问题

如何会聚脉冲激光到直径只有30微米内的光斑?

回答
好的,让我们来聊聊如何将脉冲激光精确地聚焦到直径仅有30微米的光斑内。这可不是件容易的事,需要多方面的技术协同才能实现。

首先,我们要明白,光斑的大小不仅仅取决于激光器本身的特性,更关键的是后面那一整套聚焦系统。

1. 激光器的选择与优化

激光器模式: 想要获得一个非常小的光斑,我们必须从源头上选择合适的激光器。通常,单模激光器(TEM00)是首选。单模激光器输出的光束具有非常接近高斯分布的光强分布,这意味着光强在中心最强,向边缘逐渐衰减。这种分布的光束最容易聚焦到非常小的尺寸,并且具有良好的光束质量。如果使用多模激光器,光斑内光强分布不均,会使得聚焦效果大打折扣,难以获得锐利的小光斑。
光束质量(M²值): 这是衡量激光束聚焦能力的重要指标。M²值越接近1,说明激光束越接近理想的基模高斯光束,其聚焦能力就越强,能够实现的最小光斑尺寸也越小。选择M²值小于1.5,甚至接近1的光束质量是至关重要的。
波长: 理论上,短波长的激光更容易聚焦到更小的光斑。这是因为衍射极限决定的最小光斑尺寸与波长成正比。在可见光和近红外区域,像绿光(532nm)或紫外光(如355nm)相比于长波长的红外激光,能够实现更小的聚焦光斑。
脉冲特性: 如果是脉冲激光,除了上述光束质量外,还要关注脉冲宽度。极短的脉冲(飞秒、皮秒)在某些应用中是必需的,但它们的光束质量和聚焦特性可能需要特别考量。

2. 聚焦光学系统的设计与构成

这是将激光聚焦到微米级别光斑的核心。

聚焦镜(Lens):
焦距: 要获得更小的光斑,我们需要选择短焦距的聚焦镜。焦距越短,光线收敛的角度越大,理论上能够实现的最小光斑就越小(遵循衍射极限公式,最小光斑直径d ≈ 2.44 λ f / D,其中λ是波长,f是焦距,D是入射光束的直径)。
透镜类型:
平凸透镜(Planoconvex lens): 简单常用,但存在一定的像差。
双凸透镜(Biconvex lens): 聚焦能力更强,但像差也可能更大。
消球差透镜(Aspheric lens): 这是实现微米级光斑的关键。普通球面的透镜存在球差,即不同高度的光线聚焦在不同的点上,这会限制光斑的最小尺寸。非球面透镜通过特殊的曲面设计,能够有效补偿球差,从而实现更小的、更接近衍射极限的光斑。
消色差透镜(Achromatic lens): 如果激光是宽谱或者需要补偿色差(例如使用多波长激光),则需要使用消色差透镜。
材料: 透镜材料的选择取决于激光波长。例如,对于可见光和近红外,常用的是熔融石英(Fused Silica)、蓝宝石(Sapphire)或特种玻璃。对于紫外激光,则需要石英、氟化钙(CaF2)等。材料的折射率、透光率和热稳定性都很重要。
直径: 为了充分利用激光束的能量并达到衍射极限,聚焦镜的直径应该足够大,能够接收到大部分的激光束。

其他光学元件:
扩束镜(Beam Expander): 在某些情况下,为了让聚焦镜能够接收到更宽的光束(增加D),会使用一个扩束系统(通常是一个两个透镜组成的望远镜系统),将激光束扩大几倍,再通过聚焦镜进行聚焦。这样可以在聚焦镜上获得更大的孔径,从而获得更小的聚焦光斑。
望远镜系统(Telescope System): 由两个透镜组成,用于调整光束的尺寸和发散角。

3. 精确的对焦与稳定性

精确的对焦: 要达到30微米的尺寸,聚焦位置的精度要求极高,可能在微米甚至亚微米级别。这通常需要:
精密位移台(Precision Translation Stage): 用于移动聚焦镜或工作台,以找到最佳的聚焦位置。这些位移台通常具有高分辨率和高重复性。
自动对焦系统: 结合CCD相机、图像处理算法和反馈控制,实现自动优化聚焦。例如,可以通过观察聚焦后的光斑形状、亮度或采用特定的对焦算法(如寻找最小光斑直径的算法)来精确定位。
干涉仪或像差测量仪: 在实验室环境中,可以利用这些高精度仪器来测量和调整聚焦系统,以达到理论上的衍射极限。

稳定性:
机械稳定性: 整个光学系统和激光器必须安装在非常稳定的平台上,避免任何震动,因为微小的位移都可能导致光斑发生变化。
热稳定性: 激光器和光学元件在工作时会产生热量,温度变化会导致元件膨胀收缩,改变焦距和光路,从而影响聚焦精度。因此,需要考虑系统的热稳定性,甚至使用温度控制系统。
环境控制: 隔绝空气流动、控制温度和湿度等环境因素,也有助于保持聚焦的稳定性。

4. 关键的工程考量与实践

对准(Alignment): 所有光学元件必须经过极其精密的对准。激光束需要精确地通过所有透镜的中心,并且光学轴线与系统轴线高度重合。任何不对准都会引入像差,导致光斑扩大。
透镜表面的清洁度: 透镜表面的灰尘、油污等杂质会散射和吸收激光,影响光斑质量和功率。因此,对透镜的清洁度有非常高的要求,通常需要使用超净环境和专门的清洁方法。
衍射极限的挑战: 30微米的尺寸已经非常接近许多激光波长的衍射极限。要真正达到衍射极限,意味着几乎所有的光能都集中在那个小小的区域,并且光斑的形状非常理想。实际应用中,由于各种非理想因素(如材料缺陷、表面粗糙度、装配误差、空气扰动等),往往难以完全达到理论上的衍射极限,光斑会比理论值稍大。

举个例子:

设想我们有一个使用532nm绿光的单模激光器(M²=1.1),我们想通过一个25mm直径的非球面聚焦镜(焦距f=25mm)来聚焦。

根据衍射极限公式 d ≈ 2.44 λ f / D,
d ≈ 2.44 532nm 0.025m / 0.025m
d ≈ 1.3 10⁻³ m = 1.3 mm (这是理论上聚焦到无限远处的最小光斑,与F数有关)

但通常我们关注的是在特定焦距上的光斑尺寸,这个公式更侧重于F数(F = D / f)。在聚焦镜的焦平面处,最小光斑直径大致与 Fnumber λ 成正比。如果我们的聚焦镜的F数是1,那么在532nm下,理论上的衍射极限光斑直径大约是 1 532nm ≈ 0.532微米。

然而,实现30微米的光斑,可能并不需要达到绝对的衍射极限。更多的是通过选择合适焦距的短焦距透镜,并且精确控制光束通过透镜的直径,来获得较大的收敛角度。

例如,如果我们选择一个焦距为10mm的非球面透镜,并且让激光束以10mm的直径通过它,那么它的F数就是 F = 10mm / 10mm = 1。在这种情况下,理论衍射极限光斑可以非常小。

总结一下,实现30微米光斑的关键在于:

1. 高光束质量的激光器(单模,低M²)。
2. 设计精良的短焦距非球面聚焦镜(低像差)。
3. 使用扩束器以增大聚焦镜的孔径。
4. 极其精确的对焦和系统对准。
5. 对震动、热效应和环境扰动的高度稳定性控制。

这整个过程是一个精密的系统工程,需要将激光物理、光学设计、精密机械和控制技术紧密结合起来。

网友意见

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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。

参考

  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

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