激光的功率密度与能量密度

大的题目不好写，先写一些小小的。

激光的功率密度与能量密度，对于刚接触激光的人，可能一时半会摸不清是什么区别，以及用到什么地方，我这里来给大家抛砖引玉。

激光的功率密度：

功率，这个概念在九年义务教育中，最初的学习时间大概是在初中。功率代表单位时间内做工的量，国际标准单位为W（瓦）。单位时间输出的能量，做工的能量，能量的国际标准单位为J（焦耳），时间的国际标准单位是s（秒）。这里暂时不做其他延伸，我们说回来。

功率密度，有功率的概念，再加上密度的概念，对于光来说，通常认为其辐照在某个表面，那么，其密度与我们通常的材料密度，kg/m^3不同，它不是除以单位体积，而是除以单位面积也就是W/m^2，在激光领域，常用W/cm^2来表示激光的功率密度。表示单位时间内，激光辐照在单位面积靶材上的能量大小。这个值较为容易对长脉冲激光或连续激光做形容。

激光的能量密度：

激光的能量密度，通常忽略掉其时间因素，比如单个脉冲激光辐照靶材时的能量密度，单位为J/cm^2。对于脉宽相同的激光器来说，单个脉冲辐照出的能量密度，可以代表这个激光器的某种水平，也经常有一些能量计，测得的数值就是激光器输出脉冲的能量，除以激光器输出光斑面积，就是能量密度。

怎么用好这两个东西以及如何换算，emmm...有时间我再细说。

20190721

择日不如撞日。更新一波。

激光作用时，功率密度通常会决定是否达到破坏、或者烧蚀、或者其他作用材料的阈值。阈值是研究激光与物质相互作用时经常出现的概念。

而对于短脉冲（可认为us阶段）、超短脉冲（可认为ns阶段），乃至超快（ps与fs阶段）激光作用材料的研究中，前期的研究者，通常采用了能量密度这一概念。这一概念在相互作用的层面，表示作用到靶材单位面积内的能量，在某种同一级别激光器的情况下，这种讨论是具有较大的意义的。

是的，单脉冲注入的能量密度，也存在阈值的情况。这也使得激光与物质相互作用的研究，变得更加复杂。

但当今实验设备不断更迭，各种脉宽、单脉冲能量、重复频率等参数不断变化的情况下，甚至需要考虑激光实际输出在一个脉冲内能量的波动的情况下，采用能量密度来衡量，可能就过于粗糙了。

暂不拓展说明了。

然后说一下换算，其实换算这个东西，当把两者理解很清楚后，就会很简单。

一般可以粗略的认为，能量密度除以脉宽，得到的就是时间平均功率密度（注意是时间，不是空间）。但是很明显，实际激光的波形可未必是矩形、方波，甚至未必是钟形、高斯型，有的由激光器本身属性决定的，是较为异形的。

而脉宽，通常由示波器提供的半高宽（全峰半宽FWHM）来给出，这会导致我们从能量密度计算功率密度时候的值，偏高。更合适的半高宽，应该是由积分计算出来的，半高宽。目前还没有详细查询，与知晓，是否存在相关的细微的差别标准。

对于功率密度本身，搞计算的时候，通常可以采用单脉冲能量来计算，单脉冲能量/脉宽/光斑面积，这是空间平均功率，然后乘以2，作空间峰值功率（空间分布是Gauss分布的是这样的处理，top-hat不用这么处理），然后再乘以一个径向分布的表达式，就完成了。

时间上的计算，多数还是以作判断的形式来计算的。

20200928

遇到一些坑，回来康康。

不知道大家晓得贝塞尔光束不，脱离这个行当几年回来，发现这种光束用来加工透明介质的情况有很多，说白了，主要用在激光切割玻璃，而且应用成果相当不错。

但是，由于贝塞尔光束的特殊聚焦方式，

1、它只能加工相对透明的介质，、

2、它的功率密度，和能量密度，由于衡量的体系不同了，目前暂时（20210112）没看到具体的衡量方式。倒是看到一些表达式来计算原始高斯光束通过角锥镜等，聚焦成贝塞尔光束的有效长度与直径，暂时（20210112）没自己尝试计算过，也没找到其他人计算这个能量密度的量化单位，根据常识经验等，估计应该是个“体积值”，就是W/cm^3与J/cm^3之类的。暂时没看到相关的介绍，各位大佬若有看到，我想学习一下。

后续或许大概有时间会出一个专门的题目来聊一聊贝塞尔光束的，待我了解更深以后。

20210112

增加一些概念，在实际的激光应用中，激光作用材料实际上主要可根据吸收机制大体上分为三大类别，分别为金属、半导体和电介质。对于激光与材料相互作用的空间交互关系来讲，主要分为两大类：

1、光很难穿透材料，如激光对金属加工，根据朗伯比尔定律计算材料的吸收深度，对于金属来讲往往是处于nm量级的厚度的，如1064对金属铝，大约8-10nm，对铜，可能在超快情况下发生热电子侵彻导致吸收深度有一定的加深，暂时记不住参数就不量化说明了，但大体上，是可以根据光斑大小（40um-10mm范围）和吸收深度（10nm-100nm量级）的比例，可将其简化为面热源等，故可以以功率密度W/cm^2来应用。

2、对于半导体和电介质，如若表面光滑，激光穿入材料相互作用，有时候是可以做面热源等的降维度简化，但有时候是不可以的，这时候就还需要将体的功率密度W/cm^3这样类似的概念拿出来用的。

但变成体的作用，那样具体分析就比较棘手，相对难以量化。

20210831