Densité de puissance et densité d'énergie du laser

Densité de puissance et densité d'énergie du laser

La densité est une grandeur physique qui nous est très familière au quotidien. La densité que nous rencontrons le plus souvent est celle des matériaux, dont la formule est ρ = m/v, c'est-à-dire la masse divisée par le volume. Cependant, la densité de puissance et la densité d'énergie d'un laser sont différentes, car elles sont rapportées à la surface et non au volume. La puissance est également une grandeur physique que nous côtoyons fréquemment, puisque nous utilisons l'électricité tous les jours. L'électricité implique de la puissance, dont l'unité internationale est le watt (W). Le joule par seconde (J/s) est le rapport entre l'énergie et le temps, et l'unité internationale d'énergie est le joule (J). La densité de puissance est donc un concept combinant puissance et densité, mais ici, elle s'applique à la surface d'irradiation du faisceau et non au volume. La puissance divisée par la surface du faisceau d'émission donne la densité de puissance, soit le watt par mètre carré (W/m²).champ laserDu fait de la petite taille du spot d'irradiation laser, on utilise généralement le W/cm² comme unité de mesure. La densité d'énergie est dissociée du temps, combinant énergie et densité, et son unité est le J/cm². Les lasers continus sont généralement décrits en termes de densité de puissance.lasers pulséssont décrites à l'aide de la densité de puissance et de la densité d'énergie.

Lorsqu'un laser est actif, la densité de puissance détermine généralement si le seuil de destruction, d'ablation ou d'autres interactions avec les matériaux est atteint. La notion de seuil est fréquemment évoquée dans l'étude de l'interaction des lasers avec la matière. Pour l'étude de l'interaction des matériaux avec des lasers à impulsions courtes (de l'ordre de la microseconde), ultracourtes (de l'ordre de la nanoseconde) et même ultrarapides (de l'ordre de la picoseconde et de la femtoseconde), les premiers chercheurs ont généralement adopté le concept de densité d'énergie. Ce concept, à l'échelle de l'interaction, représente l'énergie agissant sur la cible par unité de surface. Dans le cas d'un laser de même puissance, cette notion prend une importance particulière.

Il existe également un seuil pour la densité d'énergie d'une injection par impulsion unique. Ceci complexifie l'étude de l'interaction laser-matière. Cependant, les équipements expérimentaux actuels évoluent constamment, et divers paramètres tels que la largeur d'impulsion, l'énergie d'une impulsion unique et la fréquence de répétition varient sans cesse. De plus, la mesure de la densité d'énergie, qui nécessite de prendre en compte les fluctuations réelles de l'énergie de l'impulsion laser, peut s'avérer trop approximative. On peut généralement considérer que le rapport entre la densité d'énergie et la largeur d'impulsion correspond à la densité de puissance moyenne temporelle (à noter qu'il s'agit de la densité d'énergie dans le temps, et non dans l'espace). Toutefois, il est évident que la forme d'onde réelle du laser peut ne pas être rectangulaire, carrée, ni même en cloche ou gaussienne ; elle est en partie déterminée par les propriétés intrinsèques du laser.

La largeur d'impulsion est généralement donnée par la largeur à mi-hauteur (FWHM) fournie par l'oscilloscope, ce qui nous amène à calculer la densité de puissance à partir de la densité d'énergie, qui est élevée. La largeur et la hauteur d'impulsion, plus appropriées, devraient être calculées par intégration. Aucune étude approfondie n'a été menée sur l'existence d'une norme de nuance pertinente pour les déterminer. Pour le calcul de la densité de puissance elle-même, il est généralement possible d'utiliser l'énergie d'une seule impulsion : énergie d'une seule impulsion / largeur d'impulsion / surface du spot, ce qui correspond à la puissance moyenne spatiale. On multiplie ensuite cette valeur par 2 pour obtenir la puissance de crête spatiale (dans le cas d'une distribution gaussienne, ce traitement est inutile pour une distribution en chapeau). Enfin, on multiplie par une expression de distribution radiale. Le calcul est terminé.