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激光焦点光斑大小的在线计算器,聚焦光斑大小计算公式

如下是激光焦点光斑大小的在线计算器,输入对应参数后便可准确计算焦点光斑的大小及共焦参数L:

聚焦光斑大小计算

输入

透镜处的光束直径(D)
镜头焦距(EFL)
激光波长
光束质量(M²)

输出

焦点光束直径(ω0)
景深(DOF)


测定激光束M2的实验方法(左)和获得的数据(右)

测定激光束M2的实验方法(左)和获得的数据(右)

高斯光束通过薄透镜的传播

高斯光束通过薄透镜的传播

激光工业加工中,通常都需要在激光器出光口添加透镜对目标光束进行聚焦,并用焦点(束腰)处光斑进行打标加工等。

1、当R'>>f或zR'>>f时

在高斯光束的聚焦特性一期中提到,当R'>>f或zR'>>f时(准直情况下),经透镜变换后的束腰半径ω0''的大小符合以下等式:

束腰直径2ω0''为:

这里ω0''为焦点位置的光斑半径,f为透镜的焦距,ω'为透镜处的光斑半径,R'为透镜处高斯光束等相位面的曲率半径(这里假定透镜为薄透镜),ω0'为激光器输出激光的束腰半径。

以上是基模高斯光束经透镜变换后的结果,对M2>1的高斯光束而言,此等式需要稍加修正。

高斯光束通过薄透镜的传播

高斯光束通过薄透镜的传播

这里假定经透镜变换后多模激光发散角ΘMM等于基模光束发散角ΘG,那么此时多模激光的束腰大小就等于基模光束(光束发散角为ΘG)束腰大小的M2倍(上期提到):

上式描述的是,若入射高斯光束为准直光束(R'>>f或zR'>>f),当用焦距为f的透镜对激光器输出的激光束进行聚焦时,焦点(束腰)将位于距透镜一个焦距的位置,且焦点(束腰)位置的光斑大小可以被近似计算出来。

上式说明,入射准直激光束的光斑越大,经透镜聚焦后焦点位置的光斑就越小,同时焦点光斑大小还和M2、波长λ及透镜焦距f成正比关系。这在关系在实际应用中十分重要。

在入射高斯光束为准直光束(R'>>f或zR'>>f)的前提条件下,若s'较小时,ω'就可近似等于ω0',所以上式还可写为:

上式中2θ'为入射高斯光束的远场发散角(全角)。

我们知道,共焦参数L=2zR''内的光束可看做是准直光束,共焦参数L=2zR''也称为聚焦光束的景深(DOF),其定义为:

 

2、当s'=f时

当入射高斯光束的束腰距离透镜的距离s'正好等于透镜的焦距f时,此时经透镜变换后的光束束腰正好处于距离透镜一个焦距的位置。且变换后束腰半径ω0''的大小符合以下关系:

高斯光束通过薄透镜的传输

高斯光束通过薄透镜的传输

这种情况下,只要满足s'=f,不管入射高斯光束是否为准直光束,此等式均成立。

在实际工业加工中,焦点位置的光斑大小除了和波长λ、透镜焦距f、透镜处光斑大小ω'或透镜前光束束腰大小ω0'相关外,透镜的球差也是一个重要的影响因素,球差的存在会使实际焦点光斑变大,这些在实际应用中都需要进行充分考虑。

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