高斯光束有什么基本性质
高斯光束作为傍轴亥姆霍兹方程的一个解,具有独特的光强分布和传播特性。其功率主要集中在以光轴为中心的圆柱体内,在任何横向平面上,光强分布都呈现圆对称的高斯函数形式,在束腰处光束宽度达到最小值。
高斯光束的复振幅表达式包含了A₀和z₀两个互相独立的参数,其中A₀为常数,z₀是瑞利长度,二者均可依据边界条件确定。此外,高斯光束还有四个重要参数,即光束半径、曲率半径、相位和束腰半径,这些参数均可通过瑞利长度z₀和波长λ来确定。
光强是轴向位置z和径向位置ρ的函数,对于任意z值,光强始终是ρ的高斯函数,其在轴上(ρ=0)取得最大值,随着ρ增大而减小。例如,在z=0、z=z₀和z=2z₀这三个轴向位置上,归一化光强随径向距离的变化情况有所不同,光束尺寸会随着轴向距离的增大而增大。轴上光强在z=0时达到最大值I₀,随着z增大逐渐减小,在±z₀处减为最大值的一半。当z远大于z₀时,轴上光强大致和z²成反比。在评估激光是否可能损伤光学元件时,需将高斯光强乘以2后计算最大线性功率密度(W/cm),并与光学元件的损伤阈值对比,确保实际值小于阈值。
光束功率是光强在任意横向平面上的积分,与轴向位置无关。可根据测量的光束功率,将光强改写成P的函数。对于给定的z值,半径为ρ₀的圆内包含的功率与总功率之比存在一定关系,当ρ₀=W(z)时,圆内功率占比约86%;当ρ₀=1.5W(z)时,圆内功率占比约99%。所以,在实际应用中,光束直径应远小于光学元件的通光孔径,通常将光束直径限制在反射镜直径的三分之一以内。
光束半径在任意横向平面内,光束强度在光轴上取得最大值,在ρ=W(z)时降为最大值的1/e²,以W(z)为半径的圆内包含了总功率的86%,故被称为光束半径或宽度。当z=0时,光束半径取得最小值W₀,该位置即为束腰,W₀是束腰半径。光束半径随轴向距离z的增大而增大,在瑞利距离处增大为束腰半径的√2倍。
当z远大于z₀时,光束半径和z近似成正比,光束会在半角为θ₀的圆锥内发散,这个角度称为半发散角,它与波长成正比,与束腰半径成反比。因此,波长较短且束腰较大的光束具有更好的方向性。
焦深是指光束半径不超过束腰半径√2倍的轴向距离范围,在此范围内光束面积不超过束腰面积的2倍,焦深是瑞利距离的两倍。焦深与束腰面积成正比,与波长成反比,只有短波长才可能同时具备小束腰和长焦深。比如,波长633nm的氦氖激光器,束腰半径为10mm时,焦深约1000m;而束腰半径减小到10μm时,焦深仅1mm。
高斯光束的相位由复振幅决定,当ρ=0时,相位包含平面波相位和古依相位(ζ)。古依相位是轴上位置的波前相对于平面波的超额延迟,其范围从-π/2到+π/2,光波从负无穷远传播到正无穷远时,累积的总延迟等于π,且古依相位的变化在焦深范围内较为明显,远离瑞利范围的区域则变化较小。
波前测量方面,高斯光束相位表达式中的第三项是导致波前弯曲的原因,表示给定横向平面内离轴点相对于轴上点的相位偏差。在轴上z点处,高斯光束的波前曲率半径R,当z=0时,R为无穷大,波前是平面的;当z=z₀时,曲率半径降至最小值2z₀,随后随z增大而逐渐增大;当z远大于z₀时,曲率半径约等于z,波前近似为球面,负方向波前变化趋势相同,方向相反。
-
低密度等离子体棱镜压缩器取得突破,突破传统光学限制,赋能超高功率激光技术
激光技术的迅猛发展,持续推动着人类对极端物理现象的探索,而拍瓦级及更高功率的激光装置,更是解开高能物理、相对论光学等领域奥秘的关键工具。然而,传统激光脉冲压缩技术长期受限于光学元件的损伤阈值,成为制约激光功率提升的核心瓶颈。近日,美国密歇根大学、罗切斯特大学等机构的科研人员联合研发出基于低密度等离子体棱镜的新型脉冲压缩器,为突破这一限制带来革命性进展,相关成果发表于《HighPower Laser Scienceand Engineering》。
2025-08-18
-
从光斑到清晰成像,光学系统如何突破"模糊"极限?
当我们透过镜头观察世界时,那些清晰的图像背后,藏着光的衍射与数学模型的复杂博弈。为何遥远的恒星在望远镜中会变成光斑?光学系统如何传递图像的细节?从艾里斑到调制传递函数,这些关键概念正是解开"模糊"谜题的钥匙。
2025-08-18
-
粉末增材制造技术在掺铒石英光纤激光器中的应用研究
在光纤通信、激光加工及生物医疗等关键领域,高性能光纤激光器的需求持续攀升,而增益光纤作为其核心构成部件,其制造工艺直接决定器件的性能水平。传统制造方法虽能生产高质量增益光纤,但存在生产周期冗长、成本高昂及成分调控灵活性不足等显著局限。近期,PawelManiewski等人在《Optica》期刊发表的研究成果,提出了一种基于粉末增材制造的新型制备方案,为高性能增益光纤的研发开辟了全新路径。
2025-08-18
-
偏心仪在透镜及镜片加工中的应用解析
偏心仪在透镜及镜片加工领域中应用广泛,其核心作用在于通过精密检测与校准,确保光学元件的几何中心与光轴保持高度一致性,进而保障光学系统的成像质量与性能稳定性。具体应用如下:
2025-08-15