Pulsenergie van lasers

De pulsenergie van een laser verwijst naar de energie die per tijdseenheid door een laserpuls wordt uitgezonden. Lasers kunnen doorgaans continue golven (CW) of gepulseerde golven uitzenden. Gepulseerde golven zijn met name belangrijk in veel toepassingen, zoals materiaalbewerking, teledetectie, medische apparatuur en wetenschappelijk onderzoek. Inzicht in de kenmerken van laserpulsenergie is cruciaal voor het optimaliseren van de prestaties en het verbeteren van de efficiëntie van de toepassing.

1. Definitie en meting van pulsenergie

Laserpulsenergie is de energie die vrijkomt bij elke laserpuls, meestal gemeten in joules (J). In tegenstelling tot continue golf (CW) lasers, geven gepulseerde lasers energie af in een korte tijdsperiode, en de hoeveelheid energie is doorgaans gerelateerd aan de pulsduur (pulsbreedte) en het piekvermogen.

De pulsenergie kan worden berekend met de volgende formule: E = Ppeak × τ. Hierbij is E de pulsenergie (joule), Ppeak het piekvermogen van de puls (watt) en τ de pulsduur (seconden). Dit betekent dat de pulsenergie rechtstreeks verband houdt met zowel het piekvermogen als de pulsbreedte.

2. Factoren die de pulsenergie beïnvloeden

De pulsenergie van een laser wordt door verschillende factoren beïnvloed, waaronder:

①Laserontwerp en -type:
Verschillende soorten lasers beïnvloeden de grootte van de pulsenergie. Zo leveren solid-state lasers 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 in een bepaalde tijd, wat een hogere pulsenergie mogelijk maakt. De pulsbreedte in gepulste lasers is doorgaans instelbaar tussen nanoseconden en picoseconden, waarbij korte pulsen veelvuldig worden gebruikt in zeer nauwkeurige toepassingen vanwege hun hoge piekvermogen.

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

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

⑤Laseraandrijving stroomsterkte:
De stroomsterkte van de laserdiode of het lasersysteem is een cruciale factor die het uitgangsvermogen en de pulsenergie beïnvloedt. Door de stroomsterkte aan te passen, kan de excitatietoestand van de laser worden gewijzigd, wat vervolgens de pulsenergie beïnvloedt.

3. Toepassingen van laserpulsenergie

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

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

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

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

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

4. Methoden om de pulsenergie te verhogen

Gangbare methoden om de energie van laserpulsen te verhogen zijn onder andere:

①Optimalisatie van het medium:
Door een geschikt versterkingsmedium te kiezen en het ontwerp van de laserholte te optimaliseren, kan de uitgangsenergie van de laser worden verhoogd.

②Laserversterking in meerdere fasen:
Meertrapsversterkers kunnen de pulsenergie van de laser geleidelijk verhogen om aan de eisen van verschillende toepassingen te voldoen.

③Het verhogen van de aandrijfstroom of pulsbreedte:
Door de aandrijfstroom of de pulsbreedte van de laser aan te passen, kan een hogere pulsenergie worden verkregen.

④Pulscompressietechnologie:
Door gebruik te maken 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

De energie van laserpulsen is een cruciale parameter die de prestaties en toepassingen van lasers in diverse sectoren direct beïnvloedt. Dankzij de voortdurende vooruitgang in lasertechnologie zullen gepulste lasers steeds bredere toepassingen vinden in vele industrieën. Van precisiebewerking tot teledetectie en medische behandelingen: de hoge energieopbrengst van gepulste lasers opent nieuwe mogelijkheden. Inzicht in de basisprincipes van pulsenergie en de factoren die deze beïnvloeden, kan helpen bij het maken van meer wetenschappelijke keuzes bij het ontwerpen en toepassen van lasersystemen.