光强

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定义:单位面积的光功率。

激光光束的光强I,是单位面积的光功率,这时假设光束穿过一个与传播方向垂直的假想的平面。光强的单位为W/m2或W/cm2。光强是光子能量与光通量的乘积。

对于单色光波,例如平面波或者高斯光束,强度与电场振幅之间的关系为:

Gzgqgs01.png

其中vp为相速度,c为真空光速,n是折射率。在不考虑拍音的情况下,非单色光波的强度分布是不同空间成分的简单相加。

以上方程并不是对于任意电磁场都成立。例如,衰逝场具有有限的电场振幅但是不能传输任何能量。因此需要将光强定义为坡印廷矢量的幅值。

如果激光光束的强度截面为平顶形状(即在某一区域强度为常数,其它地方强度为0),那么强度就是总功率除以光束面积。对于高斯光束,如果功率为P,光束半径为w,那么峰值强度为:

Gzgqgs02.png

是常采用的值的两倍。将该方程对整个光束面积积分就得到总功率。

激光器中的高阶横向谐振腔模式被激发后,得到多模激光光束,由于各模式间的相对相位是随时间变化的,因此强度的横截面也会发生变化。这时峰值强度可能位于离光束轴一段距离的位置。

强度通常用到一些非定量的不精确的地方,与光功率没有严格的区分。例如,强度噪声通常是指光功率的噪声(涨落)。

在下列情况下需要考虑光强:

  1. 在激光器增益介质中,光强与跃迁截面决定了光跃迁的速率。当强度大于饱和强度时,稳态的光跃迁过程会发生饱和效应。
  2. 透明介质的克尔效应引起的折射率变化等于非线性系数乘以光强度。
  3. 当强度大于损伤阈值时,会发生介质的光学损伤,一般只由光脉冲产生,并且与脉冲长度有关。
  4. 放大的超短脉冲可以达到非常高的峰值强度。当气体中的强度为甚至更高时,会产生高次谐波。

光束质量分析仪可以用来测量激光光束强度截面的形状。

参阅:高斯光束,激光光束,亮度,强度噪声 分类:基础光学