Pulsenergie van lasers

De pulsenergie van een laser verwijst naar de energie die een laserpuls per tijdseenheid uitzendt. Lasers kunnen doorgaans continue golven (CW) of gepulste golven uitzenden, waarbij de laatste vooral belangrijk zijn in veel toepassingen, zoals materiaalbewerking, remote sensing, medische apparatuur en wetenschappelijk onderzoek. Inzicht in de kenmerken van laserpulsenergie is cruciaal voor het optimaliseren van de prestaties en het verbeteren van de toepassingsefficiëntie.

1. Definitie en meting van pulsenergie

Laserpulsenergie is de energie die door elke laserpuls wordt vrijgegeven, meestal gemeten in joule (J). In tegenstelling tot continugolflasers (CW) geven gepulste lasers energie af in een korte tijd, en de grootte van de energie is doorgaans gerelateerd aan de pulsduur (pulsbreedte) en het piekvermogen.

De pulsenergie kan worden berekend met behulp van de volgende formule: E = Ppeak × τ. Waarbij E de pulsenergie (joule) is, Ppeak het piekvermogen van de puls (watt) en τ de pulsduur (seconden). Dit betekent dat pulsenergie direct gerelateerd is aan zowel piekvermogen als pulsbreedte.

2. Factoren die de pulsenergie beïnvloeden

Er zijn verschillende factoren die de pulsenergie van een laser beïnvloeden, waaronder:

①Laserontwerp en -type:
Verschillende soorten lasers beïnvloeden de grootte van de pulsenergie. Zo bieden vastestoflasers doorgaans een hogere pulsenergie, geschikt voor toepassingen die een hoog vermogen vereisen. Fiberlasers daarentegen kunnen pulsen met een hoger vermogen produceren door hun golflengte aan te passen.

②Pulsduur (pulsbreedte):
Hoe korter de pulsbreedte, hoe hoger het piekvermogen binnen een bepaalde tijd, wat een hogere pulsenergie mogelijk maakt. De pulsbreedte van gepulste lasers is doorgaans instelbaar tussen nanoseconden en picoseconden, waarbij korte pulsen veel worden gebruikt in zeer nauwkeurige toepassingen vanwege hun hoge piekvermogen.

③Laservermogen en energieomzettingsrendement:
De efficiëntie van de laser bepaalt direct de energie-output. Sommige lasersystemen kunnen de conversie-efficiëntie verbeteren door het ontwerp van het versterkingsmedium of de lasercaviteit te optimaliseren, waardoor de pulsenergie toeneemt.

④Laserversterkers:
In veel lasersystemen met hoog vermogen worden versterkers gebruikt om de uitgangsenergie te verhogen. Door middel van meertrapsversterking kan de pulsenergie aanzienlijk worden verhoogd.

⑤Laser-aandrijfstroom:
De aandrijfstroom van de laserdiode of het lasersysteem is een belangrijke factor die het uitgangsvermogen en de pulsenergie beïnvloedt. Door de stroom aan te passen, kan de excitatietoestand van de laser worden gewijzigd, wat de pulsenergie-output beïnvloedt.

3. Toepassingen van laserpulsenergie

De grootte van de laserpulsenergie bepaalt de geschiktheid ervan voor verschillende vakgebieden. Enkele typische toepassingen zijn:

①Materiaalverwerking:
Bij laserlassen, -snijden en -graveren kan de pulsenergie nauwkeurig worden geregeld voor een efficiënte en uiterst precieze bewerking. Hogere pulsenergie is geschikt voor de bewerking van metalen, terwijl pulsen met lage energie worden gebruikt voor fijne oppervlaktebehandelingen.

②Medische toepassingen:
Gepulste lasers worden veel gebruikt in de medische sector, met name voor laserchirurgie, huidbehandelingen en oogheelkundige behandelingen. Gepulste lasers met een hogere energie kunnen bijvoorbeeld laserenergie van specifieke golflengtes op kleine gebieden richten om ziek weefsel te verwijderen of oogaandoeningen te behandelen.

③LiDAR en remote sensing:
LiDAR-technologie maakt gebruik van lasers met hoge pulsenergie voor nauwkeurige afstandsbepaling en beeldvorming. Bij omgevingsmonitoring, autonoom rijden en dronebewaking heeft de pulsenergie een directe invloed op de detectieafstand en resolutie van het LiDAR-systeem.

④Wetenschappelijk onderzoek:
Gepulste lasers spelen ook een belangrijke rol bij experimenten in de natuurkunde, scheikunde en biologie. Door de pulsenergie nauwkeurig te regelen, kunnen wetenschappers zeer nauwkeurige lasergeïnduceerde spectroscopie, deeltjesversnelling en laserkoeling uitvoeren.

4. Methoden om de pulsenergie te verhogen

Veelgebruikte methoden om de laserpulsenergie te verhogen zijn:

①Winstgemiddelde optimalisatie:
Door een geschikt versterkingsmedium te selecteren en het ontwerp van de laserholte te optimaliseren, kan de uitgangsenergie van de laser worden verhoogd.

②Meertraps laserversterking:
Meertrapsversterkers kunnen de pulsenergie van de laser geleidelijk verhogen om zo aan de vereisten van verschillende toepassingen te voldoen.

③Verhogen van de aandrijfstroom of pulsbreedte:
Door de aandrijfstroom of pulsbreedte van de laser aan te passen, kan de pulsenergie hoger zijn.

④Pulscompressietechnologie:
Met behulp van pulscompressietechnieken kan de duur van de puls worden verkort, waardoor het piekvermogen toeneemt en er in een kortere tijd meer energie vrijkomt.

5. Conclusie

Laserpulsenergie is een belangrijke parameter die direct van invloed is op de prestaties en toepassing van lasers in diverse sectoren. Dankzij de voortdurende vooruitgang in lasertechnologie zullen gepulste lasers bredere toepassingen vinden in vele industrieën. Van precisiebewerking tot remote sensing en medische behandelingen: de hoge energie-output van gepulste lasers opent nieuwe mogelijkheden. Inzicht in de basisconcepten van pulsenergie en de beïnvloedende factoren ervan kan helpen bij het maken van meer wetenschappelijke keuzes bij het ontwerpen en toepassen van lasersystemen.