激光功率密度与能量密度

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定义了功率密度、能量密度和与激光光学器件相关的其他相关术语。

表1：用于描述激光束和其他电磁辐射的常用指标的定义。

在大多数科学学科中，包括化学和电气工程，“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，这些术语通常用于描述二维区域，描述为“体积”。在光学行业中，功率密度、能量密度、通量和辐照度经常互换使用，这可能是完全不准确的，特别是在不清楚指标是二维还是三维值的情况下。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，而不是简单地接触表面。体积值通常更适用于这些情况，这是一个重要的区别，必须理解以避免误解。

大多数激光束具有高斯光束轮廓，因此辐照度和能量密度在激光的光轴上都是最高的，并且随着偏离光轴的增加而降低。其他激光器具有平顶光束轮廓，与高斯光束不同，其在激光束的横截面上具有恒定的辐照度轮廓，并且强度快速下降。因此，平顶激光器没有峰值辐照度。在平均功率相同的情况下，高斯光束的峰值功率是平顶光束的2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，显示高斯光束的峰值功率比平顶光束的峰值功率大两倍。

激光束中的亮斑或辐照度的局部波动通常会扭曲其高斯分布。除非亮斑功率超过光轴上的功率，否则亮斑不会影响峰值辐照度，但亮斑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，因此由激光产生的切割可能不精确，并且可能偏离中心。在微加工应用中，用户将无法通过简单地测量辐照度或注量来辨别问题。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，峰值辐照度位于中心，辐照度在两侧均匀下降。引入亮斑将使此分布出现偏差。

图2：描述了高斯光束和平顶光束上强度分布倾斜的亮斑。

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。线性密度是用于具有均匀光束强度的CW激光器的适当术语，并且通常用于通过将平均功率除以光束直径来确定LIDT。对于准连续激光，即重复频率高于50kHz的超快脉冲激光，其峰值辐照度可以显著高于平均功率相当的普通脉冲激光。这是由于等效平均功率被压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。