레이저의 출력 밀도 및 에너지 밀도
밀도는 우리 일상생활에서 매우 친숙한 물리량입니다. 우리가 가장 많이 접하는 밀도는 물질의 밀도이며, 공식은 ρ=m/v, 즉 질량을 부피로 나눈 값입니다. 하지만 레이저의 출력 밀도와 에너지 밀도는 다릅니다. 출력 밀도는 부피가 아닌 면적으로 나눈 값입니다. 출력 또한 우리가 일상생활에서 매일 사용하는 물리량이므로, 전기는 에너지를 수반합니다. 출력의 국제 표준 단위는 W이며, 이는 에너지와 시간의 비율로 나타낸 J/s입니다. 에너지의 국제 표준 단위는 J입니다. 따라서 출력 밀도는 출력과 밀도를 결합한 개념이지만, 부피가 아닌 조사 면적을 기준으로 합니다. 즉, 출력을 출력 면적으로 나눈 값이며, 단위는 W/m²입니다.레이저 필드레이저 조사 영역이 매우 작기 때문에 일반적으로 W/cm²를 단위로 사용합니다. 에너지 밀도는 시간 개념에서 분리되어 에너지와 밀도를 결합한 개념으로, 단위는 J/cm²입니다. 일반적으로 연속 레이저는 출력 밀도를 사용하여 설명합니다.펄스 레이저전력 밀도와 에너지 밀도를 모두 사용하여 설명합니다.
레이저가 작용할 때, 출력 밀도는 일반적으로 물질을 파괴하거나, 삭마하거나, 기타 작용을 일으키는 임계값에 도달하는지 여부를 결정합니다. 임계값은 레이저와 물질의 상호작용을 연구할 때 자주 등장하는 개념입니다. 단펄스(마이크로초 단위), 초단펄스(나노초 단위), 심지어 초고속(피코초 및 펨토초 단위) 레이저의 물질 상호작용 연구에서 초기 연구자들은 주로 에너지 밀도 개념을 채택했습니다. 상호작용 수준에서 이 개념은 단위 면적당 표적에 작용하는 에너지를 나타내며, 동일한 수준의 레이저의 경우 이 논의는 더욱 중요합니다.
단일 펄스 주입의 에너지 밀도에는 임계값이 존재하며, 이는 레이저-물질 상호작용 연구를 더욱 복잡하게 만듭니다. 그러나 오늘날 실험 장비는 끊임없이 변화하고 있으며, 펄스 폭, 단일 펄스 에너지, 반복 주파수 등 다양한 매개변수가 지속적으로 변하고 있습니다. 심지어 레이저의 실제 펄스 에너지 출력 변동을 고려하여 에너지 밀도를 측정하는 것은 정확도가 떨어질 수 있습니다. 일반적으로 에너지 밀도를 펄스 폭으로 나누면 시간 평균 전력 밀도(공간이 아닌 시간에 대한 값임)로 대략적으로 간주할 수 있습니다. 하지만 실제 레이저 파형은 직사각형, 사각파, 종형 또는 가우스파 형태가 아닐 수 있으며, 레이저 자체의 특성에 따라 다양한 형태를 띨 수 있다는 점을 명심해야 합니다.
펄스 폭은 일반적으로 오실로스코프에서 제공하는 반치폭(FWHM, Full Peak Half-Wide)으로 주어지는데, 이로 인해 에너지 밀도로부터 전력 밀도 값을 계산하게 되어 실제 값보다 높게 나타납니다. 보다 적절한 반치폭과 반치폭은 적분법을 이용하여 계산해야 합니다. 관련 표준이 존재하는지에 대한 자세한 연구는 아직 이루어지지 않았습니다. 전력 밀도 자체를 계산할 때는 일반적으로 단일 펄스 에너지를 사용하여 단일 펄스 에너지/펄스 폭/스팟 면적(공간 평균 전력)을 계산한 다음, 이를 2로 곱하여 공간 피크 전력을 구합니다(공간 분포가 가우스 분포인 경우, 탑햇 분포는 필요하지 않습니다). 마지막으로 방사형 분포식을 곱하면 계산이 완료됩니다.
게시 시간: 2024년 6월 12일