كثافة القدرة وكثافة الطاقة لليزر

كثافة القدرة وكثافة الطاقة لليزر

الكثافة كمية فيزيائية مألوفة لدينا في حياتنا اليومية، وأكثرها شيوعًا هي كثافة المادة، وتُحسب بالصيغة ρ = m/v، أي أن الكثافة تساوي الكتلة مقسومة على الحجم. لكن كثافة القدرة وكثافة الطاقة في الليزر تختلفان، حيث تُقسم الكثافة هنا على المساحة بدلًا من الحجم. كما أن القدرة كمية فيزيائية نتعامل معها بكثرة، فنحن نستخدم الكهرباء يوميًا، والكهرباء تتضمن القدرة. وحدة قياس القدرة عالميًا هي الواط (W)، أي جول/ثانية (J/s). أما كثافة الطاقة فهي نسبة الطاقة إلى وحدة الزمن، ووحدة قياس الطاقة عالميًا هي الجول (J). لذا، فإن كثافة القدرة هي مفهوم يجمع بين القدرة والكثافة، ولكنها هنا تُقاس بمساحة بقعة الإشعاع بدلًا من الحجم. تُحسب كثافة القدرة بقسمة القدرة على مساحة بقعة الإشعاع، ووحدتها هي واط/متر مربع (W/m²).مجال الليزرنظرًا لصغر مساحة بقعة إشعاع الليزر، يُستخدم عادةً واط/سم² كوحدة قياس. تُفصل كثافة الطاقة عن مفهوم الزمن، بدمج الطاقة والكثافة، ووحدتها جول/سم². عادةً ما تُوصف الليزرات المستمرة باستخدام كثافة القدرة، بينماالليزر النبضييتم وصفها باستخدام كل من كثافة القدرة وكثافة الطاقة.

عند تشغيل الليزر، تحدد كثافة الطاقة عادةً ما إذا كان قد تم بلوغ عتبة التدمير أو الاستئصال أو غيرها من التأثيرات على المواد. وتُعدّ العتبة مفهومًا شائعًا عند دراسة تفاعل الليزر مع المادة. في دراسة تفاعل الليزر مع المواد، سواءً كان نبضًا قصيرًا (يُمكن اعتباره مرحلة الميكروثانية)، أو نبضًا فائق القصر (يُمكن اعتباره مرحلة النانوثانية)، أو حتى نبضًا فائق السرعة (مرحلتي البيكوثانية والفيمتوثانية)، اعتمد الباحثون الأوائل مفهوم كثافة الطاقة. ويمثل هذا المفهوم، على مستوى التفاعل، الطاقة المؤثرة على الهدف لكل وحدة مساحة، وفي حالة ليزر من نفس المستوى، تكتسب هذه المناقشة أهمية بالغة.

يوجد أيضًا حدٌّ أقصى لكثافة طاقة حقن النبضة الواحدة، مما يزيد من تعقيد دراسة تفاعل الليزر مع المادة. ومع ذلك، فإنّ المعدات التجريبية الحديثة تتغير باستمرار، وتتغير معها معايير عديدة كعرض النبضة، وطاقة النبضة الواحدة، وتردد التكرار، وغيرها. بل إنّ قياس كثافة الطاقة قد يكون غير دقيق، إذ يتطلب مراعاة تقلبات طاقة النبضة عند قياسها. عمومًا، يمكن اعتبار كثافة الطاقة مقسومةً على عرض النبضة متوسط ​​كثافة الطاقة مع الزمن (مع ملاحظة أنّها تُقاس مع الزمن، لا مع المكان). لكن من الواضح أنّ شكل موجة الليزر الفعلي قد لا يكون مستطيلًا أو مربعًا أو حتى على شكل جرس أو غاوسي، بل إنّ بعض أشكالها يتحدد بخصائص الليزر نفسه، ما يجعلها أكثر تنوعًا.

يُحدد عرض النبضة عادةً بعرض نصف الارتفاع الذي يوفره راسم الإشارة (عرض نصف الارتفاع الكامل للذروة FWHM)، مما يدفعنا إلى حساب قيمة كثافة القدرة من كثافة الطاقة، وهي قيمة عالية. يُفضل حساب نصف الارتفاع والعرض بدقة أكبر من خلال التكامل بينهما. لم يُجرَ بحثٌ مُفصّل حول وجود معيار دقيق ذي صلة لمعرفة ذلك. بالنسبة لكثافة القدرة نفسها، عند إجراء الحسابات، يُمكن عادةً استخدام طاقة نبضة واحدة لحساب متوسط ​​القدرة المكانية، ثم ضربها في 2 للحصول على ذروة القدرة المكانية (يُمكن تطبيق هذا على التوزيع المكاني الغاوسي، بينما لا يتطلب التوزيع القبعي العلوي ذلك)، ثم ضرب الناتج في تعبير التوزيع القطري. وبذلك تكون قد انتهيت.