如何会聚脉冲激光到直径只有30微米内的光斑？ 第1页

实际上会聚脉冲激光，和会聚正常的激光差不多的。而要实现30微米以内，实际上非常容易，很多普通的物镜（比如凸透镜），理论上焦距10 cm内的就可以了。

根据瑞利判据，经过透镜后光斑的偏离角度为

其中 为光的波长， 为光圈的直径，可以认为是（入射光斑的直径）和（物镜的直径）中的较小值

那么如果我们要计算最终的光斑直径的话，则是（其中 为物镜的焦距）

由此可见，激光波长越短，最终光斑越小；

物镜焦距越短，最终光斑越小；

入射光斑越大（假设入射光斑小于物镜的直径），最终光斑越小——这个可能对于很多人来说有些反直觉，但是这是真的。

假设你的激光为515 nm，入射光斑直径为5 mm，那么当会聚光斑直径为30微米时，计算得到的焦距为：120 mm

也就是说，此时只要焦距小于12 cm的物镜，都可以实现会聚光斑达到30微米以下。

但是这是理想情况，而在实际的实验过程中，总会因为一些原因比这个值要大。常见的原因和解决方案如下：

1. 尽量保证入射光打在透镜的正中心且平行于光轴。当使用凸透镜时，可以看光被凸透镜反射的光斑：当入射光斑与反射光斑完全重合时，就满足要求。
2. 入射光不是Gaussian profile。以上瑞利判据的前提是，入射光的强度在空间的分布是Gaussian profile。如果不是Gaussian的话，会导致光斑偏大。此时可以通过spatial filter来校正。^[1]

另一个我们需要考虑的问题就是GVD (Group velocity dispersion). 当超快激光通过光学介质时，不同波长的光会有不同的折射率，从而导致通过光学介质的时间不同，从而引入chirp，使得脉冲变长。

一般来说，薄透镜所引入的GVD并不明显，但是如果实验真的不想要任何的chirp的话，可以考虑以下两种方案：

1. 事先计算好可能导致的GVD数值，然后提前用一对Prism来补偿。

2. 使用反射式物镜。在反射式物镜中，由于全是反射的过程，所以不会引入GVD。在本人发表的数篇文章中，都是使用的反射式物镜——因为我需要同时会聚两种不同波长的光。经过我的测算，我最终得到的光斑直径为2微米左右。^[2][3][4][5]

关于这些光学知识，建议题主可以阅读光学课本。比如下面的这本光学原理，是玻恩与沃尔夫合著的。玻恩就是那位因为对波函数的统计诠释而获得诺贝尔物理学奖的。

1. ^ https://en.wikipedia.org/wiki/Spatial_filter
2. ^ https://www.pnas.org/content/117/38/23385
3. ^ https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acsphotonics.7b00411
4. ^ https://pubs.acs.org/doi/abs/10.1021/acs.jpcb.9b04928
5. ^ https://www.annualreviews.org/doi/abs/10.1146/annurev-physchem-090519-050510