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⾼斯光束
⾼斯光束
⾼斯光束
在光学中,⾼斯光束(Gaussianbeam)是横向电场以及辐射照度分布近似满⾜⾼斯函数的电磁波光束。许多激光都近似满⾜
⾼斯光束的条件,在这种情况⾥,激光在光谐振腔(opticalresonator)⾥以TEM00波模传播。当它在镜⽚发⽣衍射,⾼斯光
束会变换成另⼀种⾼斯光束,这时若⼲参数会发⽣变化。这解释了⾼斯光束是激光光学⾥⼀种⽅便、⼴泛应⽤的原因。
描述⾼斯光束的数学函数是亥姆霍兹⽅程的⼀个近轴近似(Paraxialapproximation)解(属于⼩⾓近似(Small-angle
approximation)的⼀种)。这个解具有⾼斯函数的形式,表⽰电磁场的复振幅。电磁波的传播包括电场和磁场两部分。研究其
中任⼀个场,就可以描述波在传播时的性质。
⾼斯光束的瞬时辐射照度⽰意图
纳⽶激光器产⽣的激光
场强(蓝⾊)和辐射照度(⿊⾊)在坐标轴上的分布情况
共焦腔基模⾼斯光束腰斑半径
数学形式
⾼斯光束作为电磁波,其电场的振幅为:
这⾥
为场点距离光轴中⼼的径向距离
为光轴上光波最狭窄位置束腰的位置坐标
为虚数单位(即)
为波数(以弧度每⽶为单位)
,
为电磁场振幅降到轴向的1/e、强度降到轴向的1/e2的点的半径
为激光的束腰宽度
为光波波前的曲率半径
为轴对称光波的Gouy相位,对⾼斯光束的相位也有影响
对应的辐射照度时域平均值为
这⾥为光波束腰处的辐射照度。常数为光波传播介质的波阻抗(Waveimpedance)在真空中,。
波束参数
⾼斯光束的许多性质由⼀系列波束参数决定,下⾯将分别予以介绍。
束宽
对于在⾃由空间传播的⾼斯光束,其腰斑(spotsize)位置的半径在光轴⽅向总⼤于⼀个最⼩值,这个最⼩值被称为束腰。波
长为的光波的腰斑位置在轴上的分布为
这⾥将定义为束腰的位置。
被称为瑞利距离(Rayleighlength)。
瑞利距离和共焦参数
与束腰轴向距离等于瑞利距离处的束宽为
这两点之间的距离称作是共焦参数(confocalparameter)或光束的焦深(depthoffocus)。
曲率半径
是光束波前的曲率半径,它是轴向距离的函数
光束偏移
当,参数趋近于⼀条直线。这条直线与中央光轴的夹⾓被称为光束的偏移“”,它等于
在原理束腰的位置,光束弯散的总⾓度为
由于这⼀性质,聚焦于⼀个⼩点的⾼斯激光在远离这个点的传播过程中迅速散开。为了保持激光的准直,激光束必须具有较⼤
的直径。束宽和光束偏移的这⼀关系是由于衍射的缘故。⾮⾼斯光束同样会表现这⼀效应,但是⾼斯光束是⼀种特殊情况,其
束宽和偏移的乘积是可能达到的最⼩值。
由于⾼斯光束模型使⽤了近轴近似,当波前与光传播⽅向倾斜程度⼤于30度之后,这种模型将不再适⽤。通过上述偏移的表达
式,这意味着⾼斯光束模型进队束腰⼤于的光束适⽤。
激光束的质量可以⽤束参数乘积(beamparameterproduct(BPP))来衡量。对于⾼斯光束,BBP的数值就是光束的偏移量与
束腰的乘积。实际光束的BPP通过计算光束的最⼩直径和远场偏移量的乘积来获得。在波长⼀定的情况下,实际光束的BPP数
值与理想激光束的BPP数值的⽐值被称为“M2”。⾼斯光束的M2值为1,⽽所有的是激光束的M2值均⼤于1,并且质量越好的激
光的M2值越接近1。
Gouy相位
光束的纵向相位延迟,或称Gouy相位为
当光束通过焦点时,除了正常情况的相移,Gouy相移为。
复数形式的光束参数
光束参数的复数为
为了计算⽅便,常常使⽤它的倒数
光束参数的复数形式在⾼斯光束传播的分析中有着重要地位,特别是分析它在光谐振腔中谐振过程时。
利⽤复数光束参数,具有⼀个横向维度的⾼斯光束电磁场与下式成⽐例
在⼆维的情况⾥,可以讲散光的光束表达为乘积的形式
对于圆对称的普遍情况,且,可以得出
功率和辐射照度
流经孔隙的功率
流经距离z轴半径为r的圆的功率为
这⾥为电磁波传播的总能量
流经以为半径的圆的能量占总能量的⽐值为
类似的,占光波总能量约95%的部分将流经半径为的圆形⾯积。辐射照度的峰值和平均值
在与束腰的轴向距离为的位置,利⽤洛必达法则,可以计算该位置的辐射照度峰值
可以看出,辐射照度峰值为平均值的两倍,后者等于总能量除以半径为圆的⾯积。
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