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畸变光束的焦斑质心位置
高学燕 苏 毅 谢川林 何均章 袁学文 关有光
(中困T程物理研究院应用}l_l了学研究所621900)
摘要:为分析振幅和位相发生畸变情况下光束焦斑质心位置所受的影响,以光波标量衍
射理论中的火琅和费衍射公式为基础,根据光斑强度分布一阶矩质心位置的定义,推导r,直接
依赖于光束近场复振幅分布的焦斑质心位置的一般表达式。进一步推导fr焦斑质心位置对光束
近场强度分布和位相斜率分布的依赖关系式,并对该式清晰的物理意义进行了阐述。利用焦斑
质心位置表达式,可分析和确定由于振幅调制和位相畸变导致的质心位置偏移。最后,对无位
相畸变和存袖吖氐阶泽尼克位相畸变情况下的简单畸变光束进行了拥应的分析讨论。
关键词: 物理光学复振幅位相强度分布丈琅和费衍射光斑质心
一、引 言
在空间激光通讯等应用技术中,需要将激光束以非常高的对准精度聚焦到激光接收目
标上,常以焦斑质心位置评价或衡量对准(瞄准)精度。实际上,除了跟踪瞄准控制系统
的精度会影响焦斑质心位置外,发射激光束自身波前位相和强度分布的畸变也会影响焦斑
质心位置的稳定性。关丁.有振幅调制和位相畸变的光束的光束质量的研究较多,但有关焦
斑质心位置冈光束畸变而受到影响的研究却很少。
一般情况卜.,理想光束焦斑质心位于近场光束中心轴线上。但是,若光束为畸变光束,
则焦斑质心将偏离几何光轴。焦斑质心位置是怎样直接依赖于光束近场的?这是一个尚未
圆满解决的问题。为此,本文对此进行了理论分析和推导,得到了畸变光束的焦斑质心与
其近场位相和强度间的一个具有清晰物理意义的表达式。
二、焦斑质心公式的推导
为获得焦斑质心位置对光束近场简明的直接依赖关系,本节的做法是:(1)由光波标
量衍射理论中的夫琅和费衍射公式得到依赖于光束近场复振幅分布的焦斑光场复振幅分
布;(2)按光强的定义,得到依赖丁光束近场复振幅分布的焦斑强度分布;(3)按光斑强
度分布一阶矩质心位置的定义,得到依赖于光束近场复振幅分布的焦斑质心位置;(4)进
一步化简得到依赖于光束近场强度分布和位相斜率的焦斑质心位置表达式。
2.1焦斑光场和光强分布
标量衍射理论中的夫琅和费衍射公式
. r2…2∞∞ 7
(1)
y(W):去P烈“蚩’ffu(口,f1)P12烈者”嘉I.P)dadfl
z/LL ‘二二
—.197..
I(x,Y)=V’(x,y)l/(x,Y)
2.2直接依赖于近场复振幅的焦斑质心位置
依定义,由焦斑光强分布可得其X方向(y方向的讨论是类似的)的一阶矩质心位置
i=i1『『xZ(x,y)dxdy (3)
式中P表示焦斑总功率
(4)
已知焦斑光场复振幅分布是光束近场复振幅分布的傅里叶变换,而傅里叶变换具有帕
塞瓦定理表述的功率守恒性质,因此,焦斑功率与近场功率相同,故
P=ffu+(口,∥)u(口,f1)dadfl (5)
将式(2)代入式(4),直接化简积分,也可得到式(5)。
克6函数的傅里叶积分表示性质和筛选性质等运算性质,化简式(3)分子上的积分,然
幅分布的焦斑质心位置表达式
2.3直接依赖于近场光强分布和位相斜率的焦斑质心位置
对实际存在的问题,容易得到的数据常常是光束的强度分布和波前位相斜率(比如,
依赖于这些参量的焦斑质心位置表达式。为此,将对式(6)作进一步的讨论。设近场光束
..1
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