《现代光学基础教学课件》激光原理4.ppt

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1、§2.7高斯光束§4.1高斯光束的基本性质及特征参数腔的行波场特性→决定输出光束特性基横模输出光束→光强和振幅:高斯分布高斯光束的特征光强与振幅分布：高斯分布振幅下降1/e处光斑/束半径：0束腰:光束最细/光斑半径最小处,坐标Z=0。激光束：马鞍形。光斑半径：与腔的轴线在z点相交的等相位面曲率半径为:等相位面：近似球面OZ其曲率中心和曲率半径随传播过程而改变；振幅和强度在横截面内为高斯分布。高斯光束非均匀球面波远场发散角：瑞利长度ZR高斯光束光斑面积是束腰处的两倍。在[-ZR,ZR]，即2ZR长度内，为高斯光束的准直距离，此范围内光束可近似认为

2、是平行的。瑞利长度越长，意味高斯光束准直性越好。当Z=ZR,光斑半径z02ZR共焦参量2）高斯光束特征参数光斑半径腰斑半径（束腰）波面曲率半径束腰处，q参数(q0)：q参数（复曲率半径）f---共焦参量远场发散角：§2.8高斯光束的传输与变换规律高斯光束的特征参数计算问题类型1.已知腰斑（或共焦参量f）与距离腰位置Z2.已知任一坐标Z处的光斑半径及等相面3.高斯光束的q参数变换问题q参数（复曲率半径）:束腰处，q参数(q0)：q参数变换方法矩阵法：采用ABCD法则解析法束腰处：自由空间变换矩阵：由ABCD法则：1.在自由空间中的传播高斯光束q参数

3、变换规律—ABCD公式f---共焦参量q1q2Z1Z22.通过焦距为F的薄透镜q变换AB1.求：已知：二、用q参数分析高斯光束经单透镜的传输过程2.求镜后束腰：方法一：处：A处：B处：C处：1.求：方法二：关键：求变换矩阵若出射面在薄透镜后焦面上，lc=F：光斑半径，2.求镜后束腰：变换前后的束腰大小关系变换前后的束腰位置关系若入射束腰在物方焦点处，：最大值当入射束腰位于透镜前焦点时，出射束腰在后焦点，与几何光线不同多个透镜系统的变换:逐个利用公式计算§2.9高斯光束的聚焦和准直一、高斯光束的聚焦使激光束会聚为极小点，得到光能集中的小光斑讨论：F

4、一定，l一定时l′、ω0′变化情况（1）随的减小而减小时：当1.一定时，随与的变化情况：腰斑放大率：时，，不论透镜焦距为多大，都有一定的聚焦作用，越小，聚焦作用越好；像方腰斑的位置处在透镜后焦点以内。结论：高斯光束聚焦(F一定时)（2）时：当随的增大而单调减小当时：结论：时，越大，越小，聚焦效果越好。高斯光束聚焦(F一定时)（3）达到极大值且：无聚焦作用；有聚焦作用。结论：高斯光束聚焦(F一定时)F一定：2.一定时，随的变化情况：（1）时：透镜对高斯光束实现自再现变换（2）时：有聚焦作用（3）时：无聚焦作用1.短焦距透镜会聚，减小2.，即把入射高

5、斯光束腰斑放在透镜表面，并增大入射光束腰，使3.增大束腰至透镜前焦点距离欲获得小值，以获得较好的聚焦效果，可采用：高斯光束聚焦——结论小大腰斑小，光束发散角大，发散得快；腰斑大，光束发散角小，发散得慢。原则上说，不可能用单透镜将高斯光束转换成平面波。二、高斯光束的准直压缩光束发散角使能量集中1.单透镜准直时，达到极大值达到极小值时，有较好的准直效果。结论：当透镜的焦距F一定时，若入射高斯光束的束腰处在透镜的前焦面上，则光束发散角达到极小。越大，越小；越小，越小；时，达到极大值达到极小值2.望远镜准直（共焦面系统）①先用一个短焦距透镜将高斯光束聚焦

6、，以获得极小腰斑；②再用一个长焦距透镜改善其方向性。时：将高斯光束聚焦于L1透镜后焦面上，得一极小光斑M’与望远镜结构参数F2/F1有关，而且与高斯光束的结构参数f以及腰斑和副镜的距离l有关。