现代光学系统

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1、第八章现代光学系统随着激光技术、光纤技术和光电技术的不断发展，各种不同的用途的新型光学系统相继出现，例如激光光学系统、付里叶光学系统、扫描光学系统等。为能全面地了解这些光学系统的成像特性和设计要求，本章就上述几种新型光学系统作一简要介绍。§8－1激光光学系统一、高斯光束的特性激光作为一种光源，其光束截面内的光强分布式不均匀的，激光束波面上各点的振幅是不相等的，其振幅A与光束截面半径r的函数关系为：其中A0为光束截面中心的振幅；ω为一个与光束截面半径有关的参数；r为光束截面半径。由上式可以看出光束波面的振幅A呈高斯型函数分布，如图8-1所示，所以激光光束又称为高斯光束。

2、图8-1高斯光束截面当r=ω时，，说明高斯光束的名义截面半径ω是当振幅A下降到中心振幅的1/e时所对应的光束截面半径。二、高斯光束的传播高斯光束的截面半径、波面曲率半径和位相因子是高斯光束传播中的三个重要参数。1、高斯光束的截面半径高斯光束截面半径的表达式为：从图8-2中可以看出，高斯光束在均匀的透明介质中传播时，其光束截面半径与不成线性关系，而是一种非线性关系，这与同心光束在均匀介质中的传播完全不同。图8-2高斯光束传播2、高斯光束的波面曲率半径高斯光束的波面曲率半径表达式为：高斯光束在传播过程中，光束波面的的曲率半径由无穷逐渐变小，达到最小后又开始变大，直至达到无

3、限远时变成无穷大。3、高斯光束的位相因子高斯光束的位相因子表达式为：高斯光束的截面半径轨迹为一对双曲线，双曲线的渐近线可以表示高斯光束的远场发散程度，如图8-3所示。图8-3高斯光束的发散角高斯光束的孔径角为：4、高斯光束传播的复参数表示假设有一个复参数，并令当=0时，得因为，所以把和代入式得这与同心球面光束沿z轴传播时，其表达式为有相同的表达形式。说明高斯光束在传播过程中的复参数和同心球面光束的波面曲率半径R的作用是相同的。三、高斯光束的透镜变换在理想光学系统中，近轴光学系统的物象公式为假定光轴上一点O发出的发散球面波经过透镜L后变成汇聚球面波交光轴上的点，如图8-

4、4所示。图8-4球面波经透镜变换由成像关系得对高斯光束来说，在近轴区域其波面也可以看作是一个球面波，如图8-5所示。图8-5高斯光束经透镜变换当高斯光束传播到透镜L之前时，其波面的曲率中心为C点，曲率半径为R1，通过透镜L后，其出射波面的曲率中心为点，曲率半径为R2。对曲率中心C和而言，也是一对物象共轭点，满足近轴光成像关系，即：当透镜为薄透镜时，高斯光束在透镜L前后的通光孔径应相等，即：和分别为透镜L前后的光束截面半径。上面讨论了高斯光束经透镜的变换关系，但实际应用中，往往只知道高斯光束的束腰半径和束腰到透镜的距离z，而经透镜变换后光束的束腰位置和束腰半径又是我们需

5、要知道的两个参数。经以上各个公式最终求得变换后的高斯光束束腰半径和束腰位置。四、高斯光束的聚焦和准直1、高斯光束的聚焦由于激光束在打孔、焊接、光盘数据读写和图像传真等方面的应用都需要把激光束聚焦成微小的光点，因此设计优良的激光束聚焦系统是非常必要的。因此初与z有关外，还与有关。要想获得良好的聚焦光点，通常应尽量采用短焦距透镜。2、高斯光束的准直由于高斯光束具有一定的光束发散角，而对激光测距和激光雷达系统来说，光束的发散角越小越好，因此有必要讨论激光束的准直系统设计要求。由导出高斯光束的发散角可近似为经透镜变换后其光束发散角为将代入上式得由上式可以看出，不管z和取任何值

6、，，说明高斯光束经单个透镜变换后，不能获得平面波，但当时，可得说明与和有关，要想获得较小的，必须减小和加大。为此，激光准直系统多采用二次透镜变换形式，第一次透镜变换用来压缩高斯光束的束腰半径，故常用短焦距的聚焦透镜；第二次使用较大焦距的变换透镜，用来减小高斯光束的发散角，其准直系统的原理如图8-6所示。图8-6激光准直系统五、半导体激光治疗仪（结合科研）半导体激光治疗仪半导体激光太阳穴照射对治疗高粘血症和脑供血不足有显著疗效。但是，由于太阳穴处有毛发存在，所以，无法使用吸盘保持激光器。使用光纤针进行氦氖激光照射，对高粘血症和脑供血不足也很有疗效。不过，由于要将较粗的光

7、纤针插入血管，其操作显得十分不便；对于接受治疗者来说，有痛感和其它不适感，如晕针；容易引起感染；被治疗者行动也显不便。为了克服现有高粘血症和脑供血不足激光治疗装置存在的上述诸项不足，我们研制成功实用新型半导体激光治疗仪及其激光器保持装置及鼻腔动脉照射头。其直接照射动脉，功效强；用耳麦结构，使用方便。设计小巧，造价便宜。§8－2傅里叶变换光学系统光学信息处理的任务是研究以二维图像作为媒介来进行图象的识别、图象的增强与恢复、图像的传输与变换、功率谱分析和全息术中的傅里叶全息存储等。而担任上述任务的数学运算是傅里叶变换，光学成像透镜就具备这种二维图像的傅里