselben Stufe ist diese Diskussion von größerer Bedeutung.
Es gibt auch einen Schwellenwert für die Energiedichte einzelner Pulse. Dies erschwert die Untersuchung der Wechselwirkung zwischen Laser und Materie zusätzlich. Moderne experimentelle Geräte unterliegen jedoch einem ständigen Wandel, und Parameter wie Pulsbreite, Pulsenergie und Wiederholungsfrequenz ändern sich ständig. Selbst wenn man die tatsächliche Leistung des Lasers bei Pulsenergieschwankungen berücksichtigt, kann die Messung der Energiedichte zu grob sein. Generell gilt: Energiedichte geteilt durch Pulsbreite ergibt die zeitliche durchschnittliche Leistungsdichte (beachten Sie, dass es sich um die Zeit, nicht um die Raumdichte handelt). Es ist jedoch offensichtlich, dass die tatsächliche Laserwellenform nicht unbedingt rechteckig, quadratisch, glockenförmig oder gaußförmig sein muss, sondern durch die Eigenschaften des Lasers selbst bestimmt wird, der eine stärkere Form aufweist.
Die Impulsbreite ergibt sich üblicherweise aus der vom Oszilloskop gelieferten Halbwertsbreite (volle Spitzenhalbwertsbreite FWHM). Aus dieser berechnet sich die Leistungsdichte aus der hohen Energiedichte. Die passendere Halbwertsbreite ergibt sich aus dem Integral von Halbwertsbreite und Höhe. Es gibt keine detaillierte Untersuchung dazu, ob es hierfür einen relevanten Standard gibt. Für die Berechnung der Leistungsdichte selbst kann üblicherweise die Energie eines einzelnen Impulses verwendet werden. Die Energie eines einzelnen Impulses/Impulsbreite/Punktfläche ergibt die räumliche Durchschnittsleistung. Diese wird mit 2 multipliziert, um die räumliche Spitzenleistung zu erhalten (die räumliche Verteilung ist eine solche Behandlung, bei Top-Hat ist dies nicht erforderlich). Anschließend wird dies mit einem radialen Verteilungsausdruck multipliziert. Fertig.
Veröffentlichungszeit: 12. Juni 2024