Vermogensdichtheid en energiedichtheid van de laser
Dichtheid is een fysische grootheid die we in ons dagelijks leven goed kennen. De dichtheid waarmee we het meest in aanraking komen, is de dichtheid van een materiaal. De formule hiervoor is ρ = m/v, oftewel dichtheid is gelijk aan massa gedeeld door volume. De vermogensdichtheid en energiedichtheid van een laser zijn echter verschillend; hier wordt de energie gedeeld door het oppervlak in plaats van het volume. Vermogen is ook een fysische grootheid waarmee we veel te maken hebben, omdat we dagelijks elektriciteit gebruiken. Elektriciteit is immers energie. De internationale standaardeenheid voor vermogen is W, oftewel J/s, wat de verhouding is tussen energie en tijd. De internationale standaardeenheid voor energie is J. Vermogensdichtheid is dus een combinatie van vermogen en dichtheid, maar hier wordt het vermogen gedeeld door het bestralingsgebied van de laserstraal in plaats van het volume. Het vermogen gedeeld door het oppervlak van de laserstraal is de vermogensdichtheid, oftewel de eenheid van vermogensdichtheid is W/m².laserveldOmdat het laserbestralingsgebied vrij klein is, wordt over het algemeen W/cm² als eenheid gebruikt. De energiedichtheid is losgekoppeld van het tijdsbegrip, waarbij energie en dichtheid worden gecombineerd, en de eenheid is J/cm². Normaal gesproken worden continue lasers beschreven met behulp van vermogensdichtheid, terwijlgepulseerde lasersworden beschreven aan de hand van zowel vermogensdichtheid als energiedichtheid.
Wanneer een laser inwerkt, bepaalt de vermogensdichtheid meestal of de drempelwaarde voor vernietiging, ablatie of andere bewerkingen van materialen wordt bereikt. Drempelwaarde is een concept dat vaak terugkomt bij het bestuderen van de interactie van lasers met materie. Voor het bestuderen van de interactie van materialen met lasers met korte pulsen (in de microseconde-fase), ultrakorte pulsen (in de nanoseconde-fase) en zelfs ultrasnelle pulsen (in de picoseconde- en femtoseconde-fase), gebruikten onderzoekers vaak het concept van energiedichtheid. Dit concept vertegenwoordigt op interactieniveau de energie die per oppervlakte-eenheid op het doelwit inwerkt. In het geval van een laser met hetzelfde vermogen is deze discussie van groter belang.
Er bestaat ook een drempelwaarde voor de energiedichtheid van een enkele pulsinjectie. Dit maakt de studie van laser-materie-interactie complexer. De experimentele apparatuur van tegenwoordig verandert echter voortdurend, waardoor parameters zoals pulsbreedte, energie per puls, herhalingsfrequentie en andere parameters constant variëren. Bovendien moet bij het meten van de energiedichtheid rekening worden gehouden met fluctuaties in de werkelijke laseroutput tijdens een puls, wat een te ruwe schatting kan opleveren. Over het algemeen kan ruwweg worden aangenomen dat de energiedichtheid gedeeld door de pulsbreedte de gemiddelde vermogensdichtheid over de tijd is (let op: tijd, niet ruimte). Het is echter duidelijk dat de werkelijke lasergolfvorm niet altijd rechthoekig, blokgolf, klokvormig of Gaussisch is, maar dat de vorm ervan wordt bepaald door de eigenschappen van de laser zelf.
De pulsbreedte wordt meestal gegeven door de halfhoogtebreedte die de oscilloscoop levert (volledige piek halfbreedte FWHM), waardoor we de vermogensdichtheid berekenen op basis van de energiedichtheid, wat een hoge waarde oplevert. Een meer geschikte halfhoogte en -breedte zouden berekend moeten worden door de integraal van de halfhoogte en -breedte te nemen. Er is geen gedetailleerd onderzoek gedaan naar de vraag of er een relevante nuancenorm bestaat voor het bepalen hiervan. Voor de vermogensdichtheid zelf is het bij berekeningen meestal mogelijk om de energie van een enkele puls te gebruiken om de ruimtelijke gemiddelde vermogen te berekenen: energie van een enkele puls / pulsbreedte / spotoppervlakte, wat het ruimtelijke gemiddelde vermogen is, vermenigvuldigd met 2 voor het ruimtelijke piekvermogen (bij een Gauss-verdeling is dit voldoende, bij een top-hat-verdeling is dit niet nodig), en vervolgens vermenigvuldigd met een radiale verdelingsformule. En klaar is Kees.
Geplaatst op: 12 juni 2024