关于激光光斑该了解的基础知识

激光光斑是指激光束在空间中的分布形态。在激光器输出后，激光束会聚焦形成一个小而亮的光斑。激光光斑的形态可以是圆形、椭圆形或其他形状，它取决于激光器的输出模式以及透镜或其他光学元件的干涉和衍射效应，光斑的形态和特性会随着传播距离的变化而改变。

一、光斑大小及强度分布

激光光斑的大小通常用光斑直径或光斑面积来表示，它是描述光斑在某一截面上的尺寸，其大小可以根据激光器的参数、光学系统的设计以及传播距离等因素进行调节。

光斑内的光强分布是描述光斑亮度分布的重要因素。光斑的强度分布可以是均匀的，也可以是非均匀的，它取决于激光器的输出特性以及传播距离等因素。

二、远场、近场、发散角和瑞利长度

近场和远场是描述光斑与激光器距离的两个关键概念。在激光器出口附近的区域被称为近场，而远离激光器并且离光斑较远的区域则被称为远场。

在近场区域，光斑的形状和大小与激光器出口处的光斑形状及传播距离有关。典型地，近场光斑会有一个较大的尺寸和较不规则的形状。这是因为激光束在近场距离内还未完全发散，产生了强烈的干涉和衍射效应。近场光斑中的光强分布通常不均匀，在中心附近具有较高的亮度。随着距离的增加，光斑进入远场区域。

在远场中，光斑的形状会逐渐趋于规则，直径变得更小且对称。这是由于激光束的发散效应渐渐显现。在远场区域内，光强分布趋于均匀，光斑的尺寸由光斑的发散角和传播距离决定。远场区域通常是实际应用中光斑的感兴趣区域，因为在这个区域内，光斑具有相对稳定的尺寸和形状，适合各种测量、成像等应用。

光斑的发散角描述了光束的空间扩散特性，表示光斑半径随传播距离的变化率，一般以半功率角度（half-power divergence angle）表示。如下图所示。

图1 发散角

瑞利长度是从束腰半径ω0位置到光斑半径为√2ω0的这段距离长度ZR，实际中通常取[-ZR，ZR]这段长度为高斯光束的准直距离，表示在这段长度内，高斯光束可近似认为是平行的。所以瑞利长度越长，意味着高斯光束准直性越好。

图2 瑞利长度

三、离焦量

离焦量，即激光焦点位置与被照射材料表面的位置关系，在激光表面处理过程中，离焦量也是很非常重要的一个参数。通过对离焦量的选定，可以实现对作 用在样品表面的激光功率密度的控制，一方面能够满足激光表面处理过程中对一定的激光功率密度大小的需求；另一方面，可以避免对样品表面造成过度损伤。

图3 不同离焦距离的光斑

当激光焦斑位于材料表面上方时，定义为正离焦量；反之，当激光焦斑位于被照射材料表面的下方时，定义为负离焦量。在正离焦范围内，光线经过折射或反射后会在焦点后汇聚成一个小的光斑，光斑尺寸随着距离的增加而逐渐增大，此时，物体像在焦点后，透镜或光学系统将光束聚焦形成一个清晰的像。负离焦则相反，物体像在焦点前方，透镜或光学系统无法正常聚焦，导致像模糊不清。且光斑尺寸随距离的增加逐渐减小。

图4 正负离焦示意图

四、M2因子

M2因子也叫光束的质量因子，是表征激光束空间相干性好坏的本质参量。其定义为：

理想状态下M2=1，实际激光束的质量因子通常大于1。M2的取值越大，光束衍射发散越快，亮度越低，光束质量越差。

图5 M2测试计算图

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