聚焦透镜缩小光斑问题

聚焦光斑直径d的理论计算

激光光束经过透镜聚焦后，其光斑最小位置称为激光焦点，如下图所示：

激光焦点图示
焦点光斑直径d数值可以由以下公式粗略计算：
d=2fλ/D
式中：f为聚焦镜的焦距；λ为入射光束的波长；D为入射光束的直径。
通过公式可以看出，焦点的光斑直径d与聚焦镜焦距f和激光波长λ成正比，与入射光束的直径D成反比。
如果导光及聚焦系统能设计为f/D≈1，则焦点光斑直径可达到
d=2λ
这说明基模高斯光束经过理想光学系统聚焦后，焦点光斑直径最小可以达到波长的两倍(这个是理论上，但是实际上肯定达不到的。)

几个问题

某个波长的光是有一个极限聚焦光斑大小的，任何情况下不能超越极限值。波长越长，这个极限值越大；波长越小，这个极限值越小。这也就是为什么CO2激光系统的聚焦光斑比紫外355nm激光系统的聚焦光斑大的原因。不少客户要求聚焦光斑小，要达到多少多少的精度，比方有的客户要求CO2激光打标机的精度可以达到20um，但是实际上d=2λ=2*10.6um=21.2um，所以这种精度是根本不可能达到的，提出这个要求就是不符合理论的。所以当你需要精细标刻的时候，就别想着用便宜的CO2激光系统了，试着用紫外355nm的吧。

减小焦距f有利于缩小光斑直径d。这也是为什么我们要求打标精度高的时候，我为什么建议客户用小一点焦距的场镜的原因。当然焦距小了，幅面就必然减小，因为幅面与焦距之间有一个这样的关系：幅面=0.7f。所以让聚焦光斑更细与幅面更大是一对矛盾，大家都是希望聚焦光斑越小越好，在光斑小的前提下，扫描幅面越大越好，但是这种鱼和熊掌都兼得的事情是不可能有的，只能是在这两者之间取平衡。在切割和焊接系统中，不存在幅面的问题，但是又存在另外两个个矛盾：第一，f越小，聚焦镜与工件的间距也缩小，加工时的废气废渣会飞溅附在聚焦镜表面或者保护镜的表面，导致加工效果以及聚焦镜或者保护镜的寿命减小，如果一天坏保护镜10片，那就是几百元，所以划不来。第二，f越小，焦深也越小，因为焦深的计算公式是：
焦深计算公式
焦深越小，那么焊接机的熔深就会减小，对于切割机就不能切割厚板。

使用扩束镜能有效缩小聚焦光斑。经过扩束镜之后，D会变大，根据d=2fλ/D，聚焦点d就会变小。