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。
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