Leistungsdichte und Energiedichte des Lasers
Dichte ist eine physikalische Größe, die uns im Alltag sehr vertraut ist. Am häufigsten begegnet uns die Dichte eines Materials, berechnet nach der Formel ρ = m/v, d. h. Dichte ist gleich Masse geteilt durch Volumen. Die Leistungsdichte und die Energiedichte eines Lasers unterscheiden sich jedoch, da sie hier nicht durch das Volumen, sondern durch die Fläche betrachtet werden. Auch Leistung ist uns im Alltag häufig begegnet, da wir täglich Strom nutzen. Strom beinhaltet Leistung, deren internationale Standardeinheit Watt (W) bzw. Joule pro Sekunde (J/s) ist. Leistung ist das Verhältnis von Energie zu Zeit, die internationale Standardeinheit für Energie ist Joule (J). Die Leistungsdichte kombiniert also Leistung und Dichte, bezieht sich hier aber nicht auf das Volumen, sondern auf die Bestrahlungsfläche des Flecks. Die Leistung geteilt durch die Fläche des Austrittsflecks ergibt die Leistungsdichte, deren Einheit W/m² ist.LaserfeldDa die Fläche des Laserbestrahlungsflecks recht klein ist, wird üblicherweise W/cm² als Einheit verwendet. Die Energiedichte wird vom Zeitbegriff entkoppelt, indem Energie und Dichte kombiniert werden; die Einheit ist J/cm². Kontinuierliche Laser werden üblicherweise anhand ihrer Leistungsdichte beschrieben.gepulste Laserwerden sowohl anhand der Leistungsdichte als auch der Energiedichte beschrieben.
Bei der Laserwirkung bestimmt die Leistungsdichte üblicherweise, ob die Schwelle für die Zerstörung, Ablation oder andere Materialbearbeitungen erreicht wird. Die Schwelle ist ein Konzept, das häufig bei der Untersuchung der Wechselwirkung von Lasern mit Materie auftaucht. Für die Untersuchung der Wechselwirkung von Materialien mit kurzen (µs-), ultrakurzen (ns-) und sogar ultraschnellen (ps- und fs-) Laserpulsen verwendeten frühe Forscher üblicherweise das Konzept der Energiedichte. Dieses Konzept repräsentiert auf der Ebene der Wechselwirkung die auf das Target pro Flächeneinheit einwirkende Energie. Bei Lasern gleicher Leistungsklasse ist diese Betrachtung von besonderer Bedeutung.
Es existiert auch ein Schwellenwert für die Energiedichte der Einzelpuls-Injektion. Dies erschwert die Untersuchung der Laser-Materie-Wechselwirkung zusätzlich. Da sich die heutige experimentelle Ausrüstung jedoch ständig weiterentwickelt und Parameter wie Pulsbreite, Einzelpulsenergie, Wiederholfrequenz und andere ständig variieren, und selbst die Schwankungen der tatsächlichen Laserleistung während eines Pulses bei der Messung der Energiedichte berücksichtigt werden müssen, kann dies zu ungenau sein. Im Allgemeinen kann man näherungsweise annehmen, dass die zeitlich gemittelte Leistungsdichte (beachten Sie, dass es sich um die Zeit, nicht um den Ort handelt) der zeitlichen, nicht räumlichen Leistungsdichte entspricht. Es ist jedoch offensichtlich, dass die tatsächliche Laserwellenform weder rechteckig noch eckig, noch glockenförmig oder gaußförmig ist, sondern vielmehr durch die Eigenschaften des Lasers selbst bestimmt wird und somit eine stärkere Form aufweist.
Die Impulsbreite wird üblicherweise über die vom Oszilloskop angezeigte Halbwertsbreite (FWHM) angegeben. Dies führt dazu, dass die Leistungsdichte aus der Energiedichte berechnet wird, was zu einem hohen Wert führt. Eine genauere Berechnung von Halbwertsbreite und -höhe sollte durch deren Integration erfolgen. Es gibt keine detaillierte Untersuchung, ob hierfür ein relevanter Standard existiert. Zur Berechnung der Leistungsdichte selbst kann man üblicherweise die Energie eines einzelnen Impulses verwenden, also die Energie eines einzelnen Impulses teilen und die Spotfläche teilen. Dies ergibt die räumliche mittlere Leistung. Diese wird dann mit 2 multipliziert, um die räumliche Spitzenleistung zu erhalten (bei einer Gauß-Verteilung ist dies ausreichend, bei einer Top-Hat-Verteilung nicht). Anschließend wird das Ergebnis mit dem Ausdruck für die radiale Verteilung multipliziert. Fertig.
Veröffentlichungsdatum: 12. Juni 2024