Jak určit energii v laserovém paprsku: Komplexní průvodce

by

Laserové paprsky se používají v různých oblastech, včetně vědeckého výzkumu, lékařských postupů a průmyslových aplikací. Pochopení energie v laserovém paprsku je zásadní pro optimalizaci jeho výkonu a zajištění požadovaných výsledků. V tomto příspěvku na blogu prozkoumáme, jak určit energii v laserovém paprsku, probereme faktory, které ovlivňují výkon laseru, výpočty laserové energie a vliv tepelné energie na laserové paprsky.

Faktory určující výkon laseru

Jak určit energii v laserovém paprsku
Obrázek by Zaereth – Wikimedia Commons, Wikimedia Commons, licencováno pod CC BY-SA 4.0.

Co určuje výkon laseru?

Jak určit energii v laserovém paprsku
Obrázek by Astrojan – Wikimedia Commons, Wikimedia Commons, licencováno pod CC BY-SA 4.0.

Výkon laserového paprsku je ovlivněn několika faktory. Jedním z klíčových faktorů je médium zisku, které určuje zesílení a intenzitu laserového paprsku. Čerpací mechanismus používaný k buzení zesilovacího média je dalším zásadním faktorem při určování výkonu laseru. Navíc konstrukce a účinnost laserové dutiny hraje významnou roli ve výstupním výkonu.

Faktory, které určují hustotu výkonu laserového paprsku

Hustota výkonu se vztahuje k množství energie dodané na jednotku plochy laserového paprsku. Hustota výkonu laserového paprsku závisí na průměru paprsku a celkovém výkonu, který nese. Se zmenšujícím se průměrem paprsku se zvyšuje hustota výkonu, což má za následek intenzivnější laserový paprsek. Kvalita laserového paprsku, charakterizovaná faktory, jako je divergence paprsku a struktura režimu, také ovlivňuje jeho hustotu výkonu.

Role energie laserového paprsku při určování výkonu

Energie v laserovém paprsku úzce souvisí s jeho výkonem. Výkon laseru je rychlost, kterou je energie dodávána, zatímco energie laseru se týká celkového množství energie obsažené v laserovém pulzu nebo paprsku. Pro přesné určení výkonu laserového paprsku je nezbytné změřit a vypočítat jeho energii.

Výpočet energie laseru

Jak vypočítat výkon laseru

Výkon laseru lze vypočítat pomocí vzorce:

P = \frac{E}{t}

Kde:
- P je výkon laseru ve wattech (W)
- E je energie v joulech (J)
- t je čas v sekundách (s)

Změřením výkonu laserového pulsu a jeho vydělením dobou trvání pulsu můžeme určit výkon laseru.

Jak vypočítat intenzitu laserového paprsku

Intenzita laserového paprsku popisuje jeho výkon na jednotku plochy. Lze jej vypočítat pomocí rovnice:

I = \frac{P}{A}

Kde:
- I je intenzita ve wattech na metr čtvereční (W/m^2)
- P je výkon laseru ve wattech (W)
- A je plocha průřezu laserového paprsku v metrech čtverečních (m^2)

Vydělením výkonu laseru plochou paprsku získáme intenzitu laserového paprsku.

Jak vypočítat fotony v laserovém pulzu

Energii laserového pulsu lze také vyjádřit počtem fotonů, které obsahuje. Počet fotonů lze vypočítat pomocí rovnice:

N = \frac{E}{E_{photon}}

Kde:
- N je počet fotonů
- E je energie v joulech (J)
- E_{foton} je energie jednoho fotonu v joulech (J)

Vydělením celkové energie energií jednoho fotonu můžeme určit počet fotonů v laserovém pulzu.

Vzorec laserové energie: Praktický přístup

energie v laserovém paprsku 2

Pro výpočet energie laseru pomocí praktických jednotek můžeme použít vzorec:

E = \frac{P}{f}

Kde:
- E je energie laseru v joulech (J)
- P je výkon laseru ve wattech (W)
- f je rychlost opakování laserových pulzů v hertzech (Hz)

Tento vzorec nám umožňuje určit energii na puls vydělením výkonu laseru opakovací frekvencí.

Vypracované příklady: Výpočet energetické hladiny z vlnové délky

Uvažujme příklad pro ilustraci, jak vypočítat energetickou hladinu laserového paprsku při dané vlnové délce. Předpokládejme, že máme laser s vlnovou délkou 532 nm (nanometrů) a výkonem 100 mW (miliwatty) pracující s opakovací frekvencí 10 kHz (kilohertz).

Nejprve musíme převést výkon na watty:

P = 100 \krát 10^{-3} = 0.1 W

Dále vypočítáme energii na pulz pomocí vzorce energie laseru:

E = \frac{P}{f} = \frac{0.1}{10,000 10} = 10 \krát 6^{-10} J = XNUMX \mu J

Energie na jeden pulz laserového paprsku je tedy 10 mikrojoulů.

Tepelná energie v laserových paprskech

Jak vypočítat uvolněnou tepelnou energii

Když laserový paprsek interaguje s materiálem, může generovat tepelnou energii. Množství uvolněné tepelné energie závisí na absorpčních vlastnostech materiálu a výkonu laserového paprsku. Pro výpočet uvolněné tepelné energie můžeme použít rovnici:

E_{tepelný} = P \krát t

Kde:
- E_{termální} je tepelná energie v joulech (J)
- P je výkon laseru ve wattech (W)
- t je doba interakce v sekundách (s)

Vynásobením výkonu laseru dobou interakce získáme uvolněnou tepelnou energii.

Jak určit tepelnou energii objektu

Pro určení tepelné energie předmětu zahřátého laserovým paprskem uvažujeme jeho měrnou tepelnou kapacitu a změnu teploty. Tepelnou energii lze vypočítat pomocí rovnice:

E_{termální} = m \times c \times \Delta T

Kde:
- E_{termální} je tepelná energie v joulech (J)
- m je hmotnost předmětu v kilogramech (kg)
- c je měrná tepelná kapacita materiálu v joulech na kilogram na stupeň Celsia (J/kg·°C)
- \Delta T je změna teploty ve stupních Celsia (°C)

Vynásobením hmotnosti, měrné tepelné kapacity a změny teploty můžeme určit tepelnou energii objektu.

Vliv tepelné energie na energii laserového paprsku

energie v laserovém paprsku 1

Přítomnost tepelné energie v laserovém paprsku může ovlivnit jeho celkovou energii a výkon. Nadměrná tepelná energie může vést k tepelným výkvětům, zkreslení paprsku a snížené kvalitě paprsku. Pro udržení požadovaných charakteristik a výkonu laserového paprsku je zásadní řídit tepelné efekty, jako je rozptyl tepla a chlazení.

Stanovení energie v laserovém paprsku je nezbytné pro různé aplikace. Pochopením faktorů, které určují výkon laseru, výpočtem energie laseru pomocí příslušných vzorců a zvážením vlivu tepelné energie můžeme optimalizovat výkon laserového paprsku a zajistit přesné výsledky. Nezapomeňte vždy zvážit bezpečnostní opatření při práci s laserovými paprsky a konzultovat s příslušnými odborníky hloubkovou analýzu a měření.

Numerické úlohy, jak určit energii v laserovém paprsku

1 problém:

energie v laserovém paprsku 3

Laserový paprsek má výkon 5 wattů a je vyzařován po dobu 2 sekund. Určete energii v laserovém paprsku.

Řešení:

Energii v laserovém paprsku lze určit pomocí vzorce:

E = P \krát t

kde:
- E je energie v laserovém paprsku,
- P je výkon laserového paprsku a
- t je doba trvání emise.

Dosazením zadaných hodnot do vzorce máme:

E = 5 \krát 2 = 10 \, \text{Joules}

Proto je energie v laserovém paprsku 10 Joulů.

2 problém:

Laserový paprsek o energii 50 milijoulů je emitován po dobu 0.1 sekundy. Určete výkon laserového paprsku.

Řešení:

Výkon laserového paprsku lze určit pomocí vzorce:

P = \frac{E}{t}

kde:
- P je síla laserového paprsku,
- E je energie v laserovém paprsku a
- t je doba trvání emise.

Dosazením zadaných hodnot do vzorce máme:

P = \frac{50 \krát 10^{-3}}{0.1} = 0.5 \, \text{watts}

Proto je výkon laserového paprsku 0.5 wattu.

3 problém:

Laserový paprsek o vlnové délce 500 nanometrů (nm) má výkon 2 watty. Určete energii na foton v laserovém paprsku.

Řešení:

Energii na foton v laserovém paprsku lze určit pomocí vzorce:

E = \frac{hc}{\lambda}

kde:
- E je energie na foton,
- h je Planckova konstanta \( 6.63 \krát 10^{-34} joule sekund),
- c je rychlost světla \( 2.998 \krát 10^{8} metrů za sekundu) a
- \ lambda je vlnová délka laserového paprsku.

Dosazením zadaných hodnot do vzorce máme:

E = \frac{(6.63 \krát 10^{-34})(2.998 \krát 10^{8})}{500 \krát 10^{-9}} = 3.9876 \krát 10^{-19} \, \text{joules}

Energie na foton v laserovém paprsku je tedy 3.9876 \krát 10^{-19} jouly.

Také čtení: