關(guān)于激光光斑該了解的基礎(chǔ)知識

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，激光束會聚焦形成一個小而亮的光斑。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、近場、發(fā)散角和瑞利長度

近場和遠(yuǎn)場是描述光斑與激光器距離的兩個關(guān)鍵概念。在激光器出口附近的區(qū)域被稱為近場，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。

在近場區(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，近場光斑會有一個較大的尺寸和較不規(guī)則的形狀。這是因為激光束在近場距離內(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)場區(qū)域。

在遠(yuǎn)場中，光斑的形狀會逐漸趨于規(guī)則，直徑變得更小且對稱。這是由于激光束的發(fā)散效應(yīng)漸漸顯現(xiàn)。在遠(yuǎn)場區(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)場區(qū)域通常是實際應(yīng)用中光斑的感興趣區(qū)域，因為在這個區(qū)域內(nèi)，光斑具有相對穩(wěn)定的尺寸和形狀，適合各種測量、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參數(shù)。通過對離焦量的選定，可以實現(xiàn)對作 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一定的激光功率密度大小的需求；另一方面，可以避免對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，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，定義為負(fù)離焦量。在正離焦范圍內(nèi)，光線經(jīng)過折射或反射后會在焦點后匯聚成一個小的光斑，光斑尺寸隨著距離的增加而逐漸增大，此時，物體像在焦點后，透鏡或光學(xué)系統(tǒng)將光束聚焦形成一個清晰的像。負(fù)離焦則相反，物體像在焦點前方，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測試計算圖

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)控方法對于實現(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方面，歡迎咨詢（聯(lián)系方式：15172359028（微信同號））。 （本文作者：光研科技南京有限公司賀曉麗）

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