基于激光散斑分析的亚像素级高斯光束尺寸测量新方法

本研究针对传统激光光束测量技术受限于像素分辨率及机械不稳定性的问题，开发了一种基于激光散斑分析的静态测量方法。通过建立散斑颗粒尺寸与光束尺寸的逆相关关系，结合图像处理与统计分析，实现了对1.87±0.02 μm超小光束腰的亚像素级测量，验证结果与直接成像及狭缝扫描法高度一致。该技术为高精度激光诊断提供了新思路，尤其适用于微加工、光学捕获等前沿领域。

　　

激光技术作为现代科学的核心工具，其光束参数的精确测量直接关系到微加工、生物医学成像等领域的突破。然而传统光束轮廓测量技术如刀口法、狭缝扫描和直接成像，面临像素分辨率限制（最小仅能测至数像素级）、机械稳定性差等瓶颈。尤其当处理超小光束腰（如微米级）时，这些方法难以满足高精度需求。为此，来自国内的研究团队创新性地利用激光散斑特性，开发了一种无需移动部件的静态测量技术。

研究团队采用He-Ne激光器（632.8 nm）通过望远镜系统压缩光束，以光面透明胶带作为散射体生成散斑，结合电动平移台和相机记录不同距离D的散斑图案。通过统计分析和自相关函数计算散斑平均颗粒尺寸，建立了散斑尺寸与光束参数的定量关系模型。关键技术包括：散斑图像采集（使用固定散射体与可移动相机）、二维自相关函数分析、基于波长λ与散斑尺寸σ的理论公式推导。

理论与分析
研究阐明了散斑颗粒尺寸与入射光束参数的统计关系，指出在高度相干光条件下，散斑平均尺寸σ与光束尺寸呈明确反比，为后续实验提供理论基础。

实验结果
通过移动相机记录不同距离D的散斑图案（如图3a所示），经自相关函数分析提取σ值。数据显示当D=10 cm时测得最小光束腰1.87±0.02 μm，显著低于相机单像素尺寸（4.65 μm），验证了亚像素分辨率优势。与商业光束分析仪的对比误差<3%，证实了方法的可靠性。

结论与意义
该研究首次将散斑分析应用于高斯光束尺寸测量，突破传统技术的机械与分辨率限制。静态设计避免了运动部件引入的误差，测量精度达亚微米级，为激光微加工、光学镊子（optical tweezers）等需要纳米级定位的领域提供了新工具。论文发表于《Optics and Lasers in Engineering》，通讯作者Gustavo F.B. Almeida强调该方法可扩展至紫外或红外波段，未来或推动激光标准化进程。