確定光斑大小
發(fā)布日期:2016-7-29   點(diǎn)擊次數:7308

確定光斑大小


一影響光斑大小因素

    激光光斑尺寸對于激光的使用有著(zhù)至關(guān)重要的影響。如在進(jìn)行激光切λ割時(shí),需要將一束激光聚焦在一塊盡可能小的光斑上。如果需使功率密度最大以進(jìn)行精密切割,這是完全必需的。光斑大小受多種因л素的影響。其中最重要的因素有:1 激光模式 (M2);(2衍射;(3球差。

1激光模式M2

激光模式是由激光器和光束傳輸系統決定的。M2 表示某條特定光束在傳播過(guò)程中的發(fā)散速度;對于一條理想的 TEM00 激光光束而言, M2=1。這個(gè)參數是用高級儀表測出的,激光器制造商的規格中也會(huì )提供這一參數。

2衍射

光具有波的性質(zhì),因此不可避免地會(huì )出現衍射現象,該現象存在于所有的光學(xué)系統中,能夠決定這些系統在性能方面的理論限值。衍射會(huì )使光束在傳播過(guò)程中發(fā)生橫向擴展。如果在對某個(gè)準直激光光束進(jìn)行聚焦時(shí)使用的是一個(gè)理想透鏡,那么光斑的大小將只受衍射作用的影響。計算衍射光斑大小的公式如下:

 

 

 

為透鏡的焦距 ;

D為輸入光束在透鏡處的直徑(在 1/e2 點(diǎn)處) ;

是一個(gè)折射率函數 ;

λ 激光波長(cháng);

M2激光模式。

 

衍射產(chǎn)生的最重要的影響是,它使光斑大小隨焦距線(xiàn)性增加,但與光束的直徑成反比。因此,如果某個(gè)特定透鏡的輸入激光光束直徑增加,由于衍射變弱,光斑會(huì )變小。而且,如果對于某個(gè)特定激光光束,當焦距減小時(shí),光斑也會(huì )變小。

 

(3)球差

   如果用一個(gè)理想透鏡,對經(jīng)過(guò)準直處理的同軸光線(xiàn)進(jìn)行聚焦。所有通過(guò)光學(xué)元件軸心的光線(xiàn)將形成一個(gè)光斑,光斑的尺寸就只受衍射影響的。不過(guò),許多透鏡都會(huì )受到球差的影響。球差帶來(lái)的后果是,與那些穿過(guò)透鏡中央的光線(xiàn)相比,那些穿過(guò)透鏡邊緣的光線(xiàn)與光軸的交點(diǎn)離透鏡更近,球差會(huì )使光斑的尺寸增大,并將最佳聚焦點(diǎn)移到與計算出的有效焦距不同的位置上。

球差是一個(gè)與多種因素有關(guān)的函數,這些因素包括透鏡形狀、朝向和折射率。例如,如要使冕玻璃透鏡聚焦的可見(jiàn)光光斑最小,那么最好采用雙凸透鏡的形狀。反之,如果是硒化鋅透鏡用在10.6µm波長(cháng),那么最好將其設計為凹凸透鏡來(lái)盡量減小光斑尺寸。

在特定環(huán)境下的實(shí)際光斑大小是由光線(xiàn)的軌跡決定的;不過(guò),您可以利用公式,估算出在使用最佳形狀的透鏡時(shí),由球差帶來(lái)的光斑大小,即:


為透鏡的焦距 ;

D為輸入光束在透鏡處的直徑(在 1/e2 點(diǎn)處) ;

是一個(gè)折射率函數 ;

公式中可以看出,焦點(diǎn)的大小與激光模式參數,即 M2成正比。

 

二光斑大小計算

嚴格地說(shuō),將球差和衍射帶來(lái)的光斑大小簡(jiǎn)單相加求和并不能得到正確的實(shí)際光斑大小,但它能估算出最壞的情況下光斑尺寸,一般來(lái)講,它可被用作選擇透鏡的合適參數。公式如下:

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