Densidad de potencia y densidad de energía del láser

Densidad de potencia y densidad de energía del láser

La densidad es una magnitud física con la que estamos muy familiarizados en nuestra vida diaria. La densidad con la que más interactuamos es la de los materiales, cuya fórmula es ρ = m/v, es decir, la densidad es igual a la masa dividida por el volumen. Sin embargo, la densidad de potencia y la densidad de energía del láser son diferentes, ya que en este caso se dividen por el área en lugar del volumen. La potencia también está presente en muchas magnitudes físicas, dado que usamos electricidad a diario, y la electricidad implica potencia. La unidad estándar internacional de potencia es el vatio (W), que equivale a julios por segundo (J/s), la relación entre la energía y el tiempo. La unidad estándar internacional de energía es el julio (J). Por lo tanto, la densidad de potencia es el concepto que combina potencia y densidad, pero en este caso se refiere al área de irradiación del punto, no al volumen. La potencia dividida por el área del punto de salida es la densidad de potencia, cuya unidad es W/m².campo láserDebido a que el área del punto de irradiación láser es bastante pequeña, generalmente se utiliza W/cm² como unidad. La densidad de energía se separa del concepto de tiempo, combinando energía y densidad, y su unidad es J/cm². Normalmente, los láseres continuos se describen utilizando la densidad de potencia, mientras queláseres pulsadosse describen utilizando tanto la densidad de potencia como la densidad de energía.

Cuando actúa el láser, la densidad de potencia suele determinar si se alcanza el umbral para destruir, ablacionar u otros materiales. El concepto de umbral es frecuente al estudiar la interacción de los láseres con la materia. Para el estudio de la interacción de materiales con láseres de pulso corto (en la escala de los microsegundos), pulso ultracorto (en la escala de los nanosegundos) e incluso pulso ultrarrápido (en las escalas de picosegundos y femtosegundos), los primeros investigadores solían adoptar el concepto de densidad de energía. Este concepto, a nivel de interacción, representa la energía que actúa sobre el objetivo por unidad de área; en el caso de un láser del mismo nivel, esta discusión cobra mayor relevancia.

También existe un umbral para la densidad de energía de la inyección de un solo pulso. Esto complica aún más el estudio de la interacción láser-materia. Sin embargo, dado que el equipo experimental actual está en constante evolución, la duración del pulso, la energía del pulso individual, la frecuencia de repetición y otros parámetros varían continuamente. Incluso al considerar las fluctuaciones de energía de la salida real del láser durante un pulso, la medición de la densidad de energía puede resultar imprecisa. En general, se puede considerar que la densidad de energía dividida por la duración del pulso es la densidad de potencia promedio en el tiempo (nótese que se refiere al tiempo, no al espacio). No obstante, es evidente que la forma de onda real del láser puede no ser rectangular, cuadrada, ni siquiera acampanada o gaussiana, sino que está determinada por las propiedades del propio láser, presentando una forma más compleja.

El ancho de pulso generalmente viene dado por el ancho a media altura (FWHM) proporcionado por el osciloscopio, lo que nos lleva a calcular el valor de la densidad de potencia a partir de la densidad de energía, que es alta. El ancho y la altura a media altura más apropiados se calcularían mediante la integral del ancho y la altura a media altura. No se ha realizado una investigación detallada sobre si existe un estándar de precisión para conocer estos valores. Para calcular la densidad de potencia, normalmente se puede utilizar la energía de un solo pulso para calcular la potencia promedio espacial, dividiendo la energía del pulso entre el ancho del pulso y el área del punto. Esta potencia se multiplica por 2 para obtener la potencia pico espacial (si la distribución espacial es gaussiana, no es necesario aplicar este tratamiento a la distribución de sombrero plano). Finalmente, se multiplica por una expresión de distribución radial. Y listo.