在進(jìn)行激光切割時(shí)，需要將一束激光聚焦在一塊盡可能小的光斑上。如果需使功率密度最大以進(jìn)行精密切割，這是完全必需的。光斑大小受多種因素的影響，其中最重要的因素有：

　　激光模式(M2)

　　衍射

　　球差

　　透鏡的形狀和焦距可以決定后兩種因素。當(dāng)然，激光模式是由激光器和光束傳輸系統(tǒng)決定的。

　　這三種因素是如何影響光斑大小的，并介紹了如何計(jì)算平凸透鏡、凹凸透鏡和非球面透鏡的光斑大小。這些說(shuō)明大致描述了一個(gè)簡(jiǎn)單的程序，使您可以根據(jù)特定應(yīng)用選擇合適的透鏡。

　　一條用帶十字標(biāo)尺的透鏡進(jìn)行聚焦的CO2激光光束。透鏡表面被分為四個(gè)象限。每個(gè)象限都含有一個(gè)略為傾斜的圓柱體拋物面形狀。這種透鏡表面形狀會(huì)將每個(gè)象限中的激光束聚集成線段狀。

　　激光輸出附近的一條CO2光柵調(diào)諧激光光束。注意，光束強(qiáng)度符合高斯分布規(guī)律。

　　衍射

　　光具有波的性質(zhì)，因此不可避免地會(huì)出現(xiàn)衍射現(xiàn)象，該現(xiàn)象存在于所有的光學(xué)系統(tǒng)中，能夠決定這些系統(tǒng)在性能方面的理論限值。衍射會(huì)使光束在傳播過程中發(fā)生橫向擴(kuò)展。如果在對(duì)某個(gè)準(zhǔn)直激光光束進(jìn)行聚焦時(shí)使用的是一個(gè)“理想”透鏡，那么光斑的大小將只受衍射作用的影響。計(jì)算光斑大小的公式如下：

　　spotsizedueto=4MMλf/πD

　　where，

　　λiswavelength

　　fislensfocallength

　　Disinputbeamdiameteratthelens

　　MMisthebeammodeparameter

　　這一等式可以用來(lái)計(jì)算由非球面透鏡產(chǎn)生的光斑大小。

　　衍射產(chǎn)生的最重要的影響是，它使光斑大小隨焦距線性增加，但與光束的直徑成反比。因此，如果某個(gè)特定透鏡的輸入激光光束直徑增加，由于衍射變?nèi)酰獍邥?huì)變小。而且，如果對(duì)于某個(gè)特定激光光束，當(dāng)焦距減小時(shí)，光斑也會(huì)變小。

　　M2–激光模式參數(shù)

　　正如您在上一個(gè)公式中看到的那樣，焦點(diǎn)的大小與激光模式參數(shù)，即M2成正比。M2表示某條特定光束在傳播過程中的發(fā)散速度；對(duì)于一條理想的TEM00激光光束而言，M2=1。這個(gè)參數(shù)是用高級(jí)儀表測(cè)出的，激光器制造商的規(guī)格中也會(huì)提供這一參數(shù)。

　　能夠觀察到此現(xiàn)象的實(shí)驗(yàn)條件是很難滿足的，需要一個(gè)超級(jí)大強(qiáng)度的激光使靶面發(fā)生電離，同時(shí)使致密包電子(飛行鏡)加速，該飛行鏡僅存在于幾飛秒時(shí)間內(nèi)，第二束強(qiáng)激光在這段時(shí)間內(nèi)正面碰撞飛行鏡，并被鏡面反射。再加上需要使用僅有幾納米厚的固體靶面和足夠強(qiáng)度對(duì)比質(zhì)量的激光束，你會(huì)獲得這個(gè)稍有挑戰(zhàn)性的實(shí)驗(yàn)方案。

　　然而，加爾興Max-Planck量子光學(xué)研究所、慕尼黑大學(xué)、貝爾法斯特皇后大學(xué)、中央激光研究所(CLF)的合作研究使用雙光束雙子座激光和僅有50納米厚度的超薄箔靶面，滿足了此實(shí)驗(yàn)所需條件。研究人員觀察到激光束波長(zhǎng)發(fā)生下移，從800納米下移了約60納米，同時(shí)反射脈沖寬度從50飛秒壓縮至幾百阿秒量級(jí)(1阿秒為10^-18秒)。

　　此實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象不僅證明了愛因斯坦狹義相對(duì)論，而且提供了一種產(chǎn)生高強(qiáng)度阿秒激光的新思路和方法，阿秒激光在超快電子動(dòng)力學(xué)和原子尺度上基礎(chǔ)物理學(xué)研究領(lǐng)域內(nèi)有著重要的需求和應(yīng)用。