光学强度 Optical intensity

2022-11-16 14:23:54 浏览:322

定义

单位面积光功率。

术语光学强度(或只是强度)在光学物理和技术中很常见,但它有些问题,因为它的使用含义大不相同。 人们可以建议仅以非定量方式使用光学强度,并且仅使用明确定义的辐射量(如辐射强度和辐照度)作为定量参考。 但是,我们必须以不同的方式处理使用该术语的文献,如以下各节所述。 当然,对于定量参考,重要的是要清楚地指出使用强度的含义。

强度的非定量和不准确含义

术语强度通常以非定量的方式使用。 例如,这样的陈述可以是“高强度激光束用于激光材料加工”——就像“今天的太阳非常明亮”一样。 在这种情况下,没有指定实际数值。 这种非定量陈述很少造成误解的风险。

在其他情况下,强度应该是定量测量,但使用方式非常不准确。 有时,实际含义是例如光功率,辐照度或辐射强度 - 这些是非常不同的量的例子,不应混淆。 应避免使用该术语的这种使用,但在某些情况下,它们仍然非常普遍。 一个例子是,激光的强度噪声通常是指其光功率的噪声(波动),而不是例如其光束轮廓内的辐照度。

光学物理强度

在光学物理学中,激光束在某个位置的强度I通常被理解为每单位面积的光功率,该光功率通过垂直于传播方向的想象表面传输。 光强度(或光强度)的单位是W/m2或(更常见的)W/cm2 。强度是光子能量和光子通量的乘积。 它有时被称为光能通量。

对于单色传播波,例如平面波或高斯光束,局部强度与电场的振幅E有关,通过

这里vp是相速度,c是光的真空速度,n是折射率。 对于非单色波,如果节拍音符不感兴趣,可以简单地添加不同光谱分量的强度贡献。

光学强度和功率通常被理解为在至少一个振荡周期内取平均值的量。 换句话说,它们不被认为是在光学振荡的时间尺度上振荡的。

请注意,上述方程不适用于任意电磁场。 例如,倏逝波可能具有有限的电振幅,同时不传输任何功率。 然后,强度应定义为Poynting矢量的大小。

当表面接收到光时,光学强度会产生辐照度,辐照度是强度乘以相对于法线方向的角度的余弦。

在激光技术中,人们经常假设强度的含义与光学物理学相同。 对于具有平顶强度分布的激光束(即,在某些区域具有恒定的强度,而外部强度为零),强度只是光功率P除以光束面积。 对于光功率为 P 和高斯光束半径w 的高斯光束,峰值强度(在光束轴上)为

这比通常假设的要高出两倍。 该方程可以通过对整个光束区域的强度进行积分来验证,这必须产生总功率。

在激发高阶横向谐振器模式的激光器中产生的多模激光束中,随着模式的相对光学相位随时间变化,横向强度分布的形状会发生显着变化。 然后,峰值强度可能会发生变化,并且可能出现在距光束轴一定距离的位置。

光学物理学中使用的光学强度与各种情况相关:

  • 结合跃迁横截面,强度控制着光跃迁的速率,例如在激光增益介质中。 当强度超过饱和强度时,稳态下光跃迁的强烈饱和度就会发生。
  • 透明介质中通过克尔效应的折射率变化是非线性折射率乘以局部强度。
  • 激光诱导的介质损伤可能发生在强度超过一定损伤阈值时,但通常只能通过光脉冲达到,然后取决于脉冲持续时间。
  • 放大的超短脉冲可以实现极高的峰值强度。 强度为 1014宽/厘米2或更高的气体,可能发生高谐波产生。
  • 入射到表面上的光的辐射压力与光学强度成正比。

光束轮廓仪可用于测量激光束强度轮廓的形状。

辐射测量的强度

每单位面积或每单位立体角的辐射通量 - 这个细节有很大的不同!

在辐射测量中,辐射强度被理解为每单位立体角的辐射通量(或辐射功率),其单位为 W/sr(瓦特/球面度)。 这个含义显然与光学物理学中的强度完全不同。 它通常与点源的近似一起使用,即,用于远大于光源空间延伸的观测距离,其中波前近似为球形。

在距离辐射强度为 I 的光源d处,法线方向朝向光源的区域单元接收辐照度 E = I / d2

光检测和表征

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