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激光院罗风光 光电子学导论:光电子器件 第四章 高斯光束 高斯光束 平面光束是最简单的光束,但实际中很难存在,实际中应用更多的是旁轴波。 所谓旁轴波是指一种在轴上波前的垂线与行进方向交角很小、基本处于平行情况的波,它满足Helmk01M方程.且光束功率基本上也集中于轴附近。 高斯光束就是满足这一条件的最常见的光束。 不少激光器产生的光束为高斯光束; 光纤中传播的光也一般呈高斯分布。 高斯光束 高斯光束表达式 高斯光束是一种旁轴波,为此我们可认为它是平面波振幅缓变的结果。设一平面波为 高斯光束 将一个波长内的振幅变化用?A来表示,于是 高斯光束 它是一个中心点在z=o处的抛物面波,相当于一个球面波的旁轴近似。 若该波中心点在z=z’处,则其解仍为一抛物面波,只是上式中的z以z-z’代替 高斯光束 光电子器件——光 高斯光束的特性 高斯光束的特性 轴上光强 高斯光束的特性 图2—10为高斯光束光强分布示意图。 高斯光束的特性 2.束腰半径与发散角 计算以?(z)为半径的面积内通过的光功率P(?)与总功率P之比,得 高斯光束的特性 由此可见束半径在z=0处最小,为?0,形象地称为束腰半径,其值如式(2-101d); 随着z的增加,?(z)逐渐增大,到|z|=z0时,?(z)= ?0;此后, ?(z)随z单调递增: |z|z0 后,可得 高斯光束的特性 3.高斯光束的瑞利距离与焦深 瑞利距离——由光强分布表达式可知,z=0处轴上光强达峰值。我们将轴上光强降为峰值的一半时相应的z值称为瑞利距离,其表达式可根据式(2—l01d)推得 高斯光束的特性 可见,焦深与波长成反比、与束腰面积成正比。这意味着,除非波长很小,否则很难同时获得长焦深与小束腰; 对于一定波长的光,束腰越小,则焦深越小,散焦情况越严重。 高斯光束的特性 4.相位、波前与曲率半径 根据高斯光束表达式(2-l02),可得其相位为 高斯光束的特性 高斯光束的特性 * ???????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 则相应的振幅缓变波如图a可表示为 (2-95) 所谓振幅沿轴向缓变,是指A(r)在z方向波长尺度?内变化极缓。因而该波在保持平面波大部分特性的前提下,波前发生弯曲,形成旁轴波(图b)。 轴向缓变波 (2-96) 因而 ,若设振幅的变化 是缓变的,同样有 。 就此,Helmho1tz方程变为 (2-97) 这是一个旁轴Helmho1tz方程,即波包缓变的Helmholtz方程,它存在一个简单解 (2-98) (2-99) (2-100a) 某些特殊情况下,z’为纯虚数z’=-jz0。z0为实数.则式(2-99)为高斯光束复数解 式中 (2-100b) 另外,由于 式中 R(z)为光束波前的曲率半径,?(z)为z处光束的宽度,称束半径。将之代人式(2-95),并令 (2-101a) (2-100b) (2-100c) (2-101d) 则得高斯光束的波函数表达式 式中 (2-102a) (2-102b) 称为瑞利距离,是轴上光强降为最大值一半时的位置,它与A0由边界条件确定。 高斯光束的特性 高斯光束的表达式得出后,我们就可以讨论其光束特性。 1.光强与功率 根据光强的定义式(2-67), 可知高斯光束的光强可表示为 (2-103) 可见,在任何点z处光强都是径向距离?的高斯函数(故称这种光束为高斯光束)。高斯光束在轴上(?=0)强度最大,随着?的增加而单调按指数规律下降,至?=?(z)处强度下降为轴上的1/e2,故称?(z)为z处的束半径,它随z的增大而增大。 可见,在z=o处,轴上光强最大,为I(0,0)=A02=I0; 随着z的增大,轴上光强减小, 当z增大到瑞利距离z=?z0时,轴上光强降为峰值的一半; 当|z|》z0时,I(0,z)?A02 (z0/z)2,如同球面波或抛物面波。 光功率为穿过某一面积的光强大小。由于高斯光束没有明显的边界,因而将格光强对整个垂直于z铀的横截面积分 可以看到,光功率等于最高光强乘束腰面积值的一半。 (2-105) (2-104) 可见,约86%的功率均分布在以?(z) 为半径的面积内,因而将?(z)称
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