關(guān)于激光光斑該了解的基礎(chǔ)知識(shí)

激光光斑是指激光束在空間中的分布形態(tài)。在激光器輸出后，激光束會(huì)聚焦形成一個(gè)小而亮的光斑。激光光斑的形態(tài)可以是圓形、橢圓形或其他形狀，它取決于激光器的輸出模式以及透鏡或其他光學(xué)元件的干涉和衍射效應(yīng)，光斑的形態(tài)和特性會(huì)隨著傳播距離的變化而改變。

一、光斑大小及強(qiáng)度分布

激光光斑的大小通常用光斑直徑或光斑面積來表示，它是描述光斑在某一截面上的尺寸，其大小可以根據(jù)激光器的參數(shù)、光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及傳播距離等因素進(jìn)行調(diào)節(jié)。

光斑內(nèi)的光強(qiáng)分布是描述光斑亮度分布的重要因素。光斑的強(qiáng)度分布可以是均勻的，也可以是非均勻的，它取決于激光器的輸出特性以及傳播距離等因素。

二、遠(yuǎn)場(chǎng)、近場(chǎng)、發(fā)散角和瑞利長度

近場(chǎng)和遠(yuǎn)場(chǎng)是描述光斑與激光器距離的兩個(gè)關(guān)鍵概念。在激光器出口附近的區(qū)域被稱為近場(chǎng)，而遠(yuǎn)離激光器并且離光斑較遠(yuǎn)的區(qū)域則被稱為遠(yuǎn)場(chǎng)。

在近場(chǎng)區(qū)域，光斑的形狀和大小與激光器出口處的光斑形狀及傳播距離有關(guān)。典型地，近場(chǎng)光斑會(huì)有一個(gè)較大的尺寸和較不規(guī)則的形狀。這是因?yàn)榧す馐诮鼒?chǎng)距離內(nèi)還未完全發(fā)散，產(chǎn)生了強(qiáng)烈的干涉和衍射效應(yīng)。近場(chǎng)光斑中的光強(qiáng)分布通常不均勻，在中心附近具有較高的亮度。隨著距離的增加，光斑進(jìn)入遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域。

在遠(yuǎn)場(chǎng)中，光斑的形狀會(huì)逐漸趨于規(guī)則，直徑變得更小且對(duì)稱。這是由于激光束的發(fā)散效應(yīng)漸漸顯現(xiàn)。在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域內(nèi)，光強(qiáng)分布趨于均勻，光斑的尺寸由光斑的發(fā)散角和傳播距離決定。遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域通常是實(shí)際應(yīng)用中光斑的感興趣區(qū)域，因?yàn)樵谶@個(gè)區(qū)域內(nèi)，光斑具有相對(duì)穩(wěn)定的尺寸和形狀，適合各種測(cè)量、成像等應(yīng)用。

光斑的發(fā)散角描述了光束的空間擴(kuò)散特性，表示光斑半徑隨傳播距離的變化率，一般以半功率角度（half-power divergence angle）表示。如下圖所示。

圖1 發(fā)散角

瑞利長度是從束腰半徑ω0位置到光斑半徑為√2ω0的這段距離長度ZR，實(shí)際中通常取[-ZR，ZR]這段長度為高斯光束的準(zhǔn)直距離，表示在這段長度內(nèi)，高斯光束可近似認(rèn)為是平行的。所以瑞利長度越長，意味著高斯光束準(zhǔn)直性越好。

圖2 瑞利長度

三、離焦量

離焦量，即激光焦點(diǎn)位置與被照射材料表面的位置關(guān)系，在激光表面處理過程中，離焦量也是很非常重要的一個(gè)參數(shù)。通過對(duì)離焦量的選定，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)作 用在樣品表面的激光功率密度的控制，一方面能夠滿足激光表面處理過程中對(duì)一定的激光功率密度大小的需求；另一方面，可以避免對(duì)樣品表面造成過度損傷。

圖3 不同離焦距離的光斑

當(dāng)激光焦斑位于材料表面上方時(shí)，定義為正離焦量；反之，當(dāng)激光焦斑位于被照射材料表面的下方時(shí)，定義為負(fù)離焦量。在正離焦范圍內(nèi)，光線經(jīng)過折射或反射后會(huì)在焦點(diǎn)后匯聚成一個(gè)小的光斑，光斑尺寸隨著距離的增加而逐漸增大，此時(shí)，物體像在焦點(diǎn)后，透鏡或光學(xué)系統(tǒng)將光束聚焦形成一個(gè)清晰的像。負(fù)離焦則相反，物體像在焦點(diǎn)前方，透鏡或光學(xué)系統(tǒng)無法正常聚焦，導(dǎo)致像模糊不清。且光斑尺寸隨距離的增加逐漸減小。

圖4 正負(fù)離焦示意圖

四、M2因子

M2因子也叫光束的質(zhì)量因子，是表征激光束空間相干性好壞的本質(zhì)參量。其定義為：

理想狀態(tài)下M2=1，實(shí)際激光束的質(zhì)量因子通常大于1。M2的取值越大，光束衍射發(fā)散越快，亮度越低，光束質(zhì)量越差。

圖5 M2測(cè)試計(jì)算圖

激光光斑在許多領(lǐng)域中具有廣泛的應(yīng)用，例如激光切割、激光打印、激光測(cè)距、激光標(biāo)記、激光顯示等。了解光斑的特性和調(diào)控方法對(duì)于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量的激光應(yīng)用非常關(guān)鍵，光研科技推出一款可以檢測(cè)出光束質(zhì)量的光斑分析儀，如果您有特定的問題或需要深入了解某個(gè)方面，歡迎咨詢（聯(lián)系方式：15172359028（微信同號(hào)））。 （本文作者：光研科技南京有限公司賀曉麗）

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