1、激光原理技术及应用讲义（第4章 高斯光束）王 菲长春理工大学_4月第四章 高 斯 光 束（4学时）1.高斯光束的基本性质一、波动方程的基模解在标量近似下稳态传播的电磁场满足赫姆霍茨方程 （4-1-1）其中标量u0表示相干光的场分量。缓变振幅近似下的特解 （4-1-2） （4-1-3）是Z的缓变函数。将（4-1-3）代入（4-1-1）得 （4-1-4）设解 （4-1-5）参数P(z)是与光束传播有关的复相移，q(z)是复曲率半径，表示光束强度随与光轴的距离呈高斯变化，在近轴处是球面。（4-1-4）（4-1-5）= （4-1-6）= （4-1-7a） （4-1-7b）（4-1-7a）= （4-1-
2、8）Z0为输入与输出面间距离。（4-1-8）（4-1-5）= （4-1-9）振幅r下降到中心值的1/e时，光斑尺寸=，即（4-1-10）= （4-1-11）又 （4-1-12）（4-1-12）（4-1-5）=（4-1-13） （4-1-14）（4-1-14）（4-1-10）= （4-1-15）（4-1-13）= （4-1-16）由（4-1-7b）（4-1-8）= （4-1-17）（4-1-11）（4-1-17）= （4-1-18）又 （4-1-19）= （4-1-20）综上知 （4-1-21）（4-1-21）是波动方程（4-1-1）的一特解，称基模高斯光束。基模高斯光束的性质由三参数决定。 （
3、4-1-22）二、高斯光束的基本性质在z常数的平面内，场振幅以高斯函数的形式从中心(即传播轴线)向外平滑地减小。当振幅减小到中心值的l/e处的r值定义为光班半径。光斑半径随坐标z按双曲线规律向外扩展。 （4-1-22）2高斯光束的等相面等相面是指相位相同点的轨迹，一般为空间曲面。令相位为常数，则 （其中） （4-1-23）近轴下， （4-1-24）即高斯光束等相面为球面 （4-1-25）波高斯光束的等相面曲率中心随着光束的传播而移动。 （4-1-26）描述高斯光束在点（r,z）处相对于原点的相位差。kz为几何相移， 为在空间传输距离z相对于几何相移产生的附加相移。4.瑞利长度（共焦参数）物理意
4、义： 即光斑从最小半径增大到 ，从最小光斑处算起的这个长度即瑞利长度。时，高斯光束振幅减小到中心最大值1/e处与z轴的交角。即 （4-1-27）即远场发散角包含在传播距离z处光束的几何张角和衍射效应二部分的贡献。理论上为双曲线的渐近线与光轴的夹角。三、高阶高斯光束波动方程的存在很多解，其各种组合也是波动方程的解，是一种实际存在的激光束，称多模。1.直角坐标系下高阶高斯光束场的形式 （4-1-28）高阶高斯光束在垂直于光轴的横截面上场振幅或光强的分布由厄米多项式与高斯函数的乘积决定。，即厄米-高斯分布。通常把由整数m和n所表征的横向分布称为高阶横模。高阶模的总相移 （4-1-29）2.在圆柱坐标
5、系，其解拉盖尔多项式与高斯函数乘积决定。 （4-1-30）拉盖尔-高斯光束的横向分布由振幅决定，振幅 （4-1-31） （4-1-32）四、高斯光束的孔径高斯光束通过孔阑a后的功率透过率 （4-1-33）拉盖尔高斯光束场结构一、球面波的传输球面波在自由空间的传输规律： （4-2-1）波面通过薄透镜变换 （4-2-2）规定：沿光传输方向的发散球面波的曲率半径为正，会聚球面波的曲率半径为负。 = （4-2-3）反映了近轴球面波曲率半径的传输和变换与光学矩阵元之间的关系。二、高斯光束的复参数q 及其传输高斯光束可由波前曲率半径R(z)、光斑半径和位置z中任意两个量来描述。引入复参数q： （4-2-4
6、 （4-2-5）（4-1-21）= （4-2-6）（4-2-4） （4-2-7）高斯光束传输变化规律 （4-1-15） （4-1-16）即当光束从束腰向外传输时，波面的曲率半径从无穷大迅速变小，通过一个极小值又逐渐变大，最后以表征球面波曲率半径变化的直线为渐近线趋于无穷大。时，高斯光束波面的曲率半径变化当作球面波处理。（4-1-15）（4-1-16）= （4-2-8） （4-2-9）已知R(z)和该位置光斑由（4-2-8）（4-2-9）式可确定束腰位置和大小。（4-1-15）（4-1-16）（4-2-4）=传输规律 （4-2-10）= （4-2-11）即高斯光束的复数曲率半径与普通球面波的曲
7、率半径遵循相同的传输规律。三、高斯光束的ABCD定律复参数q通过传输矩阵M的光学系统变换遵守ABCD定律： （4-2-12）q1、q2分别入射平面和出射平面的复光束参数。3 高斯光束通过光学系统的变换一、高斯光束通过复杂光学系统的变换 （4-3-1） （4-3-2） （4-3-3） （4-3-4）（4-3-1）（4-3-2）（4-3-3）（4-3-4）= （4-3-5）即高斯光束通过复杂光学系统的变换公式。即研究入射和出射高斯光束束腰间变换时，（4-3-5）变为 （4-3-6）当时，则束腰成像公式 （4-3-7）二、高斯光束通过薄透镜的变换 （4-3-8） （4-3-9）=空气中，束腰成像公式
8、 （4-3-10） 物距/像距关系 物像比例与物距间关系f一定，随变化情况（4-3-10）对求偏微分 （4-3-11）1. f ，（4-3-12）即当f时，f（理想）实际中 ，其中，即此时3. =f达最大，。综上仅当f时，透镜才有聚焦作用。一定，随f变化情况（4-3-10）对f求偏微分 (4-3-13)1. 时，分别为高斯光束入射在透镜处等相面的曲率半径和光斑半径。2. ， 3. ，单透镜除了用于高斯光束的聚焦之外，还常用于高斯光束的准直。当=f时最大，即高斯光束的束腰在透镜的前焦面时输出光斑达到最大，有准直效果，且f越大，（注：受限于通光孔径，f不可能无限大）准直效果越好，对基模高斯光束，根
9、据拉赫不变量 =， （4-3-14）三、高斯光束通过望远系统的变换（）调焦望远系统光线变换矩阵：，（4-3-15）代入（4-3-7）式= ， （4-3-16） =1）倒置望远系统，即，扩束倍，准直范围增大； 2）像方发散角压缩倍，； 3），；4），扩束比（准直率）。最大扩束比=离焦望远系统（） 代入（4-3-7）式 （4-3-17） （4-3-18）实际中两透镜焦距一定，即在（4-3-17）式的约束下求（4-3-18）的条件极值。=， （4-3-19），= （4-3-20）注：通常用于高功率密度激光束变换的望远系统采用伽利略望远系统。四、高斯光束的匹配谐振腔产生的单模入射到一光学系统（如干涉仪
10、多程反射室等），因光学系统都有自己的本征模式，若二者不匹配，I腔发出的单模将激发起系统的多模,因交叉激发作用而使损耗增加。在模式匹配时，入射的单模仅激发系统一个相对应的单模。 如图在I腔产生的基模腰斑，II腔产生的基模腰斑。如在其间适当位置插入一个适当薄透镜f，使由I腔与II腔发出的光束互为物像共轭，则该透镜称为二腔的模匹配透镜。复参数： （4-3-21） 将（4-3-21）式中前两式代入第三式= （4-3-22）又 （4-3-23）（4-3-23）（4-3-22），分离实部、虚部=高斯光束的模匹配公式： （4-3-24）其中讨论：任意f值，可求出，但仅当，有实数解。 （4-3-25）联立（4-3-24）（4-3-25）可求出和f。4.激光光学系统设计参见5.光束质量评价方法与测量一、光束参数乘积BPPBPP=束腰半径远场发散角=（mm*mrad）二、光束极限倍率衍射因子M2=，=因子反映了激光束的质量，是表征激光高亮度、高空间相干性和方向性的本质参数。基模M2=1，= ，=三、多点法测量光束质量1.激光传输方程：，确定束腰位置z0，测得束腰直径 d0和z处束宽d(z) = M2测量精度: 至少测十个位置束宽，且至少5个在一倍瑞利距离内。2.激光传输方程根据d(z)和z，采用最小二乘法拟合求系数A、B、C。光束参数，
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