光束的聚焦特性和光譜特性研究.pdf

1、光束的聚焦特性和光譜特性是現代光學的重要研究內容，對現代光學和激光技術的發(fā)展具有重要意義。 本文首先介紹了研究光束傳輸變換的基本理論和分析方法，以及描述部分相干光的模型，包括高斯-謝爾模型光束、扭曲高斯-謝爾模型光束、各項異性扭曲高斯-謝爾模型光束、部分相干修正貝塞爾高斯光束等。同時還介紹了透鏡的球差對光束聚焦特性的影響。在此基礎上，本文進行的主要工作有： 利用Collins公式導出了平頂多高斯光束通過無光闌ABCD光學

2、系統(tǒng)的傳輸公式，進一步導出了基于二階矩定義的束腰寬度、M2因子和Kurtosis參數的解析表達式，同時還給出了平頂多高斯光束在自由空間中以及通過薄透鏡聚焦的束腰寬度及位置的解析表達式?；谄巾敹喔咚构馐ㄟ^球差透鏡后聚焦光場軸上點的光強分布表達式，討論了菲涅耳數Nw和球差系數kS1對聚焦光場的影響。結果表明當高斯光束菲涅耳數較小時，正、負球差對應的軸上最佳聚焦點位于無球差時最佳聚焦點的左側；當高斯光束菲涅耳數較大時，正、負球差對應的軸上

3、最佳聚焦點分居于無球差時最佳聚焦點的兩側。因此當透鏡具有正球差時，可以通過改變高斯光束菲涅耳數Nw的值，實現無焦移甚至是正焦移。 基于部分相干光的傳輸理論，研究了部分相干修正貝塞爾高斯光束(MBGB)通過光闌透鏡系統(tǒng)后軸上光譜位移及光譜開關現象。數值計算結果表明，光譜開關主要與截斷參數、光束菲涅耳數以及光譜相干度有關。光譜開關的個數隨著光束菲涅耳數以及截斷參數的增大而增多，而隨光譜相干度的增大而減少。但當截斷參數增大到一定值，光

4、譜開關現象將消失。例如，當光譜相干度取0.5時，截斷參數大于2.2以后，光譜開關將消失，僅表現出藍移。同時對部分相干修正貝塞爾高斯光束通過球差透鏡后聚焦光場軸上點的光強分布也進行了研究。數值計算表明，當相干度較小時，正、負球差對應的最佳聚焦點位于無球差時對應的最佳聚焦點的兩側；當相干度較大時，正、負球差對應的最佳聚焦點將位于無球差時對應的最佳聚焦點的左側。研究還表明，隨著透鏡菲涅耳數的增大，最佳聚焦點向幾何焦點方向靠近，并趨于一個定值，

5、當光束菲涅耳數為1時，無球差對應最佳聚焦點逐漸趨于0.908倍幾何焦距處，該值與相干度無關；當透鏡具有球差時，該值則與相干度有關。 利用Collins公式，詳細研究了余弦高斯光束被無光闌透鏡聚焦后的軸上光強分布和焦開關效應。研究表明，當光束參數大于1時，聚焦余弦高斯光束將會出現焦開關現象。相對躍遷量隨著光束參數的增大而增大，軸上歸一化光強最小值隨著光束參數的增大而減小，并且當光束參數大于4時，軸上歸一化光強最小值近似為零。同時，

6、利用余弦高斯光束通過球差透鏡聚焦的軸上光強分布表達式，討論了球差系數kS1及高斯光束菲涅耳數Nw對軸上光強分布的影響。由結果可知負球差可作為獲得軸向光強平頂分布的一種方法。當透鏡無球差時，最佳聚焦點位于幾何焦點的左側。當透鏡具有正球差時，通過改變菲涅耳數Nw可以實現最佳聚焦點由幾何焦點左側Zf1快速躍變到右側Zf2，即出現焦開關現象。球差系數越大，對應的相對躍遷量△zf=|zf1-zf2|也越大，而臨界菲涅耳數(Nw)c則越小，如當kS