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影响激光光斑大小的因素有哪些?

发布时间:2023-03-10

激光光斑尺寸对于激光的使用有着至关重要的影响。如在进行激光切λ割时,需要将一束激光聚焦在一块尽可能小的光斑上。如果需使功率密度zui大以进行精密切割,这是完全必需的。光斑大小受多种因л素的影响。其中zui重要的因素有

一、激光模式M2

激光模式是由激光器和光束传输系统决定的。M2 表示某条特定光束在传播过程中的发散速度;对于一条理想的 TEM00 激光光束而言, M2=1。这个参数是用高 级仪表测出的,激光器制造商的规格中也会提供这一参数。

二、衍射

光具有波的性质,因此不可避免地会出现衍射现象,该现象存在于所有的光学系统中,能够决定这些系统在性能方面的理论限值。衍射会使光束在传播过程中发生横向扩展。如果在对某个准直激光光束进行聚焦时使用的是一个“理想”透镜,那么光斑的大小将只受衍射作用的影响。计算衍射光斑大小的公式如下:

衍射光斑尺寸=4λM²f/πD

f 为透镜的焦距 

D为输入光束在透镜处的直径(在 1/e2 点处) 

k 是一个折射率函数 

λ 激光波长

M2激光模式

衍射产生的zui重要的影响是,它使光斑大小随焦距线性增加,但与光束的直径成反比。因此,如果某个特定透镜的输入激光光束直径增加,由于衍射变弱,光斑会变小。而且,如果对于某个特定激光光束,当焦距减小时,光斑也会变小。

三、球差

如果用一个理想透镜,对经过准直处理的同轴光线进行聚焦。所有通过光学元件轴心的光线将形成一个光斑,光斑的尺寸就只受衍射影响的。不过,许多透镜都会受到球差的影响。球差带来的后果是,与那些穿过透镜中央的光线相比,那些穿过透镜边缘的光线与光轴的交点离透镜更近,球差会使光斑的尺寸增大,并将zui佳聚焦点移到与计算出的有效焦距不同的位置上。

球差是一个与多种因素有关的函数,这些因素包括透镜形状、朝向和折射率。例如,如要使冕玻璃透镜聚焦的可见光光斑zui小,那么,zui好采用双凸透镜的形状。反之,如果是硒化锌透镜用在10.6µm波长,那么,zui好将其设计为凹凸透镜来尽量减小光斑尺寸。

在特定环境下的实际光斑大小是由光线的轨迹决定的;不过,您可以利用公式,估算出在使用zui佳形状的透镜时,由球差带来的光斑大小,即:

球差光斑尺寸=KD³/f²

f 为透镜的焦距 

D为输入光束在透镜处的直径(在 1/e2 点处) 

k 是一个折射率函数 

从公式中可以看出,焦点的大小与激光模式参数,即 M2成正比

二光斑大小计算

严格地说,将球差和衍射带来的光斑大小简单相加求和并不能得到正确的实际光斑大小,但它能估算出zui坏的情况下光斑尺寸,一般来讲,它可被用作选择透镜的合适参数。公式如下:

光斑尺寸=4λM²f/πD+KD³/f²

f 是透镜焦距

D 是透镜处的输入光束直径(在 1/e² 点)

K 是折射率函数

M²是光束模式参数

λ 是波长

本公司经营的产品有:Ophir激光功率计、光束分析仪、Femto放大器等其它设备,如有需要可以联系我们。

影响光斑大小的因素

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