3.10_高斯光束的传输与透镜变换

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华中科技大学激光原理课件--第6讲高斯光束的传输变换

• 将上面两式与光线矩阵相比较可以得到球面波的传播规律：波的传播规律：
AR1( z ) + B R 2( z ) = CR1( z ) + D
6.2 高斯光束通过薄透镜的传输
• 高斯光束q参数的变换规律高斯光束q
– 高斯光束在近轴部分可以看作一系列非均匀、曲率中心不断改变高斯光束在近轴部分可以看作一系列非均匀、的球面波，也具有类似于普通球面波的曲率半径R的参数，的球面波，也具有类似于普通球面波的曲率半径R的参数，即q参数： πω 20 2 R( z ) = z 1 + λz 1 1 λ = −i 2 其中 2 q ( z ) R( z ) πω ( z ) ω 2( z ) = ω 2 1 + λ z 0 2 πω 0
πω 20 q( z ) = i + z = q0 + z – 通过整理q的表达式可以得到：通过整理q的表达式可以得到： λ
– 可以得到通过长度为L的均匀介质后的q参数为：可以得到通过长度为L的均匀介质后的q参数为：
q 2( z ) = q1( z ) + ( z 2 − z1) = q1( z ) + L
(1)
= − – 代入到(1)式中，并且比较实部与虚部得到： ω 2 = ω1; 代入到(1)式中并且比较实部与虚部得到：式中， R 2 R1 F – 上面的第一个公式表明薄透镜两面的高斯光束光斑半径相同，这与薄透上面的第一个公式表明薄透镜两面的高斯光束光斑半径相同，镜的特性是一致的；镜的特性是一致的；第二个公式表明薄透镜两面等相位面的曲率半径满足成像公式，即球面中心是关于该透镜的共轭像点，足成像公式，即球面中心是关于该透镜的共轭像点，这与薄透镜对球面波成像的规律是一致的。波成像的规律是一致的。

高斯光束的透镜变换实验免费哦

实验三高斯光束的透镜变换实验一实验目的1.熟悉高斯光束特性。

2.掌握高斯光束经过透镜后的光斑变化。

3.理解高斯光束传输过程.二实验原理众所周知，电磁场运动的普遍规律可用Maxwell 方程组来描述。

对于稳态传输光频电磁场可以归结为对光现象起主要作用的电矢量所满足的波动方程。

在标量场近似条件下，可以简化为赫姆霍兹方程，高斯光束是赫姆霍兹方程在缓变振幅近似下的一个特解，它可以足够好地描述激光光束的性质。

使用高斯光束的复参数表示和ABCD 定律能够统一而简洁的处理高斯光束在腔内、外的传输变换问题。

在缓变振幅近似下求解赫姆霍兹方程，可以得到高斯光束的一般表达式：()222()[]2()00,()r z kr i R z A A r z e ez ωψωω---=⋅ （6）式中，0A 为振幅常数；0ω定义为场振幅减小到最大值的1e 的r 值，称为腰斑，它是高斯光束光斑半径的最小值；()z ω、()R z 、ψ分别表示了高斯光束的光斑半径、等相面曲率半径、相位因子，是描述高斯光束的三个重要参数，其具体表达式分别为：()z ωω= （7）000()Z z R z Z Z z ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭（8）1ztg Z ψ-= （9）其中，200Z πωλ=，称为瑞利长度或共焦参数（也有用f 表示）。

（A ）、高斯光束在z const =的面内，场振幅以高斯函数22()r z e ω-的形式从中心向外平滑的减小，因而光斑半径()z ω随坐标z 按双曲线：2200()1z zZ ωω-= （10）规律而向外扩展，如图四所示高斯光束以及相关参数的定义图四（B ）、在（10）式中令相位部分等于常数，并略去()z ψ项，可以得到高斯光束的等相面方程：22()r z const R z += （11）因而，可以认为高斯光束的等相面为球面。

（C ）、瑞利长度的物理意义为：当0z Z =时，00()2Z ωω=。

在实际应用中通常取0z Z =±范围为高斯光束的准直范围，即在这段长度范围内，高斯光束近似认为是平行的。

光学谐振腔理论-第8节-高斯光束的传输

05 高斯光束的未来发展与应用
高斯光束在光学通信中的应用
高速光通信
高斯光束在光学通信中具有较高的传输速度和较低的信号衰减，有助于实现高速、大容量的光通信系统。
远程通信
高斯光束具有较好的光束质量和传输稳定性，适用于长距离的光纤通信，有助于实现远程、稳定的通信连接。
高斯光束在光学传感中的应用
03 高斯光束的调制与控制
高斯光束的相位调制
01
相位调制是指通过改变高斯光束的相位分布来改变其波前的状态。
02
常见的相位调制方法包括利用液晶空间光调制器、光栅或其他
光学元件对高斯光束进行相位调制。
相位调制在光学通信、光学传感和光学计算等领域有广泛应用，
03
可以实现光束的聚焦、散焦、波形转换等功能。
高斯光束的波前测量
波前测量概述
波前是描述光束相位变化的物理量，高斯光束的波前测量有助于了解光束的传播特性和干涉、衍射等光学现象。
波前测量方法
常用的波前测量方法有干涉法、散斑法、剪切干涉法等，可以根据高斯光束的特点和测量精度要求选择合适的方法。
测量误差来源
波前测量误差主要来源于光束的聚焦、光束截面分布、光学元件的误差等因素。
高斯光束的聚焦特性
聚焦原理
高斯光束经过透镜聚焦后，其横截面上的强度分布会发生变化，形成明暗相间的干涉条纹。
干涉条纹
干涉条纹的形状取决于透镜的焦距和光束的束腰半径。当透镜焦距一定时，束腰半径越小，干涉条纹越密集；反之，则越稀疏。
02 高斯光束在光学谐振腔中的应用
光学谐振腔对高斯光束的影响
偏振态调制是指通过改变高斯光束的偏振状态来改变其电磁场分
布。
常见的偏振态调制方法包括利用偏振片、电光晶体或液晶等对高

高斯光束的透镜变换

(3) 根据高斯光束的渐变性可以设想，只要 s 和 f 相差不大，高斯光束的聚焦特性会与几何光学的规律迥然不同。
10
4.3.3 高斯光束的准直
高斯光束的准直：改善光束的方向性，压缩光束的发散角。
2 2
0
可以看出，增大出射光束的腰粗就可以缩小光束的发散角。
0
f 0
f s' 0 0 s s
f

7
1.高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形
0
前一种方法就是要采用焦距小的透镜
f 即缩短 f 和加大都可以缩小聚焦点光斑尺寸的目的。
后一种方法又有两种途径：一种是通过加大s来加大；另一种办法就是加大入射光的发散角从而加大，加大入射光的发散角又可以有两种做法，如图4-18和图4-19
1 1 1 R R f
f
0

前式是薄透镜假设：透镜足够薄至使入射高度和出射高度不变
0
R R
实际问题中，通常0 和 s 是已知的， S S 此时 z0 s ，则可以根据高斯光束图（4-16）高斯光束通过薄透镜的变换的性质计算出入射光束在镜面处的波阵面半径和有效截面半径，利用上述透镜的变换公式进一步计算出由透镜出射的波阵面半径和有效截面半径就可以得到出射光束的束腰位臵和束腰半径，因而可以确定变换后得到的出射高斯光束
2
在满足条件 R f 和 f 1 的情况下，出射的光束聚焦于透镜的焦点附近。如图4-17所示，这与几何光学中的平行光通过透镜聚焦在焦点上的情况类似。
图4-17 短焦距透镜的聚焦
6
1. 高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形
由前面的结论可得聚焦点光斑尺寸：

球面折射系统对高斯光束的变换和传输模拟

球面折射系统对高斯光束的变换和传输模拟秦华;张爽;李文瑞;魏功祥;刘云燕【摘要】为研究高斯光束在厚透镜中的传输特性,由几何光学处理傍轴光线的方法,理论上推导了高斯光束的物像束腰位置以及物像束腰半径间的关系,并由高斯光束传输光线就是单叶双曲面直母线的假设,光线追迹模拟了高斯光束在透镜系统的传输过程.模拟结果表明,当物高斯光束束腰位置与透镜系统物方焦点的距离远大于高斯光束的共焦参数时,用几何光学傍轴光线方法所得到的高斯光束束腰位置和半径的理论结果与光线追迹得到的高斯光束束腰位置和半径模拟结果一致,否则,光线追迹模拟结果不正确.【期刊名称】《大学物理》【年(卷),期】2017(036)002【总页数】8页(P11-17,54)【关键词】高斯光束;球面折射系统;光线追迹;传输模拟【作者】秦华;张爽;李文瑞;魏功祥;刘云燕【作者单位】山东理工大学理学院,山东淄博255000;山东理工大学理学院,山东淄博255000;山东理工大学理学院,山东淄博255000;山东理工大学理学院,山东淄博255000;山东理工大学理学院,山东淄博255000【正文语种】中文【中图分类】O439【DOI】10.16854/ki.1000- 0712.2017.02.004高斯光束与普通球面波具有不同的传输特性，对此，文献[1]有详细的理论证明和公式推导. 但是，如果将物、像高斯光束的束腰与几何光学中的物和像相比较，则当满足物高斯光束束腰与薄透镜的物方焦点距离远大于高斯光束的共焦参数时，可以用几何光学中处理傍轴光线的方法处理高斯光束在透镜系统中的传输问题[2,3]. 这里所说的方法主要指用高斯成像公式处理物像束腰位置以及物像束腰半径之间的关系.然而，高斯光束在厚透镜系统中传输是否也遵循以上原则，能否用光线追迹方法处理高斯光束在光学系统的传输，文献[1]却没有给出，查阅最新的文献资料也未见对此问题的相关报道.本文给出了用傍轴光线方法处理高斯光束在厚透镜光学系统中传输的理论推导，用光线追迹实例证明了物高斯光束束腰距离光学系统物方焦点较远时，光线传输模拟与理论推导很好的相符，反之，则有很大的差别.在光线追迹模拟过程中也碰到了一些局部模拟不正确但整体模拟正确的问题，并给出了粗略的解释，抛砖引玉，希望能引起读者的思考.1.1 球面波的物像矩阵和物像关系本文利用矩阵方法研究共轴球面系统的光学性质.主要通过两个物理量研究光线在系统中的传输，一是光线上某点离光轴的距离y，称为射高，另一个是光线传播方向与光轴的夹角u，称为射角.光线通过某一点的状态用(y，nu)表示，n为光线上某一点所在介质的折射率.符号规定： y在主光轴上方为正，反之为负，光线转向主光轴或平行主光轴直线形成的锐角，逆时针为正，反之为负.如图1所示，入射光线上的一点Q距离光学系统第一个面顶点的轴向距离为l，Q 点的光线状态，其出射光线上的Q′点距离系统最后一个面顶点的轴向距离为l′，Q′点的光线状态，规定l、l′在顶点左侧为负，右侧为正.则有物像转换关系的矩阵称为物像矩阵，亦称为ABCD矩阵，由式(1)可得复杂理想共轴光学系统可以用一对焦点F、F′和一对主平面H、H′来代表，如图2所示.设a点和b点的状态分别为(r1,θ1)和(r2,θ2), 则根据理想光学系统中一些典型光线的传输特性可知：r2=r1,θ2-θ1=r1/f′=-r1/f，两式合并成矩阵形式为因此，用一对焦点和一对主平面代表的复杂光学系统的传递(或变换)矩阵为其物像矩阵ABCD为设物像点状态分别为(r物,θ物)、(r像,θ像), 则由于r像与θ物无关，所以从上式中可以导出，与薄透镜的成像公式相同.1.2 出射高斯光束的束腰大小及位置计算公式高斯光束——曲率中心和曲率半径R不断改变的球面波，只要把普通球面波中的曲率半径R换为高斯光束的复参数q，那么高斯光束就与普通球面波有类似传播规律. 高斯光束的q参数定义为q参数将高斯光束传播方向上的光斑半径ω及等相位面曲率半径R两个重要参数统一在一个表达式中.假定入射高斯光束的q参数qin，输出光束的q参数qout,在薄透镜中，qout与qin满足如下关系：在厚透镜及复杂光学系统中同样满足上述关系，推导如下.如图3所示，当傍轴球面波通过焦距为f的光学系统时，其位于物像主平面H和H′上的波前曲率半径R1和R2满足关系，用ω1和ω2分别表示在物像主平面上的高斯光束光斑半径，由于物像主平面的垂轴放大率为1，所以ω1=ω2.根据高斯光束q参数定义式(7)，物像主平面上q参数分别为和，把式和ω1=ω2代入得与式(8)对比可以看出，不论在薄透镜还是在复杂光学系统中，高斯光束的q参数起着与普通球面波R 同样的作用.q参数与普通球面波的物像转换矩阵ABCD之间还满足下列关系[4-6]:设入出射高斯光束的光腰分别为ω01、ω02，光腰处光束复参数分别为q1和q2，则q1和q2满足式(10)：其中则即把式(2)中的A、B、C和D的值代入式(11)中的第二式得上式中，l为入射高斯束腰距离光学系统第一个面顶点的距离，l′为出射高斯束腰距离系统最后一个面顶点的距离，规定：l、l′在顶点左侧为负，右侧为正. 整理上式得从上式可知,已知光学系统的结构参数和入射高斯光束束腰位置l，就可以得到出射高斯光束束腰位置l′.复杂光学系统可以简化为一对焦点和一对主平面，如图2所示，其传递矩阵如式(4)，把式(4)代入到式(12)中，并令m=1，得当满足条件：式(13)变为，整理后得这正是几何光学系统中的成像公式，说明只要满足式(14)，高斯光束在复杂光学系统传输时，物像高斯光束束腰的位置可以用几何光学的成像公式决定.把式(2)中的A、B、C和D的值代入到式(11)中的第一式得整理得由上式可以计算出出射高斯光束束腰位置处的光斑半径ω02.设入射高斯光束波长λ，束腰半径为ω01，通过一焦距为f的薄透镜时，当满足式(14)时[1,7] ，可以用几何光学中处理傍轴光线的方法来处理高斯光束，式(14)中为对称共焦腔两镜的焦距，定义为入射高斯光束的共焦参数. 式(14)要求入射高斯光束束腰位置与透镜物方焦点的距离远大于高斯光束的共焦参数，即要求高斯光束束腰与透镜物方焦点相距足够远.由于/λ)2一般较小，式(14)容易满足.式(13)—式(15)已经证明，只要满足式(14)，高斯光束在厚透镜及复杂光学系统中传输也可以用几何光学中处理傍轴光线的方法来处理，这意味着满足式(14)时可以用光线追迹方法模拟高斯光束在复杂光学系统的传输.下面章节给出了用光线追迹方法模拟高斯光束在不同光学系统中传输实例，证明了物高斯光束束腰距离光学系统物方焦点较远时，光线追迹方法模拟光束传输与理论公式(12)、(15)计算结果相符，反之，则有很大的差别.高斯光束可认为是一双曲面体，由大小不同的共轴单叶双曲面构成，高斯光束的传输光线就是单叶双曲面的直母线[8]. 假定高斯束腰截面垂直于x轴，在束腰截面内按高斯分布取足够多个坐标点P0(y0，z0)，过这些坐标点的高斯光束光线沿下列两条直线传播.直线1：y=y0+z0C， z=z0-y0C， x=x直线2：y=y0-z0C， z=z0+y0C， x=x下面用以上所述方法分别模拟高斯光束在单折射球面上、单透镜上和三透镜光学系统上的传输变换过程.假定激光波长λ=1 550 nm，高斯光束的束腰半径ω01=0.031 mm，参数.2.1 高斯光束通过单个折射球面时的光路模拟单折射球面半径r=15 mm(说明：为方便，以下长度单位mm仅在图表中标出)，球面两侧折射率分别为n=1.0和n′=1.500 222. 根据几何光学理论有, 当l→∞, ，当.由此得折射面的物方焦距和像方焦距分别为f=-29.986 7，f′=44.986 7. 单个折射面的折射矩阵为，其中.代入式(12)并整理得图4是由式(19)得到的出射光束束腰与入射光束束腰之间的位置关系曲线.从图4可以看出，与薄透镜的变换曲线相类似，l′存在最大值和最小值，且有两个0点，当l=-31.934 3时，l′=391.275 0，l′达到最大值；当l=-28.038 9时，l′=-301.304 1，l′达到负最大值；l=-29.859 64和-0.127 03时，l′两次为0值；当l=0时，l′=0.189 0.与普通光束不同，当入射光束束腰位于物方焦点处，即当l=f=-29.986 7时，出射光束束腰位于像方焦点处，即l′=44.991 7.图5是入射高斯光束束腰距离单球面顶点不同距离时，用光线追迹方法模拟高斯光束经球面折射的光束传输过程. 图5(a)为l=-30时的光束模拟，用式(19)计算得l′=29.733 2，而光线模拟l′>>29.733 2, 模拟不正确，说明出射光束束腰的位置不能用光线追迹方法正确模拟出. 这是因为(l-f)2=[-30-(-29.986 7)]2<3.793 9，不符合式(14). 图5(b)、(c)中，l分别等于200、44.986 7，根据式(19)计算分别得l′=39.121 5和26.985 0. 从图中可以看出，光线模拟结果与式(19)的计算结果很好相符，这是因为此时的入射高斯束腰位置与物方焦点的距离符合式(14).用式(16)可以计算出射高斯光束束腰处的光斑半径，当 l=44.986 7，即入射高斯光束束腰位于像方焦点时，计算得到出射高斯光束束腰半径0.012 4. 图6是用光线模拟方法得到的出射高斯光束束腰光斑图，从图6中可以看出，模拟的光斑半径与用式(16)计算结果相符，说明只要符合条件(14)，就可以用光线方法模拟高斯光束在折射面上的传输.2.2 当高斯光束通过单个透镜(两个球面围成)时的光路模拟透镜两个球面半径分别为r1=15和r2=-15，两球面顶点之间距离d=3，透镜折射率为n=1.500 222. 根据几何光学理论，此透镜前后两个面的物方焦点位置和像方焦点位置分别为图7是此单透镜的基点基面示意图，透镜的物方焦距和像方焦距分别为f=-15.510 5，f′=15.510 5,.透镜的折射矩阵为，把矩阵中的各元素代入到式(12)、(16)中，可得到l′与l 、ω02与ω01 之间的关系式.图8是l′随l变化的曲线，图中曲线与单折射面和薄透镜中的l′、l曲线相似，说明球面折射系统对于高斯光束有相似的变换性质. 根据文献[1], 当光束束腰位于物方焦点附近时，其传播特性与普通光有很大区别；当光束束腰远离物方焦点时，其传输特性与普通光束近似，可以用处理普通光束折射的方法处理高斯光束.图9示出了入射高斯光束束腰距离单透镜物方焦点不同距离时，用光线追迹方法模拟高斯光束经单透镜的传输过程. 图9(a)—图9(d)是不同l时的光束传输模拟，用式(12)计算，l′分别为17.288 7、12.375 2、29.745 9、45.452 5. 图9(a)—图9(c)与计算结果相符，因为这三种情况下，入射光束束腰与透镜物方焦点的距离平方远远大于共焦参数的平方. 图9(d)的模拟结果与计算结果不符，因为(l-lF)2=[-15-(-14.476 2)]2<3.793 9.值得一提的是，图9(c)中，入射光束束腰位于球面r1顶点左侧29.986 7，正好位于透镜第一面的物方焦点上，但并不在透镜的物方焦点上，光线追迹方法模拟结果却是正确的. 如果透镜的两个面分别用光线追迹方法模拟的话，第一个面的模拟结果肯定不正确，但是对于整个透镜而言，由于(l-lF)2=[-29.986 7-(-14.4762)]2>>3.793 9，整体模拟结果却是正确的. 一般来说，局部错误会导致整体错误，但是图9(c)的局部错误为什么没有导致整体错误呢？出现这种情况的原因在2.3节中有一个大体解释.图10是l=-100时，出射光束束腰处的光斑模拟. 从模拟结果可以看出，出射光束束腰处的光强分布还是高斯分布，且束腰处的光斑半径与用式(16)计算结果0.005 6相近. 这从光强分布的角度说明满足式(14)是可以用光线追迹方法处理高斯光束经过球面折射系统的传输.2.3 当高斯光束通过三个透镜组成的系统时光路模拟三透镜系统的结构数据如表1.由系统的结构参数可以求出系统的传递矩阵S如式(20)，系统的基点如图11所示. .把式(20)代入式(12)和式(16)中，得到l′、ω02与l的一组数据如表2，其中，l=-45.946 3为入射光束束腰在三透镜系统的物方焦点上，与式(14)不相符，其余三组数据与式(14)相符.图12为高斯光束通过三透镜系统的传输模拟，从模拟结果看，(a)、(c)、(d)中束腰位置与计算结果相符，(b)中束腰位置与计算结果不符.图12(c)中的入射光束束腰位于第一个透镜的物方焦点上，但并不位于整个三镜系统的焦点上，对于第一个透镜来说不能用光线追迹方法正确模拟高斯光束在透镜中的传播，对于整个三镜系统来说却能够用光线追迹方法正确模拟高斯光束在透镜系统的传播. 按正常推理，系统中部分不能用光线追迹正确模拟，那么整体就不能用光线追迹正确模拟，但图12(c)显示局部用光线追迹方法不能正确模拟激光光束的传输，整体却能用光线追迹方法正确的模拟光束传输. 如何解释这个现象呢？本文认为，在满足式(14)时，“高斯光束传输光线就是单叶双曲面的直母线”的假设可以正确的模拟高斯光束经过透镜系统的传输特性. 图12(c)中当入射光束束腰位于第一个透镜的物方焦点上时,按光线追迹方法，光束变为一近似平行光束，此近似平行光束可以认为是束腰在无穷远处的高斯光束，对于第一个透镜以后的系统来说，此光束束腰位置又能满足式(14)，所以对于整个光学系统来说，光线追迹方法又能正确的模拟高斯光束传输特性.图13是l=-100，出射光束束腰处的光强分布模拟. 模拟结果显示，出射光束束腰处(l′=348.712 0)的光强还是高斯分布，模拟的光斑半径与用式(16)计算结果(0.045 2)在同一数量级. 但还是有所差别，本文认为这样的差别在于三镜系统存在像差，而式(16)却是近轴近似下推导出的公式，所以模拟结果与计算结果有所差别. 本文用矩阵方法推导了厚透镜系统在近轴条件下物像转换矩阵，并使由厚镜系统结构参数(r,d,n)计算物像转换矩阵程序化. 由于高斯光束q参数也遵循这个物像转换矩阵，由此导出了入射高斯光束经过球面系统折射后出射高斯光束束腰位置(l′)及束腰半径(ω02)随入射高斯光束束腰位置(l)的计算公式.用光线传输的方法模拟了高斯光束在单球面、单透镜、三透镜系统的传输过程，模拟证明了当物高斯光束束腰与透镜系统物方焦点的距离远大于高斯光束的共焦参数时，可以用几何光学中处理傍轴光线的方法处理高斯光束在透镜系统中的传输问题. 当束腰至物方焦点距离不远大于共焦参数时，模拟结果不正确.【相关文献】[1] 周炳琨，高以智，陈倜荣.激光原理[M].5版. 北京：国防工业出版社, 2014:74-88.[2] Antonín Miks, Pavel Novák. Paraxial properties of two-element zoom systems for Gaussian beam transformation[J]. Optik, 2015, 126: 4249-4253.[3] Xinyue Du, Daomu Zhao. Propagation of elliptical cosh-Gaussian beams in a misaligned optical system[J]. Optics & Laser Technology, 2008,40:194-200.[4] 吕百达. 激光光学——激光束的传输变换和光束质量控制[M].成都:四川大学出版社,1992:92-97.[5] 王彦斌，陈前荣，李华，等. 激光在高光谱相机光学系统中的传输[J]. 红外与激光工程，2015，44 (11)：3250-3255.[6] Wei Wen, Xiuxiang Chu. Propagation of symmetric tunable dual airy beam through ABCD optical system[J]. Optics Communications, 2014,333: 38-44.[7] Marcuse D.Light Transmission Optics[M]. New York: Van Nostrand Reinhold, Co., 1982:150-155.[8] 张凤生.非球面系统中高斯光束传输的数值计算[J].光学学报，2008， 28(1)：179-183.。

3.10 高斯光束的传输与透镜变换解读

若ω0→0或z →∞，则R(z) →z、 ω(z) →∞。当光斑尺寸趋于无穷大时，波阵面上的光强分布趋于均匀，这正是普通球面波波阵面上的均匀分布情况，此时，高斯光束可看成是普通球面波。
一、高斯光束在空间的传输规律
定义：
1 1 i 2 q( z ) R( z ) ( z )
称q(z)为q参数，或称为高斯光束的复曲率半径。定义q参数的好处是： ① z处R(z)与ω(z)两个参数可用一个参数q(z)表示，
即：
1 1 1 q1 q2 F
这与几何光学成像公式在形式上是相同的。
例题
例题1：某高斯光束波长为3.14微米，束腰半径为1mm。求：距离束腰右方50cm处的（1）q参数；（2）光斑半径和等相位面曲率半径。
例题
例题2：某高斯光束波长为3.14微米，在某处光斑半径为1mm，等相位面曲率半径0.5m。求：此高斯光束（1）在该处的q参数；（2）束腰半径及位置。
3.10 高斯光束的传输与透镜变换
一、高斯光束在空间的传输规律
1. 普通球面波
R( z1 ) z1 R ( z2 ) z2
即球面波的波前曲率半径R等于传输距离Z。

R( z2 ) R( z1 ) ( z2 z1 )
一、高斯光束在空间的传输规律
2. 高斯光束
2 f2 1 0 R( z1 ) z z ( )2 z z z 2 2 2 ( z ) 0 1 ( ) 0 1 z ( 2 ) f 0
区别：如果将入射光束的腰看作物点。按照几何光学成像规律，如l=u=F，则l’=v=∞；按照高斯光束成像规律，如l=F，则l’=F。
二、高斯光束通过薄透镜的变换

高斯光束的传输与变换

2 1 14
L g2 g1 1 g1 g 2
14
L R R2 L s2 LR2 L R1 R2 L
2 2
14
L g1 g 2 1 g1 g 2
14
谐振频率
高斯光束的传输与变换
方形球面镜共焦腔的行波场
2 2 w0 Emn x, y, z Amn E0 Hm x H n y e wz wz wz
式中
x2 y2 w2 ( z )
e imn x , y , z
2 w z w0 1 z z R z x2 y2 x, y, z k z mn m n 1 z 2 R( z ) R
变换公式的应用

高斯光束的准直与聚焦
2
2 f 2 0
f
l1
2

2 0

2
2 0 l1 f l1 f 2 l1 f f l2 f 2 2 2 2 f l1 2 0 l1 f 2 0
mnq
c 1 q m n 1 arc cos 2 L
远场发散角
一般稳定球面腔的基模发散角为 : λ λ 2( 2 L R1 R2 )2 θ0 2 2[ 2 ]1/ 4 fπ π L(R1 L)(R2 L)(R1 R2 L) λ ( g1 g 2 2 g1 g 2 ) 2 1/ 4 2 [ ] πL g1 g 2 (1 g1 g 2 )

高斯光束的传输变换学习笔记

0
1
R1( z ) o
当球面波通过焦距为F的薄透镜时，其波前
z1
R2(z)
z2 z
曲率半径满足：
L
1 1 1 R2(z) R1(z) F
R2(z)
R1 R1 / F
1
1
1/
F
0
1
F
将上面两式与光线矩阵相比较可以得到球面
波的传播规律：
R2(
z)
AR1( z ) CR1( z )
B D
R1(z)
R2
i
2 1
R2为等相位面曲率半径，由球面波球率半径的变换公式可得：
1 R1
1 F
i
2 1
1 q1( z )
1 F
高斯光束通过薄透镜的传输
通过将上面推出的公式同球面波的传播特性公式相比较，
可以看到无论是在对自由空间的传播或对通过光学系统的变换，高斯光束的q参数都起着和普通球面波的曲率半径R 相同的作用，因此有时将q参数称作高斯光束的复曲率半径；
高斯光束通过光学元件时q参数的变换规律可以类似的用
光线矩阵表示出来：
q2(
z)
Aq1( z ) Cq1( z )
B D
由前面的讨论我们知道可以用q参数描述一个高斯光束的
具体特征，而且可以通过q参数和ABCD法则很方便的描述
一个高斯光束在通过光学元件时的传输规律，因此我们将
主要采用q参数来分析薄透镜高斯光束传输问题。
2
1
高斯光束的ABCD法则
3、用q参数表示
1 由q参数的定义： q(z)
1 R(z)
i
2(可z ) 知q参数将R(z)和ω(z)联系在一起了，

高斯光束的传播特性课件

加精准，能够实现更高的光束质量和更稳定的传输。
动态调控
02
通过实时监测和反馈系统，实现对高斯光束的动态调控，以满
足不同应用场景的需求。
多光束控制
03
未来将实现多光束的独立控制和协同操作，提高光束的灵活性
和应用范围。
高斯光束在量子通信中的应用
1 2 3
安全性增强高斯光束在量子通信中能够提供更强的安全性保障，通过量子纠缠和量子密钥分发等技术，实现更加安全的通信传输。
传输距离提升随着量子通信技术的发展，高斯光束的应用将有助于提高量子通信的传输距离和稳定性。
网络架构优化高斯光束在量子通信网络架构中能够提供更灵活和高效的光路设计，优化网络性能和扩展性。
高斯光束在其他领域的应用
生物医学成像
高斯光束在生物医学领域可用于光学显微镜、光谱仪等设备的成像技术，提高成像质量和分辨率。
在生物医学成像中的应用
光学成像
高斯光束作为照明光源，能够提高光学成像的分辨率和对比度。
荧光成像
利用高斯光束激发荧光标记物，实现生物组织的荧光成像。
光声成像
结合高斯光束与光声效应，实现生物组织的高分辨率、高对比度的光声成像。
05
高斯光束的未来展
高斯光束控制技术的发展
高精度控制
01
随着光学技术和计算机技术的发展，未来高斯光束的控制将更
高斯光束的强度分布和相位分布都可以用高斯函数描述，这使得高斯光束在许多领域都有广泛的应用。
02
高斯光束的播特性
传播过程中的光强分布变化
01 02
光强分布变化规律
高斯光束在传播过程中，光强分布呈现中间高、两侧低的形态，类似于钟形曲线。随着传播距离的增加，光强分布逐渐展宽，但中心峰值保持不变。

几何光学中的光线传输矩阵高斯光束通过光学元件的变换

L
往返周期单位
f1
R1 2
f2
R2 2
r11
1
1 f1
0 1
1 0
L
1
1 1
f2
T
A C
B D
1
1 f1
0 1
1 0
A 1 L f2
0 1
1 0
L
1
r00
A C
B D
r00
T
r00
L
1
1 1
f2
0 1
1 2
L f2
C
1 f1
1 f2
1
L f1
D
L f1
1
L f1
1
r2 R22 r1 R11
R2
r2
2
AR1 B CR1 D
•高斯光束 q参数通过光学系统的变换与球面波R的变换相同
自由空间透镜
R2 R1 L
1 11 R2 R1 F 球面波
q2 q1 L 1 11 q2 q1 F
高斯光束
q2
Aq1 Cq1
B D
－ABCD公式
1
qz
1
Rz
i
w2 z
一、几何光学中的光线传输矩阵（ABCD矩阵）
r z
正,负号规定:
2. 自由空间区的光线矩阵
B
r0 ,0
r,
A
L
1. 表示光线的参数
r －光线离光轴的距离－光线与光轴的夹角
傍轴光线 dr/dz = tan sin
>0 < 0 <0
A处：r0, 0 B处：r’,’
r r0 L0 0
几何光学: l=F l’= (平行光)无实象

第三章高斯光束的传输与变换

2.9.4 高阶高斯光束（1）厄米特—高斯光束高阶高斯光束横截面内的场分布可由高斯函数与厄米多项式的乘积来描述。沿z方向传输的厄米卢高斯光束
mn(x ,y ,z ) C mn
C mn 1
1

H m(
2
2

x )H n(
2

y) e
r2 2
e
r2 z i k(z )( m n 1)arctg 2R f
激光物理
第三章
高斯光束的传输与变换
回顾
方形镜共焦腔的行波场
（厄米-高斯光束）当镜面上的场分布能够用厄米-高斯函数来描述时，共焦腔中的行波场可以表示为：
2 2 0 Emn( x, y, z ) AmnE 0 Hm x Hn y e ( z) ( z) ( z)
1 1 令q0=q(0)，则： Nhomakorabeai 2 q 0 R(0) (0)
20 R(0) , (0) 0 q 0 i if
通过这些公式，我们可以用高斯光束的q参数来描述高斯光束。
以上三组参数都可以用来确定高斯光束的具体结构，需要根据实际问题来灵活选择使用哪种参数。
2 2 2 2
可见,光斑半径随坐标z按双曲线的规律而扩展,在z=0处,以 ω(z)=ω0,达到极小值（束腰）。
（2)基模高斯光束的相移特性由相位因子决定
r2 z 00(x ,y ,z ) k(z ) arctg 2R f
表明高斯光束的等相位面是以R为半径的球面
2 2 0 R(z ) z 1 z
式中ω0和ω(z)分别为基模光腰半径和z处光斑半径。在z方向和y 方向的远场发散角 2 ( z ) 2 m lim m 2m 1 2m 1 0 z z 0 2n ( z ) 2 n lim 2n 1 2n 1 0 z z 0

第六章高斯光束详解

共焦腔的反射镜面是两个等相位面，与场的两个等相位面重合,且曲率半径达到最小值。
高斯光束等相位面的分布以及曲率中心的移动
曲率半径极小值
在榜轴近似下，高斯光束可看作是一种曲率中心与曲率半径都随传播过程而不断改变的非均匀球面波。等相位面是球形的，但等相位面上的光场振幅分布却是非均匀的高斯分布。
每个球面上的各点，振幅都是A1/r，同一球面上各点的光强是均匀的。
1.3 高斯光束
高斯光束是由具有稳定谐振腔的激光器所发出的。的激光束。既不是均匀平面波，也不是均匀球面波，而是振幅和等相位面都在变化的高斯球面波。
u x, y
ik
4
u x', y' eik
S
1 cos ds'
菲涅耳—基尔霍夫衍射积分.
（4）由
(-z - f ') f '2
方形镜共焦腔：镜面上的场分布为厄米-高斯函数。圆形镜共焦腔：镜面上的场分布为拉盖尔-高斯函数。
由激光器产生的各种模式的激光中，最基本、应用最多的是基模高斯光束。
E r, z
c
e e
r
22Βιβλιοθήκη zik[z
r2
2R z
] arctan
z F
z
平面波因子二维高斯函数球面波因子
基模高斯光束的特点：
置和束腰半径ω
′
0
02
=
'2
1+
π '2 R'
2
=
0.5 2
1+
3.1416 0.50162 0.0006328 100.65
2
= 0.001613
0 = 0.04016mm

第三章高斯光束的光学变换

, ,
, ,
1 , 0 ,
Ln1 1 , n2 M7 n1 0 , n3 特例：当 n1 n3 1, n2 n时
1 , 0 1 , L x2 x2 0 , n2 0 , 1 2 2 n3 0 1 , 0 1 , L x1 n2 0 , n1 0 , 1 n3 n2 1 Ln1 1 , L 1 , 0 n2 x1 x1 n2 n1 0 , n1 1 n3 n2 2 0 , n3
1, x2 即 n2 n1 2 n R , 2
1, 即M 5 n2 n1 , n2 R
0 n1 n2
0 n1 n2
x1 1
（3 8）
（六）光线通过不同介质的平面折射作为球面的特例，令式（3-8）中R→∝
（4）由公式：
（3 15 ）
求通过透镜变换后的高斯光束的W0和束腰位置d2。（5）令 z dc d2 ，由步骤（1）
求dc处高斯束的参数WC和RC
第二种方法：高斯光束的q参数变换法
图3-12
方法一步骤：
1．求输入高斯光束束腰的q参数： q(0) q0 i W02 /
则 2 ( 1 ) 2 1 x1 以代入上式得： 2x R 2 1 1 R
x2 x1 则有 2 x1 2 R 1
1, x2 2 , 2 R

高斯光速过透镜

透镜尺寸
确保透镜尺寸足够大，以覆盖整个高斯光束截面，避免光束截断引起的衍射效应。
透镜对高斯光束聚焦作用分析
聚焦原理
透镜通过改变高斯光束波前曲率实现聚焦，使光束在焦点处达到最小束腰。
焦距与束腰关系
焦距越短，聚焦后的束腰越小，但焦深也相应减小；焦距越长，则束腰越大，焦深增加。
聚焦效果评估
通过测量聚焦后光束的束腰直径、焦深和光斑质量等参数，评估透镜的聚焦效果。
对于需要动态展示的实验过程或结果，可以采用视频或动态演示的形式进行展示，以便更生动地呈现实验现象和规律。
05 模拟仿真与实验结果对比分析
模拟仿真模型建立过程描述
确定透镜参数
根据实验所用透镜的规格和参数，设置模拟仿真中的透镜类型、
焦距、透过率等关键参数。
光源与高斯光束设置
选择适当的光源类型，设置高斯光束的波长、束腰半径和发散角等参数，以模拟实际光束传播特性。
06 结论总结与展望未来发展方向
本文主要工作内容回顾
1
介绍了高斯光束的基本概念和特性，包括其振幅、相位、波前曲率等参数的变化规律。
2
分析了高斯光束通过透镜的传输过程，详细推导了透镜对高斯光束的变换公式，并讨论了不同透镜参数对光束传输的影响。
3
通过数值模拟和实验验证，探究了高斯光束过透镜后的光斑形状、光强分布以及传输效率等关键指标的变化规律。
后续研究方向预测和建议
进一步研究非理想情况下高斯光束过透镜的传输特性，考虑光束畸变、透镜像差等因素对传输性能的影响。
开展更多种类的透镜（如非球面透镜、梯度折射率透镜等）对高斯光束传输特性的影响研究，以满足不同应用场景的需求。
探索将高斯光束过透镜的传输理论应用于实际光学系统中，如激光加工、光通信、生物医学等领域，以提高系统的性能和稳定性。

激光原理与技术-山西大学课件第三章

数 q2 的高斯光束，于是有：
1 qi
1 Ri
i
i i2
X
iY
i 1, 2
（3.4.1）
n1
q1,1 RP1
RP2 q2 ,2
n2
a b
c
d
z
s1
s2
图3.4.1 高斯光束通过复杂光学系统的变换
由 q1 至 q2 的变换遵从ABCD定律：
1 C D / q1 q2 A B / q1
（3.4.2）
§3.1 高斯光束的基本性质
一、高斯光束是亥姆霍兹方程在缓变振幅近似下的一个特解
二、高斯光束的基本性质
一、高斯光束是亥姆霍兹方程在缓变振幅近似下的一个特解
电磁场运动的普遍规律可用Maxwell方程组描写。稳态传输的光频电磁场，只研究电矢量的波动方程，电矢量在光现象中起主要作用。在标量近似下，波动方程可写为亥姆霍兹方程。高斯光束是亥姆霍兹方程在缓变近似下的一个特解。
4.瑞利长度
瑞利长度的物理意义为：当 z z0 时，(z0 ) 20 。在实用中
常取 z z0 范围为高斯光束的准直范围，在这段长度内，高斯光束可以
近似认为是平行的。所以，瑞利长度越长，就意味着高斯光束的准直范围越大，反之亦然。
5.远场发散角
lim 高斯光束的远场发散角可用下式定义：0
x
（3.3.8）（3.3.9）
将式（3.3.9）代入（3.3.8），利用方程式对任意r 成立条件，得到
s(z) 和q(z) 的微分方程组：
dq dz
1 2q2
1 ds 1
s dz q
（3.3.10）（3.3.11）
若传输常数与z 无关，在边界条件 q(z) z0 s(z) z0 q1下，求得式

高斯光束的传播

4.3
激光束的变换
4.3.1 高斯光束通过薄透镜时的变换
一、普通球面波在通过薄透镜的传播规律 1. 透镜的成像公式：
1 s 1 1 s f
（4-15）
图4-15 球面波通过薄透镜的变换
2. 从光波的角度看，当傍轴波面通过焦距为 f 的透镜时，其波前曲率半径满足关系式：
1 1 1 R R f
。
R s 02 2 R 2 R s[1 ( ) ] 1 ( ) 2 s 2 s 2 2 0 0 1 ( 2 ) 2 2 0 1 ( ) R
2
、和
s
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
R R 2 1 ( ) 2
如何选择参数，使 0 ' 最小
一、高斯光束入射到短焦距透镜时的聚焦情形( R f ) 1.象方腰斑位置: 由在由
1 1 1 R R f

R
R f
f f 1 f R
f f 1 f R

R
号改变调制器的物理特性，当激光通过调制器时，就会使光波的某参量受到调制。
优点：a.因为调制器和激光形成无关,不影响激光器的输出功率。 b.调制器的带宽不受谐振腔通带的限制，缺点：调制效率低。
激光的瞬时光场的表达式瞬时光的强度为
E (t ) E0 cos(0t )
I (t ) E 2 (t ) E0 2 cos 2 (0t )
s f 2 0 2 R s[1 ( ) ] s
R f [1 (
02 2 R f [1 ( ) ] f
1 1 1 R R f

高斯光束的传输变换

f1
0 1
r11
4
3.2高斯光束及其q参数，高斯光束（英语：Gaussian beam）是横向电场以及辐射照度分布近似满足高斯函数的电磁波光束。许多激光都近似满足高斯光束的
条件，在这种情况里，激光在光谐振腔里以TEM00波模传播。
1.稳定腔高斯光束
w(z)
b 2
[1
(
2z b
)2
]
w0
1 ( z )2 f
i
w2 (z)
q(z)称为高斯光束的复数曲率半径.它统一了两个参数w(z)和R(z)
z=0处,即束腰处,R(0)→∞,w(0)=w0
1 q0
1 R(0)
i
w2 (0)
q0
i w02
iz0
6
2.高斯光束的传输变换
光学系统的传输矩阵ABCD
q2
Aq1 Cq1
B D
1）在自由空间的传输
r2 r1
2 1 n1 / n2
A B 1 0 C D 0 n1 / n2
3
4.曲率半径为R的球介质面 5.曲率CA半DB径为n2R1nR2n1的n球1 0/ n2反射面
CA
DB Leabharlann 1 2/R10
6.复合光学系统
CA
比如
B D
M
n
M
2
M1
r22
1 1/
f2
10
1 0
d 1
1 1/
l F l'F
w0
w0 ' w0 '
w0
F 2 Z02
F
2
Z
2 0
Z0
w0w0 '

第八章高斯光束精选全文

1 R
z2
z
f
2
1 q
1 R
i
W
2
z2
z
f
2
i
z2
f
f
2
z if z2 f
2
q z2 f 2 (z2 f 2 )(z if ) z if z if (z if )(z if )
讨论腰处的q参数 q0=q(0)=if
w(z) ( f z2 )
f
f2 R(z) z
证传播L距离的光学变换矩阵
T
1 0
L 1
R 1 R L R L 0 R 1
或 R=R(z)=z R=R(z)=z
R-R=z-z=L ∴R=R+L
R=R(z) R=R(z)
z
0 z z
L
2、通过透镜 R FR
FR
F:透镜焦距(凸透镜为正)
1 11 R' R F
证
透镜的光学变换矩阵
1 0
和振幅修正两部分。
• 该修正因子满足慢变近似：' k, " k 2 将这些相关假设带入波动
方程可以得到：
2 2ik ' kk 2r2 0
• 令修正因子取以下形式：
E0
exp
i
p(z)
k 2q(z)
r2
为什么取这种形式？这是对波动方程进行长期研究得到的解，既满足方程，又有明确的、能够被实验证实的物理意义。
0
波动方程也称亥姆霍兹方程
光束在均匀介质和类透镜介质中的传播
• 下面我们研究类透镜介质中波动方程的解，考虑在介质中传播的是一种
近似平面波，即能量集中在光轴附近，沿光轴方向传播。可以假设光场

理论分析-透镜对高斯光束的变换2010

理论分析：透镜对高斯光束的变换沿z 轴传播的基模高斯光束,以其束腰位置为原点,等相位面的光斑半径由下式[1]确定:w(z)=w0√1+(z/f)2 (1)式中, w0为基模高斯光束的束腰半径, f为高斯光束的共焦参数,且f=πw02/λ。

基模高斯光束在自由空间传播时是由束腰逐渐向两边发散的,发散程度用发散角θ0来衡量,其定义[1 ]为:θ0=limz→∞2w(z)z=2λπw0(2)如果高斯光束在空间传输时遇到透镜,光束参数就要改变。

图1 所示为透镜对高斯光束的变换。

图中, w0为入射高斯光束束腰半径, w0′为出射高斯光束束腰半径, l为w0与透镜L 的距离, l′为w0′与透镜L 的距离。

它们之间满足下面关系[1 ] :w0′=0√(F−l)2+f02(3)l′=F+(l−F)F2(l−F)z+f02(4)式中, F 为透镜的焦距,λ为高斯光波长。

(3) 式、(4) 式表征了高斯光束的成像规律,即物高为2w0 ,物距为l的高斯光束经过焦距为F 的透镜的变换规律。

由(3) 式可看出,像方束腰半径w0′由物方束腰半径w0、焦距F、物距l及共焦参数f0共同决定。

为方便地研究w0′随各变量的变化,可进行归一化处理,从而得到:w0′w0=1(l∕F−1)2+(f0∕F)2按上式作出相应曲线[2 ] 。

图2 所示为归一化束腰半径随归一化物距的变化。

Fig. 2 Changing curves of normalized Gaussian waist for several parameters。