Енергія імпульсу лазера – це енергія, що передається лазерним імпульсом за одиницю часу. Як правило, лазери можуть випромінювати безперервні хвилі (CW) або імпульсні хвилі, причому останні особливо важливі в багатьох застосуваннях, таких як обробка матеріалів, дистанційне зондування, медичне обладнання та наукові дослідження. Розуміння характеристик енергії лазерного імпульсу має вирішальне значення для оптимізації його продуктивності та підвищення ефективності застосування.
1. Визначення та вимірювання енергії імпульсу
Енергія лазерного імпульсу – це енергія, що вивільняється кожним лазерним імпульсом, зазвичай вимірюється в джоулях (Дж). На відміну від лазерів безперервної хвилі (CW), імпульсні лазери вивільняють енергію за короткий проміжок часу, а величина енергії зазвичай пов'язана з тривалістю імпульсу (шириною імпульсу) та піковою потужністю.
Енергію імпульсу можна розрахувати за такою формулою: E = Ppeak × τ. Де E – енергія імпульсу (джоулі), Ppeak – пікова потужність імпульсу (вати), а τ – тривалість імпульсу (секунди). Це означає, що енергія імпульсу безпосередньо пов'язана як з піковою потужністю, так і з шириною імпульсу.
2. Фактори, що впливають на енергію імпульсу
На енергію лазерного імпульсу впливає кілька факторів, зокрема:
①Конструкція та тип лазера:
Різні типи лазерів впливають на величину енергії імпульсу. Наприклад, твердотільні лазери зазвичай пропонують вищу енергію імпульсу, що підходить для застосувань, що потребують високої вихідної потужності. Волоконні лазери, з іншого боку, можуть генерувати імпульси з вищою потужністю, регулюючи свою довжину хвилі.
②Тривалість імпульсу (ширина імпульсу):
Чим коротша тривалість імпульсу, тим вища пікова потужність за заданий час, що дозволяє отримати вищу енергію імпульсу. Тривалість імпульсів в імпульсних лазерах зазвичай регулюється в межах від наносекунд до пікосекунд, причому короткі імпульси широко використовуються у високоточних застосуваннях завдяки їхній високій піковій потужності.
③Потужність лазера та ефективність перетворення енергії:
Ефективність лазера безпосередньо визначає вихідну енергію. Деякі лазерні системи можуть підвищити ефективність перетворення, оптимізуючи конструкцію підсилюючого середовища або лазерного резонатора, тим самим збільшуючи енергію імпульсу.
④Лазерні підсилювачі:
У багатьох потужних лазерних системах для збільшення вихідної енергії використовуються підсилювачі. Завдяки багатоступеневому посиленню енергію імпульсу можна значно збільшити.
⑤Струм лазерного приводу:
Струм збудження лазерного діода або лазерної системи є ключовим фактором, що впливає на його вихідну потужність та енергію імпульсу. Регулюючи струм, можна змінювати стан збудження лазера, впливаючи таким чином на вихідну енергію імпульсу.
3. Застосування енергії лазерного імпульсу
Розмір енергії лазерного імпульсу визначає його придатність для різних галузей. Деякі типові застосування включають:
①Обробка матеріалів:
У лазерному зварюванні, різанні та гравіруванні енергію імпульсів можна точно контролювати для досягнення ефективної та високоточної обробки. Вища енергія імпульсів підходить для обробки металевих матеріалів, тоді як імпульси з низькою енергією використовуються для тонкої обробки поверхонь.
②Медичне застосування:
Імпульсні лазери широко використовуються в медицині, особливо для лазерних операцій, лікування шкіри та офтальмологічного лікування. Наприклад, імпульсні лазери з вищою енергією можуть фокусувати лазерну енергію певних довжин хвиль на невеликих ділянках для абляції уражених тканин або лікування захворювань очей.
③Лідар та дистанційне зондування:
Технологія LiDAR використовує лазери високої імпульсної енергії для точного визначення відстані та зображення. У моніторингу навколишнього середовища, автономному водінні та спостереженні за допомогою дронами розмір енергії імпульсу безпосередньо впливає на дальність виявлення та роздільну здатність системи LiDAR.
④Наукові дослідження:
Імпульсні лазери також відіграють важливу роль в експериментах з фізики, хімії та біології. Завдяки точному контролю енергії імпульсу вчені можуть проводити високоточну лазерно-індуковану спектроскопію, дослідження прискорення частинок та лазерного охолодження.
4. Методи збільшення енергії імпульсу
Поширені методи збільшення енергії лазерного імпульсу включають:
①Оптимізація середовища посилення:
Вибравши відповідне середовище підсилення та оптимізувавши конструкцію лазерного резонатора, можна збільшити вихідну енергію лазера.
②Багатоступеневе лазерне посилення:
Багатокаскадні підсилювачі можуть поступово збільшувати енергію імпульсу лазера, щоб задовольнити вимоги різних застосувань.
③Збільшення струму керування або ширини імпульсу:
Регулювання струму збудження лазера або ширини імпульсу може призвести до збільшення енергії імпульсу.
④Технологія імпульсного стиснення:
Використовуючи методи стиснення імпульсів, тривалість імпульсу можна скоротити, збільшуючи його пікову потужність та вивільняючи більше енергії за коротший час.
5. Висновок
Енергія лазерного імпульсу є ключовим параметром, який безпосередньо впливає на продуктивність та застосування лазерів у різних галузях. З постійним розвитком лазерних технологій імпульсні лазери матимуть ширше застосування в багатьох галузях промисловості. Від прецизійної обробки до дистанційного зондування та медичного лікування, висока вихідна енергія імпульсних лазерів відкриває нові можливості. Розуміння основних концепцій імпульсної енергії та факторів, що на неї впливають, може допомогти приймати більш наукові рішення під час проектування та застосування лазерних систем.
Час публікації: 11 лютого 2025 р.