像散光學(xué)系統(tǒng)中的光束聚焦特性研究.pdf

1、激光光束的聚焦特性是激光光學(xué)中的一個重要研究內(nèi)容,對激光技術(shù)的實際應(yīng)用具有重要意義。在實際工作中光學(xué)系統(tǒng)會出現(xiàn)多種像差,所以對激光光束經(jīng)過非理想光學(xué)系統(tǒng)的聚焦特性研究具有實際意義。本文以激光光束傳輸理論為基礎(chǔ),研究討論了激光光束通過像散透鏡聚焦后光束參數(shù)的改變,焦開關(guān)現(xiàn)象及光束整形等。
　　 1.應(yīng)用二階矩法推導(dǎo)出了正弦.高斯光束通過像散透鏡后束寬的解析表達(dá)式。通過數(shù)值計算對正弦.高斯光束通過像散透鏡后的光束參數(shù),例如束寬和遠(yuǎn)場

2、發(fā)散角等參數(shù)作了研究。結(jié)果表明:像散使x方向與y方向的束寬及遠(yuǎn)場發(fā)散角一般不相等,與通過理想無像散系統(tǒng)的光束相比較,兩方向上束寬的相對誤差在傳輸距離z上隨像散系數(shù)和偏心參量的變化規(guī)律相似；幾何焦面上兩方向束寬的相對誤差相等,而在像方束腰面上適當(dāng)選擇像散系數(shù)可消除x方向上束寬的相對誤差,但是在y方向上束寬的相對誤差一直存在；遠(yuǎn)場發(fā)散角的相對誤差在兩方向上不相等,與偏心參量及像散系數(shù)都有關(guān)。
　　 2.利用Collins公式推導(dǎo)出了

3、余弦平方一高斯光束通過像散透鏡聚焦后軸上光強分布的解析表達(dá)式,通過數(shù)值運算并對計算結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)分析。在給定光束參數(shù)和光束菲涅耳數(shù)的條件下,光束入射面位置不同時,得到了余弦平方一高斯光束通過像散透鏡后的相對焦移隨像散參數(shù)的變化規(guī)律,得到了在此條件下,產(chǎn)生雙焦開關(guān)時光束入射位置的范圍,對像散引起的焦開關(guān)現(xiàn)象進(jìn)行了物理解釋；進(jìn)一步的分析還得到了如下結(jié)論:隨光學(xué)系統(tǒng)幾何參數(shù)δ的改變可以產(chǎn)生多焦開關(guān)現(xiàn)象,焦開關(guān)出現(xiàn)的次數(shù)和臨界δ的大小受像散參數(shù)

4、、菲涅爾數(shù)及光束參數(shù)的影響,并且像散參數(shù)和菲涅爾數(shù)的大小決定了是否出現(xiàn)三次焦開關(guān)現(xiàn)象,光束參數(shù)可以控制是否出現(xiàn)焦開關(guān)現(xiàn)象；同時其余參數(shù)取特定值時,改變菲涅爾數(shù)也會產(chǎn)生焦開關(guān)現(xiàn)象。
　　 3.詳細(xì)研究了復(fù)宗量雙曲余弦高斯光束通過像散透鏡聚焦后的焦開關(guān)現(xiàn)象,分析了光束參數(shù)、像散參數(shù)、菲涅爾數(shù)及光學(xué)系統(tǒng)幾何參數(shù)對焦開關(guān)現(xiàn)象的影響。大量數(shù)值運算的結(jié)果表明:在一定條件下,改變光束參數(shù)b、菲涅爾數(shù)Nw會產(chǎn)生焦開關(guān)現(xiàn)象,且改變光束參數(shù)α或像散

5、參數(shù)C6可以產(chǎn)生雙焦開關(guān)現(xiàn)象；當(dāng)其余參數(shù)取特定值,隨光學(xué)系統(tǒng)幾何參數(shù)δ的改變可以出現(xiàn)一次焦開關(guān)、雙焦開關(guān)或三次焦開關(guān)現(xiàn)象,增大光束參數(shù)α可以減少焦開關(guān)出現(xiàn)的次數(shù),但增大光束參數(shù)b、菲涅爾數(shù)及像散參數(shù)會增加焦開關(guān)出現(xiàn)的次數(shù)。
　　 4.從部分相干光的傳輸理論出發(fā),對第一類零階貝塞爾.謝爾模型(JSM)光束通過像散透鏡聚焦后的光束整形進(jìn)行了研究,結(jié)果表明:當(dāng)像散參數(shù)和菲涅爾數(shù)取特定值時,改變空間相干長度可以得到平頂光束或局域空心光束