Energia laserového impulzu sa vzťahuje na energiu prenášanú laserovým impulzom za jednotku času. Lasery môžu typicky vyžarovať kontinuálne vlny (CW) alebo pulzné vlny, pričom pulzné vlny sú obzvlášť dôležité v mnohých aplikáciách, ako je spracovanie materiálov, diaľkový prieskum Zeme, zdravotnícke zariadenia a vedecký výskum. Pochopenie charakteristík energie laserového impulzu je kľúčové pre optimalizáciu jej výkonu a zlepšenie efektívnosti aplikácie.
1. Definícia a meranie energie impulzu
Energia laserového impulzu je energia uvoľnená každým laserovým impulzom, zvyčajne meraná v jouloch (J). Na rozdiel od laserov s kontinuálnou vlnou (CW) pulzné lasery uvoľňujú energiu v krátkom čase a veľkosť energie zvyčajne súvisí s trvaním impulzu (šírkou impulzu) a špičkovým výkonom.
Energiu impulzu možno vypočítať pomocou nasledujúceho vzorca: E = Ppeak × τ. Kde E je energia impulzu (jouly), Ppeak je špičkový výkon impulzu (watty) a τ je trvanie impulzu (sekundy). To znamená, že energia impulzu priamo súvisí so špičkovým výkonom aj so šírkou impulzu.
2. Faktory ovplyvňujúce energiu impulzu
Energiu laserového impulzu ovplyvňuje niekoľko faktorov, vrátane:
①Dizajn a typ laseru:
Rôzne typy laserov ovplyvňujú veľkosť energie impulzu. Napríklad pevnolátkové lasery zvyčajne ponúkajú vyššiu energiu impulzu, vhodnú pre aplikácie vyžadujúce vysoký výstupný výkon. Vláknové lasery na druhej strane dokážu vytvárať impulzy s vyšším výkonom úpravou svojej vlnovej dĺžky.
2Trvanie impulzu (šírka impulzu):
Čím kratšia je šírka impulzu, tým vyšší je špičkový výkon v danom čase, čo umožňuje vyššiu energiu impulzu. Šírka impulzov v pulzných laseroch je zvyčajne nastaviteľná medzi nanosekundami a pikosekundami, pričom krátke impulzy sa vďaka svojmu vysokému špičkovému výkonu široko používajú vo vysoko presných aplikáciách.
③Účinnosť laserového výkonu a premeny energie:
Účinnosť laseru priamo určuje energetický výstup. Niektoré laserové systémy môžu zvýšiť účinnosť konverzie optimalizáciou návrhu zosilňovacieho média alebo laserovej dutiny, čím sa zvýši energia impulzu.
4Laserové zosilňovače:
V mnohých laserových systémoch s vysokým výkonom sa na zvýšenie výstupnej energie používajú zosilňovače. Prostredníctvom viacstupňového zosilnenia je možné výrazne zvýšiť energiu impulzu.
⑤Prúd laserového pohonu:
Budiaci prúd laserovej diódy alebo laserového systému je kľúčovým faktorom ovplyvňujúcim jeho výstupný výkon a energiu impulzu. Úpravou prúdu je možné upraviť excitačný stav laseru, a tým ovplyvniť výstupnú energiu impulzu.
3. Aplikácie energie laserových impulzov
Veľkosť energie laserového impulzu určuje jeho vhodnosť pre rôzne oblasti. Medzi typické aplikácie patria:
①Spracovanie materiálu:
Pri laserovom zváraní, rezaní a gravírovaní je možné presne regulovať energiu impulzov, aby sa dosiahlo efektívne a vysoko presné spracovanie. Vyššia energia impulzov je vhodná na spracovanie kovových materiálov, zatiaľ čo nízkoenergetické impulzy sa používajú na jemné povrchové úpravy.
2Medicínske aplikácie:
Pulzné lasery sa široko používajú v medicíne, najmä pri laserových operáciách, ošetrení pokožky a očných ošetreniach. Napríklad pulzné lasery s vyššou energiou dokážu zamerať laserovú energiu špecifických vlnových dĺžok na malé oblasti na abláciu chorého tkaniva alebo liečbu očných ochorení.
③LiDAR a diaľkový prieskum Zeme:
Technológia LiDAR sa spolieha na lasery s vysokou energiou impulzov pre presné meranie vzdialenosti a zobrazovanie. Pri monitorovaní životného prostredia, autonómnom riadení a sledovaní dronmi veľkosť energie impulzu priamo ovplyvňuje detekčnú vzdialenosť a rozlíšenie systému LiDAR.
4Vedecký výskum:
Pulzné lasery zohrávajú dôležitú úlohu aj v experimentoch vo fyzike, chémii a biológii. Presnou reguláciou energie impulzov môžu vedci vykonávať vysoko presnú laserom indukovanú spektroskopiu, výskum urýchľovania častíc a laserového chladenia.
4. Metódy na zvýšenie pulznej energie
Medzi bežné metódy na zvýšenie energie laserového impulzu patria:
①Optimalizácia stredného zisku:
Výberom vhodného zosilňovacieho média a optimalizáciou dizajnu laserovej dutiny je možné zvýšiť výstupnú energiu laseru.
2Viacstupňové laserové zosilnenie:
Viacstupňové zosilňovače môžu postupne zvyšovať energiu impulzov laseru, aby spĺňali požiadavky rôznych aplikácií.
③Zvýšenie budiacej prúdovej alebo impulznej šírky:
Úpravou budiacej sily laseru alebo šírky impulzu môže byť dosiahnutá väčšia energia impulzu.
4Technológia kompresie impulzov:
Pomocou techník kompresie impulzov je možné skrátiť trvanie impulzu, čím sa zvýši jeho špičkový výkon a uvoľní sa viac energie v kratšom čase.
5. Záver
Energia laserového impulzu je kľúčovým parametrom, ktorý priamo ovplyvňuje výkon a použitie laserov v rôznych oblastiach. Vďaka neustálemu pokroku v laserovej technológii budú mať pulzné lasery širšie uplatnenie v mnohých odvetviach. Od presného obrábania až po diaľkové snímanie a lekárske ošetrenia, vysoký energetický výstup pulzných laserov otvára nové možnosti. Pochopenie základných konceptov pulznej energie a jej ovplyvňujúcich faktorov môže pomôcť pri prijímaní vedeckejších rozhodnutí pri navrhovaní a aplikácii laserových systémov.
Čas uverejnenia: 11. februára 2025