2.7 高斯光束聚焦和准直

第十一节高斯光束的聚焦与准直提高激光的光功率密度-对高斯光束聚焦。减小光束发散角，提高能量传输距离对高斯光束准直。一、高斯光束的聚焦()00'1.由,选择和使最小220222020'lFFFl'02、一定时，随的变化情况。F'0l(1)当lF时，；当l=0时，达到最小。'0l'02022020min01'FfFF将l=0代入像方束腰位置公式得像方束腰最小时的位置为：FFfFl2111'像方束腰最小时的腰斑放大率：11120'min0Ffk由公式说明什么?220222020'lFF若进一步有，则最小束腰大小和位置分别为：fFfF0min0'Fl'(2)当lF时，；当时，达最小。'0l'0l此时，最小腰斑及位置为：0'min0Fl'—过渡到几何光学情形！一般地，当时，Fl2211FlFlFlFl0'Fl'入射到透镜表面的光束半径。220222020'lFF若进一步有，则fl2211flflfl00'lF(3)当l=F时，达最大值：'0F0max0'只有，即时，1'2000fFFfF透镜才有聚焦作用。由公式说明此时是否聚焦?20f也称为瑞利长度(4)F一定时的聚焦规律小结0max0'fF有聚焦作用。F'0l见书上图2.11.1只有当时，才具有聚焦作用，F越lRF21小，聚焦效果越好。见书上图2.11.24、高斯光束聚焦小结(1)选用短焦距透镜。只要，即，则无论l如何透镜总3、一定时，随的变化情况。lR到达镜面的波面曲率半径20f(2)让物光束腰斑远离透镜焦点，满足和Flfl(3)取，并设法满足条件。0lFf二、高斯光束的准直1、核心问题：减小发散角，提高方向性。途径：提高光束束腰半径220222020'lFF选择F、l取值02、单透镜法选取大F使l=F01022lim2zzze22021212020'lff2、双透镜法（倒置望远镜准直）使用第一个短焦透镜缩小束腰半径为，同时使束腰位于另一大焦距透镜物方焦平面上，经第二透镜后光束准直'0102,02,,02lf1l)('120lf)(l短焦透镜(副镜)上光斑半径0'在短焦透镜焦平面上？？？准直系统的准直倍率00M200000)(1'''lMM远场发散角入射光束的0散角光束的0远场发准直02,02,,02l倒置望远镜的放大率12ffM第十二节高斯光束的自再现变换与稳定球面腔一、高斯光束的自再现定义：如果一个高斯光束通过某个光学系统后其结构不发生变化，即参数或不变，则称这种变换为自再现变换。0f须满足ll''000qlllqcc在透镜变换中须满足二、高斯光束自再现的方法透镜、球面反射镜、稳定球面腔三、利用透镜实现高斯光束的自再现q0=iff=w02/22022022202220lFlFlFlFlqcCFiq0=iff=w02/0qlllqcc四、球面反射镜对高斯光束的自再现变换1、自再现条件FlRR2条件：入射在球面镜高斯束波前曲率半径等于球面镜的曲率半径220121llF或FlR2物高斯束在透镜表表面上的等相面的曲率半径02121220RllFl2、说明若，则高斯光束的参数会变化，则应该用以下一般公式计算和：lRR'l'02022222FlFFlFfFlFFlFl22022202222020'lFFflFF五、高斯束的自再现变换与稳定球面腔2、q参数法处理稳定腔问题出发位置：腔内某一参考平面初始光束：qM往返一周后：qM’DCqBAqqMMM'自再现时：MMqq'DCqBAqqMMM1、意义-获得腔稳定条件BDAiBADqM41212对照q参数的定义可求得高斯模在参考平面上的曲率半径和光斑尺寸为：ADBR24241DAB公式讨论(见书上)要存在真实的高斯模，必须ω为实数。则：122DA121DA推论：在稳定光学开腔中不存在傍轴光线的几何溢出损耗与腔内存在高斯光束型的本征模这一断言是等价的。第十三节光束衍射倍率因子核心问题：激光束的质量好坏如何描述？时域质量？空域质量？一、描述激光束空域质量的参数1、聚焦光斑尺寸、远场发散角缺陷：经过光学系统后这些参数要变。2、光腰尺寸和远场发散角的乘积基模：220000高阶厄米-高斯光束：212121200mmmmm高阶拉盖尔-高斯光束：212121200nmnmnmmnmn3、光束衍射倍率因子M2—国际上公认基模：12M高阶厄米-高斯光束：122mMx122nMy高阶拉盖尔-高斯光束：122nmMrM2的物理意义：基模高斯光束的M2最小，光腰半径和发散角最小，达到衍射极限。高阶高斯光束以及其他非理想光束的M2则很大，偏离衍射极限大。a、光腰半径x方向：20220212xmMmy方向：20220212ynMnb、z处光斑半径x方向：222212zMzmzxmy方向：22212zznzn远场发散角x方向：0200122122limxmzmMmmzzy方向：0200122122limynznMnnzz画图表示腔内基模、高阶模光束示意图