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如何会聚脉冲激光到直径只有30微米内的光斑? 第1页

  

user avatar   phosphates-30 网友的相关建议: 
      

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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