Densidade de potência e densidade de energia do laser

Densidade de potência e densidade de energia do laser

Densidade é uma grandeza física com a qual estamos muito familiarizados em nosso dia a dia. A densidade com a qual mais interagimos é a densidade da matéria, cuja fórmula é ρ = m/v, ou seja, densidade é igual à massa dividida pelo volume. Mas a densidade de potência e a densidade de energia do laser são diferentes, pois aqui são divididas pela área em vez do volume. Potência também é uma grandeza física com a qual temos contato, já que usamos eletricidade todos os dias, e eletricidade envolve potência. A unidade padrão internacional de potência é o W, ou seja, J/s, que é a relação entre energia e tempo. A unidade padrão internacional de energia é o J. Portanto, a densidade de potência é o conceito que combina potência e densidade, mas aqui considera-se a área de irradiação do ponto focal em vez do volume. A potência dividida pela área do ponto focal de saída é a densidade de potência, ou seja, a unidade de densidade de potência é W/m².campo de laserComo a área do ponto de irradiação do laser é bastante pequena, geralmente utiliza-se W/cm² como unidade. A densidade de energia é dissociada do conceito de tempo, combinando energia e densidade, e sua unidade é J/cm². Normalmente, lasers contínuos são descritos usando densidade de potência, enquantolasers pulsadossão descritas usando tanto a densidade de potência quanto a densidade de energia.

Quando o laser atua, a densidade de potência geralmente determina se o limiar para destruir, ablacionar ou causar outros tipos de danos ao material é atingido. O limiar é um conceito que surge frequentemente no estudo da interação de lasers com a matéria. Para o estudo da interação de lasers com materiais sob pulsos curtos (que podem ser considerados na faixa de microssegundos), pulsos ultracurtos (que podem ser considerados na faixa de nanossegundos) e até mesmo pulsos ultrarrápidos (na faixa de picossegundos e femtosegundos), os primeiros pesquisadores costumavam adotar o conceito de densidade de energia. Esse conceito, no nível de interação, representa a energia que atua sobre o alvo por unidade de área; no caso de um laser de mesma potência, essa discussão ganha ainda mais relevância.

Existe também um limiar para a densidade de energia da injeção de pulso único. Isso também torna o estudo da interação laser-matéria mais complexo. No entanto, os equipamentos experimentais atuais estão em constante evolução, com variações na largura do pulso, energia do pulso único, frequência de repetição e outros parâmetros. Mesmo considerando as flutuações na energia de saída do laser durante o pulso, a medição da densidade de energia pode ser imprecisa. De forma geral, pode-se considerar que a densidade de potência média no tempo (note que estamos falando de tempo, não de espaço) é calculada dividindo-se a densidade de energia pela largura do pulso. Contudo, é evidente que a forma de onda do laser pode não ser retangular, quadrada, em forma de sino ou gaussiana, sendo determinada pelas propriedades do próprio laser, o que a torna mais complexa.

A largura do pulso é geralmente dada pela largura à meia altura (FWHM) fornecida pelo osciloscópio, o que nos leva a calcular o valor da densidade de potência a partir da densidade de energia, que é alta. O ideal seria calcular a largura e a altura à meia altura por meio de integrais. Não houve investigação detalhada sobre a existência de um padrão específico para determinar esses valores. Para o cálculo da densidade de potência em si, geralmente é possível usar a energia de um único pulso para calcular a potência média espacial, dividindo-a pela largura do pulso e pela área do ponto. Esse valor é multiplicado por 2 para obter a potência de pico espacial (se a distribuição espacial for gaussiana, não é necessário aplicar o método do "top-hat") e, em seguida, multiplicado pela expressão da distribuição radial.