激光光学研究的进展.pdf

第21卷第2期 量子电子学报 Vdl．21No．2 0F ELECTRONICS 2004年4月 CHINESEJOURNAL QUANTUM Apr．2004 文章编号： 1007—5461(2004)02—0134—05 激光光学研究的进展 吕百达， 季小玲 (四川大学激光物理与化学研究所， 四川 成都 610064) 摘 要： 对激光光学研究的进展作了综述．提出一些在光束描述和传输变换中值得进一步研究的问题，并作 了简略分析． 关键词： 激光光学；光束描述；光束传输变换；光束控制 中图分类号：0435 文献标识码：A “光束”是现代光学中经常使用的一个物理概念。一般而言，光束是以小的发散角定向传输的光频电 磁波。在实际工作中，由激光器输出的光束常需要通过一些光学系统(包括自由空间)后，才能到达激光 与物质相互作用面，‘或者因输出激光参数不能满足应用要求而需要设计合适的光学系统加以变换。激光光 学是以光束描述、传输变换和光腔技术物理为主要研究对象的，即研究各类激光束通过一些典型光学系统 (成像、非成像光学系统，轴对称和非轴对称光学系统等)、各种介质(均匀和非均匀介质、各向同性和各 向异性介质等)的传输变换规律，以及与光腔工程相关的光腔技术物理问题的一门分支学科。白1960年世 界上第一台红宝石激光器问世以来，因应用需求的牵引，光束传输变换特性和光腔技术物理的研究工作一 直十分活跃。在激光光学发展的早期，研究的重点是以高斯光束为代表的完全相干非匀幅激光束在自由空 ABcD矩阵元联系起来[1】，不仅大为增强了矩阵光学的活力，而且拓宽了衍射积分的应用范围。这些研究 成果被推广应用于处理部分相干光、非高斯光束的传输问题，并取得成功。可以认为，绝大多数情况下， 在标量衍射理论和近轴近似框架内，使用激光光学方法能够足够好地描述光束通过各种介质、光学系统以 及在光学谐振腔内的变换规律，并得到了实验证实。本文结合我们的工作体会，对激光光学的研究现状和 研究对象作了综述，并对未来发展提出一些看法供讨论。 在激光光学中研究的主要光束类型有： ·高斯光束 用高斯函数表征的高斯光束是近轴波动方程的一个特解。可以证明，用高斯光束可以足够好地描述约 束稳定腔基模激光束的特性。高斯光束的基本性质、表示方法，高斯光束通过成像光学系统、各类介质的 传输，以及像散高斯光束的变换等是激光光学的主要研究内容。高阶高斯光束在直角坐标和柱坐标系下分 别可用厄米一高斯函数和拉盖尔一高斯函数来描写，虽然与高斯光束相比，它们有不同的场分布，但是， 采用适当的数学方法可以证明，厄米一高斯光束、拉盖尔一高斯光束与高斯光束有相似的变换规律。 收稿日期：2003—07—16 E—mail：badalu@scu．edu．cn 第2期 吕百达等：激光光学研究的进展 135 ·像散光束 当光束在非轴对称光学系统中传输时，会产生像散。像散光束也可由非轴对称光腔产生。像散光束可 有不同分类。一般地，像散光束包括在子午面和弧矢面内光束参数可分离的简单像散光束和光束参数有耦 合的、或者有扭曲项(Twist)的复杂像散光束。像散光束及其对称化变换实际是应用中一个十分令人感兴 趣的研究课题。 ·受光阑限制光束 光束在产生和传输过程中都或多或少地受到光阑限制。因此，在实际应用中不可避免地要处理光阑对 光束的变换问题。对软边光阑，例如高斯光阑，常可用解析方法研究，问题比较简单。对受硬边光阑限制 光束的传输问题，一般需要用耗时甚多的数值积分方法进行研究。因此，寻求近似的解析公式，或者快速 计算方法成为研究有硬边光阑，特别是受多个硬边光阑限制光学系统中光传输中一个重要问题。 ·高斯一谢尔模型光束 实际的激光束大多是部分空间和部分时间相干的。描写部分空间相干光的一个比较好的数学一物理模 型是高斯一谢尔模型光束。与完