高斯光束的基本性质及特征参数 (2)
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高斯光束的基本性质及特征参数r讲解
1/ e
2
2 ( z ) lim z 0 z
高斯光束的发散度由束腰半径ω 0决定。
综上所述，基模高斯光束在其传播轴线附近， 可以看作是一种非均匀的球面波，其等相位面是曲 率中心不断变化的球面，振幅和强度在模截面内保 持高斯分布。
photomultiplier
photodiode
z
2
z 0 1 f
f2 R( z ) z z
高斯光束的共焦参数
2 0 f Z0
与传播轴线相 交于Z点的高斯光束 等相位面的曲率半 径
高斯光束的基本特征： (1)基模高斯光束在横截面内的光电场振幅分 布按照高斯函数的规律从中心（即传播轴线）向外 平滑地下降，如图1-6所示。由中心振幅值下降到 1/e点所对应的宽度，定义为光斑半径。
Avalanche photodiode
R(z)随Z变化规律为：
2 2 f f R z z 1 2 z z z
结论： a)当Z=0时，R(z)→∞，表明束腰所在处的等 相位面为平面。 b) 当Z→±∞时，│R(z)│≈z→∞表明离束腰无 限远处的等相位面亦为平面，且曲率中心就在束腰 处； c)当z=±f时，│R(z)│=2f，达到极小值 。
决定了基模高斯光束的空间相移特性。 其 中 ， kz 描 述 了 高 斯 光 束 的 几 何 相 移 ； arctan(z/f)描述了高斯光束在空间行进距离z处， 相对于几何相移的附加相移；因子kr2/(2R(z))则表 示与横向坐标 r 有关的相移，它表明高斯光束的等 相位面是以R(z)为半径的球面。
高斯光束的基本性质及特征参数
基模高斯光束
高斯光束在自由空间的传播规律
第三章--高斯光束及其特性
qM
AqM B 1 CqM D qM
D Ai 2B
1 (D A)2 4 B
§3.2 高斯光束与球面谐振腔的自再现模式
1 D A 1 (D A)2 4
i
qM 2B
B
1 q(z)
1 R(z)
i
2 (z)
R(z) 2B (D A)
(z) (
)1 2
B12
1
D
2
A
2
2
0 (z)
z
R(z
)
1
1
2(z) R(z)
R(z) 2
2
(
z
)
§3.1 基模高斯光束
3）基模高斯光束的特征参数：
➢ 用q参数表征高斯光束
u00
(
x
,
y
,
z
)
c00
0 (z
)
exp[
x2
2(
y2 z)
]exp{
i[k
(
z
x2 y2 ) arctg 2R(z)
1 11
q2 q1 F
q2
Aq1 Cq1
B D
复曲率半径q
§3.1 基模高斯光束
出射光束的束腰位置和尺寸： 入射高斯光束的光腰在l处， 出射高斯光束的光腰在l ’处
q q0
if
02
q
q0
if
02
等和式实两部端对的应虚相部等
f l
(l
F2 f F )2
l(l F ) f (l F )2 f
z f
]}
u00 ( x,
y, z) c00
0 exp{ik (z)
x2
10第二章 5高斯光束的基本性质及特征参数
例1 某高斯光束波长为?=3.14? m,腰斑半径为
w0=1mm, 求腰右方距离腰50cm处的 斑半径w 与等相位面曲率半径R
解
f
?
??
2 0
?
?
3.14 3.14
? 10 ?6 ? 10 ?6
?
1m
? (z) ? ? 0
1?
z2 f2
?
w0
1?
0.52 12
? 1.12mm
R(z) ? z ? f 2 ? 0.5 ? 12 ? 2.5m
?
i[
k
(
z
?
r2 )? 2R( z)
arctg
z ]} f
重新整理 r
?
00 ( x,
y,
z)
?
?
c ( z)
exp{
? ik
r2 2
[
1 R( z)
?
i
??
?
2
(
z)
]}
exp[
?
i
(
kz
?
arctg
z )] f
引入一个新的参数 q(z)， 定义为
1 q(z)
?
1 R( z)
?
i
??
?
2
(
z)
? 参数q将? (z)和R(z)统一在一个表达式中，知
R ? R(z) ? z[1? ( f )2 ] ? f ( z ? f ) ? z ? f 2
z
fz
z
R(z)：与传播轴线相交于z点的高斯光束等相位
面的曲率半径
? (z) ? ?0
1? ( z)2 f
? (z)：与传播轴线相交于z点的高斯光束等相位
2.6 高斯光束基本性质及特征参数详解
a、光腰半径
x方向：m2 2m 102 02 y方向：n2 2n 102 02
b、z处光斑半径
x方向： m2z 2m 1z2 z2 y方向： n2z 2n 1z2 z2
(5) 远场发散角
x方向： m
lim
z
2m z
z
y方向：
n
lim
z
2n z
z
2m 1 2 0
2n 1 2 0
1
2
z
R
z 1
R z w2 z
2
1
00 x,
y, z
c
wz
exp
ik
r2 2
1
Rz
i w2 z
e
i
kztg
1
z f
1
qz
1
Rz
i
2 z
1/q(z) —高斯光束的复曲率半径
知道q(z)可以求R (z)和 z
1
Rz
Re q1z
1
2 z
Im
q
1
z
特例：
自由空间为例
r2 Ar1 B1 近轴光 ,
2 Cr1 D1 r2 R22 r1 R11
R2
r2
2
AR1 B CR1 D
—ABCD公式
二、高斯光束q参数的变换规律——ABCD公式 1、高斯光束与普通球面波参数与传输规律的对应
描述 传播
普通球面波 曲率半径
R2
AR 1 CR 1
B D
高斯光束
2.9 高斯光束基本性质和特征参数
在高斯近似下，稳定腔和共焦腔都输出高斯光束，对方形镜和 圆形镜腔，分别是厄米—高斯(高阶或基模)和拉盖尔—高斯(高 阶或基模)光束。
【精品】课件---04-高斯光束
r2
w2 z
exp
i
kz
arctan( z w02
)
exp[i
r2 ] 2R(z)
2.基模高斯光束的相移和等相位面分布
基模高斯光束的相移特性由相位因子决定
x,
y,
z
k
z
r2 2R(z)
arctan
z w02
它描述高斯光束在点(r,z)处相对于原点(0,0)处的相位滞后
R(z) 符号意义为：如果R>0，则球面轴线上的半径方向为z正方向； 如果R<0，则为z负方向。
3
u0
x,
y, z
w0
wz
exp
r2
w2 z
exp i
kz
z arctan( w02
) exp[i
r2 ]
2R(z)
式中：
wz w0
1
z w02
2
w0
1
z z0
2
与轴线交于z点 的等相位面上 的光斑半径
11
二、高阶高斯光束
一）在直角坐标系下的场分布(方形孔径)
高阶高斯光束场的形式：由厄米多项式与高斯函数乘积描述
umn
x,
y,
z
Cmn
w0
wz
Hm
2x
w(
z)
Hn
2y
w(z)
exp
r2
w2
z
exp
i
kz
(1
m
n)
arctan
z w02
exp
i
r2 2R(z)
w0
2
1
z zR
4. 远场发散角
第六章高斯光束详解
波谷
波阵面是垂直于z轴的平面，平面上各点的振幅 相等，相位相同。
振幅A0与x，y无关，即垂直于光束传播方向的 横截面上的光强是均匀的。
1.2 均匀同心光束
波峰
E( x, y, z) A1 eikr r
K 2
r x2 y2 z2
特点：
k
k
波谷
波阵面是与点光源为球心的球面，球面上各点 的相位相同。
高斯光束的透镜变换要点示意
A
A’
（a）
C ω
ω ˊ Cˊ
-R
Rˊ
高斯光束透镜变换
（b）
4.2 求解实际问题的三个步骤：
入射高斯光束:
腰到透镜的距离z
束腰半径ω 0， 透镜的焦距f′
出射高斯光束:
束腰位置z′ 束腰半径ω0′
① 根据束腰位置z和束腰半径ω 0，求出入射高
斯激光束在透镜上的光束截面半径ω 和波面半 径R；
2
z ' 100.00mm
入射光束的束腰位于 透镜前焦点
出射光束的束腰位 于透镜的后焦点
4.3 透镜变换和几何光学成像规则的对照
0
1
z 02
2
1
2
R
z
1
02 z
2
1 1 R' R
'
1 f'
0
=
2
1+
2 R
2
z
R
1
R' 2
2
消去中间变量
1
z F
2
0
z 2
1
02
高斯激光束的传播过程中
光束半径ω 与z之间不符
合线性关系.
ω
波阵面是垂直于z轴的平面，平面上各点的振幅 相等，相位相同。
振幅A0与x，y无关，即垂直于光束传播方向的 横截面上的光强是均匀的。
1.2 均匀同心光束
波峰
E( x, y, z) A1 eikr r
K 2
r x2 y2 z2
特点：
k
k
波谷
波阵面是与点光源为球心的球面，球面上各点 的相位相同。
高斯光束的透镜变换要点示意
A
A’
（a）
C ω
ω ˊ Cˊ
-R
Rˊ
高斯光束透镜变换
（b）
4.2 求解实际问题的三个步骤：
入射高斯光束:
腰到透镜的距离z
束腰半径ω 0， 透镜的焦距f′
出射高斯光束:
束腰位置z′ 束腰半径ω0′
① 根据束腰位置z和束腰半径ω 0，求出入射高
斯激光束在透镜上的光束截面半径ω 和波面半 径R；
2
z ' 100.00mm
入射光束的束腰位于 透镜前焦点
出射光束的束腰位 于透镜的后焦点
4.3 透镜变换和几何光学成像规则的对照
0
1
z 02
2
1
2
R
z
1
02 z
2
1 1 R' R
'
1 f'
0
=
2
1+
2 R
2
z
R
1
R' 2
2
消去中间变量
1
z F
2
0
z 2
1
02
高斯激光束的传播过程中
光束半径ω 与z之间不符
合线性关系.
ω
Chap4高斯光束
⎛ λz ⎞ ⎛z⎞ ⎜ ⎟ 1+ ⎜ = ω 1 + 0 ⎜f⎟ ⎜ πω 2 ⎟ ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ 0⎠ Lλ = 2π fλ
2 2
—任意位置光斑尺寸 —基模光腰半径 —等相面曲率半径
L πω f = = 0 = zR 2 λ
2
ω0 =
π
f2 R = R(z ) = z + z
共焦参数 瑞利长度
实际应用中常称2zR为高斯光束的准直距离 对一般稳定腔，需作下列转换：
4.1 高斯光束的基本性质和特征参数
(2)横向场分布及光斑花样
⎛ 2 ⎞ ⎛ 2 ⎞ − ω 2 (z ) ⎟H n ⎜ ⎟e Hm⎜ x y ⎜ ω (z ) ⎟ ⎜ ω (z ) ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠
r2
—厄米—高斯函数
花样：沿x方向有m条节线，沿y方向有n条节线。 (3)相移特征
r2 z φ r , z = kz + k − m + n + 1 arctg 2R f
L( R1 − L)( R2 − L)( R1 + R2 − L) g1 g 2 (1 − g1 g 2 ) L2 f = = 2 ( R1 + R2 − 2 L) (g1 + g 2 − 2 g1 g 2 )2
2
4.1 高斯光束的基本性质和特征参数
4.1.2 基模高斯光束的基本性质
1、振幅分布及光斑半径
及 R ( z ) 表征
2
⎡ ⎛ f ⎞2 ⎤ R = R( z ) = z ⎢1 + ⎜ ⎟ ⎥ z ⎠ ⎦ ⎣ ⎝
⎡ ⎛ π ω (z ) ⎞ ω0 = ω ( z )⎢1 + ⎜ ⎜ λ R(z ) ⎟ ⎟ ⎢ ⎠ ⎣ ⎝
2 2
—任意位置光斑尺寸 —基模光腰半径 —等相面曲率半径
L πω f = = 0 = zR 2 λ
2
ω0 =
π
f2 R = R(z ) = z + z
共焦参数 瑞利长度
实际应用中常称2zR为高斯光束的准直距离 对一般稳定腔，需作下列转换：
4.1 高斯光束的基本性质和特征参数
(2)横向场分布及光斑花样
⎛ 2 ⎞ ⎛ 2 ⎞ − ω 2 (z ) ⎟H n ⎜ ⎟e Hm⎜ x y ⎜ ω (z ) ⎟ ⎜ ω (z ) ⎟ ⎝ ⎠ ⎝ ⎠
r2
—厄米—高斯函数
花样：沿x方向有m条节线，沿y方向有n条节线。 (3)相移特征
r2 z φ r , z = kz + k − m + n + 1 arctg 2R f
L( R1 − L)( R2 − L)( R1 + R2 − L) g1 g 2 (1 − g1 g 2 ) L2 f = = 2 ( R1 + R2 − 2 L) (g1 + g 2 − 2 g1 g 2 )2
2
4.1 高斯光束的基本性质和特征参数
4.1.2 基模高斯光束的基本性质
1、振幅分布及光斑半径
及 R ( z ) 表征
2
⎡ ⎛ f ⎞2 ⎤ R = R( z ) = z ⎢1 + ⎜ ⎟ ⎥ z ⎠ ⎦ ⎣ ⎝
⎡ ⎛ π ω (z ) ⎞ ω0 = ω ( z )⎢1 + ⎜ ⎜ λ R(z ) ⎟ ⎟ ⎢ ⎠ ⎣ ⎝
高斯光束的基本性质及特征参数r
0
综上所述，基模高斯光束在其传播轴线附近， 能够看作是一种非均匀旳球面波，其等相位面是曲 率中心不断变化旳球面，振幅和强度在模截面内保 持高斯分布。
photomultiplier
photodiode
Avalanche photodiode
高斯光束旳基本性质及特征参数
基模高斯光束 高斯光束在自由空间旳传播规律
高斯光束旳参数特征
4、高斯光束
由激光器产生旳激光束既不是上面讨论旳均匀平 面光波，也不是均匀球面光波，而是一种振幅和等 相位面在变化旳高斯球面光波，即高斯光束。
以基模TEM00高斯光束为例，体现式为：
E0
ωγ2 2zeik
z
γ2
2 z z2
02 f 2 1
如图1-7所示。
在Z=0处，ω（z）=ω0到达极小值，称为束 腰半径。
(2)基模高斯光束场旳相位因子
00 r, z
k z
2R
2
z
arctan
z f
决定了基模高斯光束旳空间相移特征。
其中，kz描述了高斯光束旳几何相移； arctan(z/f)描述了高斯光束在空间行进距离z处， 相对于几何相移旳附加相移；因子kr2/(2R(z))则表 达与横向坐标r有关旳相移，它表白高斯光束旳等 相位面是以R(z)为半径旳球面。
R(z)随Z变化规律为：
Rz
z 1
f2 z2
z
f2 z
结论：
a)当Z=0时，R(z)→∞，表白束腰所在处旳等 相位面为平面。
b) 当Z→±∞时，│R(z)│≈z→∞表白离束腰无 限远处旳等相位面亦为平面，且曲率中心就在束腰 处；
c)当z=±f时，│R(z)│=2f，到达极小值 。
综上所述，基模高斯光束在其传播轴线附近， 能够看作是一种非均匀旳球面波，其等相位面是曲 率中心不断变化旳球面，振幅和强度在模截面内保 持高斯分布。
photomultiplier
photodiode
Avalanche photodiode
高斯光束旳基本性质及特征参数
基模高斯光束 高斯光束在自由空间旳传播规律
高斯光束旳参数特征
4、高斯光束
由激光器产生旳激光束既不是上面讨论旳均匀平 面光波，也不是均匀球面光波，而是一种振幅和等 相位面在变化旳高斯球面光波，即高斯光束。
以基模TEM00高斯光束为例，体现式为：
E0
ωγ2 2zeik
z
γ2
2 z z2
02 f 2 1
如图1-7所示。
在Z=0处，ω（z）=ω0到达极小值，称为束 腰半径。
(2)基模高斯光束场旳相位因子
00 r, z
k z
2R
2
z
arctan
z f
决定了基模高斯光束旳空间相移特征。
其中，kz描述了高斯光束旳几何相移； arctan(z/f)描述了高斯光束在空间行进距离z处， 相对于几何相移旳附加相移；因子kr2/(2R(z))则表 达与横向坐标r有关旳相移，它表白高斯光束旳等 相位面是以R(z)为半径旳球面。
R(z)随Z变化规律为：
Rz
z 1
f2 z2
z
f2 z
结论：
a)当Z=0时，R(z)→∞，表白束腰所在处旳等 相位面为平面。
b) 当Z→±∞时，│R(z)│≈z→∞表白离束腰无 限远处旳等相位面亦为平面，且曲率中心就在束腰 处；
c)当z=±f时，│R(z)│=2f，到达极小值 。
高斯光束基本性质及特征参数
L 2
f
wz w f w0s
L
w2z w02
z2 f2
1
基模光斑大小变化规律
• 模体积－模式在腔内所扩展的空间范围 上海大学电子信息科学与技术
w0s
• 模体积～有贡献的激发态粒子数～输出功率
• 共焦腔基模体积
V000
1 2
Lw02s
L2
2
• 高阶模体积－ 模阶次 ，模体积
z
f2 z
f w02
腰斑半径
w0
f
小结：
上海大学电子信息科学与技术
• 在N>>1时, 共焦腔的自再现模可以厄米~高斯或拉盖尔~ 高斯函数近似描述
• 共焦腔光束的基本特征唯一地由焦距 f 决定, 与反射镜
尺寸a 无关。参数 f 或 w0 是表征共焦腔高斯光束的特征 参数。
y
(x,y,z)
x2 y2 z R0 z0 2 R02
c0 球面波
x2 y2
z z0
z z0 R0 R02 x2 y2
x2 y2 R02
取一级近似
R01
x2 y2 2R02
上式整理后得
近轴球面波
z
z0
三、圆形镜共焦腔－拉盖尔～高斯近似解 上海大学电子信息科学与技术
本征函数 本征值
Vmn
r,
Cmn
2
r w0s
m
Lm n
ei
k L m2 n12
mn
2
第二章高斯光束
§2-2 高斯光束的特性
一、在束腰处（即Z=0处） 1．波阵面半径R（z） W 2 2 W 2 2 1 0 0 lin R( z ) lin z 1 lin z z 0 z 0 z 0 z z 即 R （ z ） =R0=∝，（ z=0 处， R0→∝） 在 z=0 处，波阵面
r2 r2 A0 A0 E ( x, y,0) exp 2 exp ik (0 0) i 0 exp 2 W0 W0 W0 W0
图2-4
A0 推导：令r=0，则E（0，0，0）= W0
W02 1 A0 1 A0 E (0,0,0) 令r=W0，则E（x0，y0，0）= exp 2 W0 W0 e W0 e
2 A0 r 2r 2 A0 P kE k exp 2 k 2 exp 2 W ( z) W ( z ) W ( z) W ( z ) 2 2 2
在通孔半径为ρ的光强P（ρ）
2r 2 A02 p( ) k 2 exp 2 2r.dr W ( z) o W ( z )
2．位相相等的面（即等相面）为：半经相等的球面
3．光矢量沿传播方向的光强与传播距离r成反比。
作为 特例：当z>>x,y，即相距点光源很远的很小球面内，r≈Z 则 E ( x, y , z )
A0 exp[ ikz ] ，与平面波矢量 E( x, y, z) A0 exp[ikz]， z
dW ( z ) 2 z 2 4 2 2 W Z 即 0 dz W0
1 2
高斯光束
物理与光电信息科技学院
《激光原理与技术》
Lasers Principles and Technologies
主讲教师：陈 建 新 、朱莉莉、陈荣
福建师范大学物理与光电信息科技学院
（第三章）
物理与光电信息科技学院
《激光原理与技术》
第三章 高斯光束
赫姆霍兹方程在缓慢振幅近似下的一个特解，对应着具有 圆对称光学谐振腔的振荡模式。
（第三章）
物理与光电信息科技学院
《激光原理与技术》
在垂直于光束的任意一个横截面上，振幅的分布为:
2 r l l 2r 2 r 2 cosl Apl r , , z [ ] L p [ 2 ] exp 2 sin l w( z ) w z w z
（第三章）
物理与光电信息科技学院
《激光原理与技术》
高斯光束的基本性质
波动方程的基模解 在标量近似下稳态传播的电磁场满足的赫姆霍茨方程：
u0 k u0 0
2
在z的缓变振幅近似下（忽略 解出上式微分方程的一个特解：
2 z 2
），利用“试探法”
此特解叫做基模高斯光束
光斑半径随z的变化规律为：wz w 0 当
z z 1 w 1 0 z w 2 0 0
2 2
z z0 时 wz0 2w0
从最小光斑面 积增大到它的 二倍的范围是 瑞利范围， 从最小光斑处 算起的这个长 度叫瑞利长度
（第三章）
物理与光电信息科技学院
《激光原理与技术》
w0 r2 z r2 u0 x , y , z { exp i kz arctan( 2 ) exp[i ] w 2 z exp w z 2 R ( z ) w 0
《激光原理与技术》
Lasers Principles and Technologies
主讲教师：陈 建 新 、朱莉莉、陈荣
福建师范大学物理与光电信息科技学院
（第三章）
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第三章 高斯光束
赫姆霍兹方程在缓慢振幅近似下的一个特解，对应着具有 圆对称光学谐振腔的振荡模式。
（第三章）
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在垂直于光束的任意一个横截面上，振幅的分布为:
2 r l l 2r 2 r 2 cosl Apl r , , z [ ] L p [ 2 ] exp 2 sin l w( z ) w z w z
（第三章）
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《激光原理与技术》
高斯光束的基本性质
波动方程的基模解 在标量近似下稳态传播的电磁场满足的赫姆霍茨方程：
u0 k u0 0
2
在z的缓变振幅近似下（忽略 解出上式微分方程的一个特解：
2 z 2
），利用“试探法”
此特解叫做基模高斯光束
光斑半径随z的变化规律为：wz w 0 当
z z 1 w 1 0 z w 2 0 0
2 2
z z0 时 wz0 2w0
从最小光斑面 积增大到它的 二倍的范围是 瑞利范围， 从最小光斑处 算起的这个长 度叫瑞利长度
（第三章）
物理与光电信息科技学院
《激光原理与技术》
w0 r2 z r2 u0 x , y , z { exp i kz arctan( 2 ) exp[i ] w 2 z exp w z 2 R ( z ) w 0
10第二章-5高斯光束的基本性质及特征参数
2R(z)
z f
]}
重新整理r
00 (x, y, z)
c exp{ik
(z)
r2 2
[
1 R(z
)
i
2(
z
)
]}
exp[
i(k
z
arctg
z )] f
引入一个新的参数q(z)， 定义为
1 q(z)
1 R(z)
i
2 (z)
• 参数q将(z)和R(z)统一在一个表达式中，知
道了高斯光束在某位置处的q参数值，可由下
对称共焦腔/一般稳定球面腔
二、高斯光束在自由空间的传输规律
振幅因子光斑半径(z)
基模高斯光束在横截面内的场振幅分布按高斯
函数所描述的规律从中心向外平滑地降落。由 振幅降落到中心值的1/e处的点所定义的光斑半
径为(z)；光斑半径随坐标z按双曲线规律扩展
远场发散角0（定义在基模高斯光束强度的
1/e2点的远场发散角）
解
f
02
3.14 106 3.14 106
1m
(z) 0
1
z2 f2
w0
1
0.52 12
1.12mm
R(z) z f 2 0.5 12 2.5m
z
0.5
例2 高斯光束在某处的光斑半径为w=1mm, 等相位
面曲率半径为R=0.5m, 求此高斯光束(1)该处的q参
数 (2)腰斑半径w0及腰位置(光波长为=3.14m)
(
2 0
)
2
令
0
0
l l
F
1 2
l 1
2 0
l
2
0、
1 R(l) 2
z f
]}
重新整理r
00 (x, y, z)
c exp{ik
(z)
r2 2
[
1 R(z
)
i
2(
z
)
]}
exp[
i(k
z
arctg
z )] f
引入一个新的参数q(z)， 定义为
1 q(z)
1 R(z)
i
2 (z)
• 参数q将(z)和R(z)统一在一个表达式中，知
道了高斯光束在某位置处的q参数值，可由下
对称共焦腔/一般稳定球面腔
二、高斯光束在自由空间的传输规律
振幅因子光斑半径(z)
基模高斯光束在横截面内的场振幅分布按高斯
函数所描述的规律从中心向外平滑地降落。由 振幅降落到中心值的1/e处的点所定义的光斑半
径为(z)；光斑半径随坐标z按双曲线规律扩展
远场发散角0（定义在基模高斯光束强度的
1/e2点的远场发散角）
解
f
02
3.14 106 3.14 106
1m
(z) 0
1
z2 f2
w0
1
0.52 12
1.12mm
R(z) z f 2 0.5 12 2.5m
z
0.5
例2 高斯光束在某处的光斑半径为w=1mm, 等相位
面曲率半径为R=0.5m, 求此高斯光束(1)该处的q参
数 (2)腰斑半径w0及腰位置(光波长为=3.14m)
(
2 0
)
2
令
0
0
l l
F
1 2
l 1
2 0
l
2
0、
1 R(l) 2
激光物理第1.3章 高斯光束
q1 Aq B 1
1 2
1 2
i
2 y2
e
Cq1 D Aq1 B
q1 Aq B e 1
1 2
2 y2 i q 2
(1.4.8)
Aq1 B q2 Cq1 D
推广到二维坐标的情况,得到:
(1.4.9)
（1.3.8）和(1.3.11)
k qz Qz
E0 e
r 2 i P z q z
(1.3.26)
得到两个方程:
d 1 qz 2 0 q 2 z dz 1
1 dPz i 0 q z dz
2 01 2 01
2
2
C
因为C点取在像方光腰 处，此时应有
1 Re 0 qC
由此即可解得
l2 f ( f l1 ) f
2 2 2 01 2
( f l1 )
2 f 201
(1.4.16)
1 1 i 2 q( z ) ( z ) ( z )
z = 0 ，ρ(0)→∞，
(0) 0
1 1 1 i q0 q( 0 ) ( 0 ) 2 ( 0 )
02 q0 i iz0
可将高斯光束表示为
0 E ( x , y , z ) E0 e z
z0 2 ( z ) z 1 z 2 0 2 z0 ，k
（1.3.19）
均匀介质中高斯光束的传 播特性
沿z轴方向传播的基模(m=n=0)高斯光束
1 2
1 2
i
2 y2
e
Cq1 D Aq1 B
q1 Aq B e 1
1 2
2 y2 i q 2
(1.4.8)
Aq1 B q2 Cq1 D
推广到二维坐标的情况,得到:
(1.4.9)
（1.3.8）和(1.3.11)
k qz Qz
E0 e
r 2 i P z q z
(1.3.26)
得到两个方程:
d 1 qz 2 0 q 2 z dz 1
1 dPz i 0 q z dz
2 01 2 01
2
2
C
因为C点取在像方光腰 处，此时应有
1 Re 0 qC
由此即可解得
l2 f ( f l1 ) f
2 2 2 01 2
( f l1 )
2 f 201
(1.4.16)
1 1 i 2 q( z ) ( z ) ( z )
z = 0 ，ρ(0)→∞，
(0) 0
1 1 1 i q0 q( 0 ) ( 0 ) 2 ( 0 )
02 q0 i iz0
可将高斯光束表示为
0 E ( x , y , z ) E0 e z
z0 2 ( z ) z 1 z 2 0 2 z0 ，k
（1.3.19）
均匀介质中高斯光束的传 播特性
沿z轴方向传播的基模(m=n=0)高斯光束
第八章高斯光束
(3) 在各向同性介质中有介电常数不随位置而发生变化，即 0
综合上三式可以得到 u 2E 2E (4)
t 2
假设折射率n的空间变化很小，即n(r)满足慢变近似，此时可以将电磁场表示为：
E(x,
y,
z,t)
Re
E0(x,
y,
z)eit
代入(4)式
2 E 0 k 2(r)
k 2(r)E0
2u (r)
r
2 z 2
• 我们假设 2 ，其中a为集中大部分能量的横截面半径，这一假设说
明衍射效应很弱，因此可以将推导局限于单一的横向场分量，其单色平
面波的表达式为：E (x, y, z)e ikz其中e-ikz表示波数为k的严格平面波， 为了研究修正平面波，我们引入了修正因子 (x, y, z) ，它包含了相位
R(z):等相位面曲率半径(凸向z轴为正)
R(z) z
0
z
二、ABCD定律
若某元件的光学变换矩阵为
A C
B D
，则通过
此元件前、后的球面波R参数和高斯光束q参
数满足关系
R2
=
AR1 CR1
+B +D
q2
Aq1 B Cq1 D
通过元件前的参数 通过元件后的参数
三、球面波R参数的传输规律
1、传播L距离 R=R+L
1
z
R z2 f 2
1 q
1 R
i W 2
z2
z
f
2
i
z2
f
f
2
z if z2 f
2
z2 f 2 (z2 f 2 )(z if )
q
z if
高斯光束的基本性质及特征参数课件
变换方法
通过使用各种光学元件，如反射镜、 棱镜等，可以对高斯光束进行各种形 式的变换，如旋转、平移、缩放等。
高斯光束的操控与调制
操控技术
利用光学元件对高斯光束进行操控，如改变光束方向、实现光束分裂等。
调制方法
通过在光束中加入外部信号，可以对高斯光束进行调制，实现信息传输和信号 处理等功能。
05
CHAPTER
高斯光束的聚焦
通过透镜可以将高斯光束聚焦到一点 ，聚焦点处的光强最大过程中，其传播方向呈发散状。
光强分布
高斯光束的光强呈高斯型分布，中心光强最大，向外逐渐减小。
衍射极限
高斯光束的衍射极限由波长和束腰宽度决定，短波长、小束腰宽度 的高斯光束具有更好的聚焦性能。
高斯光束的模拟与仿真
高斯光束的数值模拟方法
有限差分法
通过离散化高斯光束的波动方程，使用差分公式 求解离散点上的场值。
有限元法
将高斯光束的波动方程转化为变分问题，利用分 片多项式逼近解。
谱方法
将高斯光束的波动方程转化为频域或谱域的方程 ，通过傅里叶变换求解。
高斯光束的物理仿真实验
光学实验平台
搭建光学实验装置，通过实际的光路系统模拟高斯光束的传播。
光学成像
1 2 3
高分辨率成像
高斯光束在光学成像领域可用于实现高分辨率、 高清晰度的成像，从而提高图像的细节表现力和 清晰度。
荧光显微镜
高斯光束作为激发光，能够均匀地激发样品中的 荧光物质，提高荧光显微镜的成像质量和稳定性 。
光学共聚焦显微镜
利用高斯光束的聚焦和扫描特性，可以实现光学 共聚焦显微镜的高精度、高灵敏度成像。
激光加工
高效加工
01
高斯光束具有较高的亮度和能量集中度，能够实现高效、高精
通过使用各种光学元件，如反射镜、 棱镜等，可以对高斯光束进行各种形 式的变换，如旋转、平移、缩放等。
高斯光束的操控与调制
操控技术
利用光学元件对高斯光束进行操控，如改变光束方向、实现光束分裂等。
调制方法
通过在光束中加入外部信号，可以对高斯光束进行调制，实现信息传输和信号 处理等功能。
05
CHAPTER
高斯光束的聚焦
通过透镜可以将高斯光束聚焦到一点 ，聚焦点处的光强最大过程中，其传播方向呈发散状。
光强分布
高斯光束的光强呈高斯型分布，中心光强最大，向外逐渐减小。
衍射极限
高斯光束的衍射极限由波长和束腰宽度决定，短波长、小束腰宽度 的高斯光束具有更好的聚焦性能。
高斯光束的模拟与仿真
高斯光束的数值模拟方法
有限差分法
通过离散化高斯光束的波动方程，使用差分公式 求解离散点上的场值。
有限元法
将高斯光束的波动方程转化为变分问题，利用分 片多项式逼近解。
谱方法
将高斯光束的波动方程转化为频域或谱域的方程 ，通过傅里叶变换求解。
高斯光束的物理仿真实验
光学实验平台
搭建光学实验装置，通过实际的光路系统模拟高斯光束的传播。
光学成像
1 2 3
高分辨率成像
高斯光束在光学成像领域可用于实现高分辨率、 高清晰度的成像，从而提高图像的细节表现力和 清晰度。
荧光显微镜
高斯光束作为激发光，能够均匀地激发样品中的 荧光物质，提高荧光显微镜的成像质量和稳定性 。
光学共聚焦显微镜
利用高斯光束的聚焦和扫描特性，可以实现光学 共聚焦显微镜的高精度、高灵敏度成像。
激光加工
高效加工
01
高斯光束具有较高的亮度和能量集中度，能够实现高效、高精
高斯光束的参数及其测量方法
高斯光束的参数及其测量方法高斯光束是一种极具用处的特殊光束，它可以用于光学测量、光谱分析和图像处理等应用中。
它的特征在于它具有均匀的光强度分布，而且在整个衰减过程中保持相同的衰减率，使得它非常适合用于测量应用。
但要想精确地测量高斯光束，就必须对它的参数进行测量。
高斯光束的参数是指能表示其场强分布的参数，主要有光束宽度、光强均匀性、衰减率等。
（1）光束宽度：光束宽度是指光束的半峰宽度，它决定了光束的分布形状，也决定着光束在传播过程中的衰减率。
一般来说，光束的宽度越小，光束的衰减率越高，这样就能使光束能在更大的距离上保持均匀的光强。
常用的光束宽度测量方法有：（a）利用光学望远镜测量。
使用望远镜，将光束投射到屏幕上，然后观察光束在不同位置上的衰减情况，从而确定光束的宽度。
（b）利用近场光束分析仪测量。
近场分析仪可以直接测量光束的宽度，因此，可以轻松准确地测量高斯光束的宽度。
（2）光强均匀性：光束均匀性是指光束在整个传播路径上所呈现的强度均匀性。
高斯光束具有较高的均匀性，因此它在传播过程中所衰减的光强都是相同的，使得它非常适合用于测量应用。
常用的光强均匀性测量方法有：（a）利用光电器件测量。
可以使用光电器件，如电池、电势器、探测器等，来测量光束在不同位置上的光强。
然后，比较不同位置的光强，确定光束的均匀性。
（b）利用光学望远镜测量。
可以使用望远镜，将光束投射到屏幕上，然后观察光束在不同位置上的衰减情况，从而确定光束的均匀性。
（3）衰减率：衰减率是指光束传播时光强衰减的速率。
高斯光束的衰减率是相同的，确定这一参数可以帮助我们更好地了解光束的传播特性。
常用的衰减率测量方法有：（a）利用光电器件测量。
可以使用光电器件，如电池、电势器、探测器等，来测量光束在不同位置上的光强。
然后，比较不同位置的光强，从而确定光束的衰减率。
（b）利用光学望远镜测量。
可以使用望远镜，将光束投射到屏幕上，然后观察光束在不同位置上的衰减情况，从而确定光束的衰减率。
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q2 q1 F
• q参数的变换规律可统一表示为
q2
Aq1 B Cq1 D
• 结论：高斯光束经任何光学系统变换时服从ABCD公式，由
光学系统对傍轴光线的变换矩阵所决定。
• 优点：能通过任意复杂的光学系统追踪高斯光束的q参数值 (将q称为复曲率半径the complex radius of curvature)
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• 高斯光束在其传输轴线附近可近似看 作是一种非均匀球面波，其曲率中心 随着传输过程而不断改变，但其振幅 和强度在横截面内始终保持高斯分布 特性，且其等相位面始终保持为球面。
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三、基模高斯光束的特征参数
用参数0（或f）及束腰位置表征高斯光束
用参数(z)和R(z)表征高斯光束 如果知道了某给定位置处的(z)和R(z)，可决
• 附加相移为 • 光斑半径
mn
(m 2n 1)arctg
z f
mn(z) m 2n 1(z)
• 发散角
mn m 2n 10
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§2.6 高斯光束q参数的变换规律
• 普通球面波的传播规律 • 高斯光束q参数的变换规律 • 用q参数分析高斯光束的传输问题
定高斯光束腰斑的大小0和位置z
高斯光束的q参数
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00 (x, y, z)
c (z)
exp[
r2 2(z
)
]
exp{
i[k
(
z
r 2 ) arctg 2R(z)
z f
]}
重新整理
00
(
x,
y,
z
)
c (z)
exp{
ik
r2 2
[1 R(z)
R(z)
z
f2 z
2 f z
z f z f z f
• The wavefront is flat or planar right at the waist, corresponding to an infinite radius of curvature or R(0)=. As the beam propagate toward, however, the wavefront gradually becomes curved, and the radius of curvature R(z) drops rather rapidly down to finite values.
1 q(z)
1 R(z)
i
2 (z)
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三、用q参数分析高斯光束的传输问题
• 已知：入射高斯光束腰斑半径为0 ，束腰与透 镜的距离为l，透镜的焦距为F。
• 求：通过透镜L后在与透镜相距lC处的高斯光束 参数C和RC。
• 思路1：
• 在z=0处 q(0)=i02/
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一、普通球面波的传播规律
• 研究对象：沿z轴方向传播的普通球面波，曲率中心为O(z=0)。 • 在自由空间的传播规律R2=R1+(z2-z1)=R1+L
• 傍轴球面波通过焦距为F的薄透镜时，其波前曲率半径满足 (应用牛顿公式)
1 1 1 R2 R1 F • 球面波的传播规律可以统一写成
思路2？
步步为营/一步到位
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特例：高斯光束腰斑的变换规律
• 若将C点取在像方束腰处，则有RC、 Re[1/qC]=0，可以求出像方束腰到透镜的 距离l和像方腰斑的大小0 。
l
F
(l
(l F
)2
F )F 2
(
2 0
)2
02
(F
F
2
2 0
,0
f
0为基模高斯光束的腰斑 半径，f 称为高斯光束的共 焦参数
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R R(z) z[1 ( f )2 ] f ( z f ) z f 2
z
fz
z
R(z)：与传播轴线相交于z点的高斯光束等相位
面的曲率半径
(z) 0
1 ( z )2 f
i
]}exp[ i(kz arctg
2 (z)
z )] f
引入一个新的参数q(z)， 定义为
1 q(z)
1 R(z)
i
2 (z)
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• 参数q将(z)和R(z)统一在一个表达式中，知
道了高斯光束在某位置处的q参数值，可由下
式求出该位置处(z)和R(z)的数值
m
lim
z
2m (z)
z
2m 1 2 0
2m 10
n
lim
z
2n (z)
z
2
2n 1
0
2n 10
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• 拉盖尔-高斯光束(柱对称稳定腔、圆形孔径共焦
腔)
• 柱对称系统中的高阶高斯光束的横向场分布
由下列函数描述，沿半径r方向有n个节线圆，
• 在A处（紧靠透镜的左方）qA=q(0)+l
• 在B处（紧靠透镜的右方）1/qB=1/qA-1/F
• 在C处 qC=qB+lC
qC C、RC
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l(F l) f 2
F2 f
qc lc F (F l)2 f 2 i (F l)2 f 2
q(z) through a complicated sequence of lenslike
elements. The beam radius R(z) and spot size (z)
at any plane z can be recovered through the use
of the following expression
R2
AR1 B CR1 D
• 结论：具有固定曲率中心的普通傍轴球面波可以由 其曲率半径R来描述，传播规律由变换矩阵确定。
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二、高斯光束q参数的变换规律—ABCD公式
• 研究对象：高斯球面波—非均匀的、曲率中心不断改变的球 面波
• q参数在自由空间的传输规律q(z)=q0+z，q2=q1+L • 通过薄透镜的变换 1 1 1
• 相位因子等相位面的曲率半径R(z) • 因子kr2/2R(z)表示与横向坐标（x,y）有关的相位移
动，表明高斯光束的等相位面是以R(z)为半径的球 面，其曲率半径随坐标而变化，且曲率中心也随z不 同而不同；当z=f时，R(z) =2f；当z =0时， R(z)； z 时， R(z) 。
此时，可用几何光学处理傍轴光线的方法来处
理高斯光束
特殊情况：当l F l F 与几何光学迥然不同
还可方便地求出透镜焦平面上的光斑大小：
沿辐角方向有m根节线
Lmn
(2
r2
2
)e
r2 2
cosm sin m
The higher-order Laguerre-gaussian mode patterns are characterized by azimuthal and radial symmetry.
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§2.5 高斯光束的基本性质及特征参数
• 一、沿z轴方向传播的基模高斯光束的表示
00 (x, y, z)
c (z)
exp[
r
2
2
(
z
)
]
exp{
i[k
(
z
r 2 ) arctg 2R
z ]} f
其中，c为常数，r2=x2+y2，k=2/，
f
2 0
径为(z)；光斑半径随坐标z按双曲线规律扩展
远场发散角0（定义在基模高斯光束强度的
1/e2点的远场发散角）
far-field beam angle
0
2(z)
lim z z
2
0
2
f
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Wavefront radius of curvature R(z)
(Higher-order Gaussian modes)
• 厄米特-高斯光束 (方形孔径的共焦腔或稳定球面腔)
• 其横向场分布由高斯函数和厄米特多项式
(Hermite polynomial)的乘积决定，沿x方向有m
条节线，沿y方向有n条节线
er22 H m
2
x Hn
l)2 (
2 0
)2
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2
当满足
2 0
(l F )2
l F F 2 lF lF lF
物高斯光束束腰离透镜足够
远
1 1 1 l l F
腰斑放大率 k 0 F l
0 l F l
几何光学之物和像
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• 附加相移
mn
(m n 1)arctg
z f
• x方向和y方向的光腰尺寸 m2 (2m 1)02
n2
(2n
1)
2 0
• 在z处的光斑尺寸 m2 (z) (2m 1) 2 (z)
• q参数的变换规律可统一表示为
q2
Aq1 B Cq1 D
• 结论：高斯光束经任何光学系统变换时服从ABCD公式，由
光学系统对傍轴光线的变换矩阵所决定。
• 优点：能通过任意复杂的光学系统追踪高斯光束的q参数值 (将q称为复曲率半径the complex radius of curvature)
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• 高斯光束在其传输轴线附近可近似看 作是一种非均匀球面波，其曲率中心 随着传输过程而不断改变，但其振幅 和强度在横截面内始终保持高斯分布 特性，且其等相位面始终保持为球面。
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三、基模高斯光束的特征参数
用参数0（或f）及束腰位置表征高斯光束
用参数(z)和R(z)表征高斯光束 如果知道了某给定位置处的(z)和R(z)，可决
• 附加相移为 • 光斑半径
mn
(m 2n 1)arctg
z f
mn(z) m 2n 1(z)
• 发散角
mn m 2n 10
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§2.6 高斯光束q参数的变换规律
• 普通球面波的传播规律 • 高斯光束q参数的变换规律 • 用q参数分析高斯光束的传输问题
定高斯光束腰斑的大小0和位置z
高斯光束的q参数
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00 (x, y, z)
c (z)
exp[
r2 2(z
)
]
exp{
i[k
(
z
r 2 ) arctg 2R(z)
z f
]}
重新整理
00
(
x,
y,
z
)
c (z)
exp{
ik
r2 2
[1 R(z)
R(z)
z
f2 z
2 f z
z f z f z f
• The wavefront is flat or planar right at the waist, corresponding to an infinite radius of curvature or R(0)=. As the beam propagate toward, however, the wavefront gradually becomes curved, and the radius of curvature R(z) drops rather rapidly down to finite values.
1 q(z)
1 R(z)
i
2 (z)
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三、用q参数分析高斯光束的传输问题
• 已知：入射高斯光束腰斑半径为0 ，束腰与透 镜的距离为l，透镜的焦距为F。
• 求：通过透镜L后在与透镜相距lC处的高斯光束 参数C和RC。
• 思路1：
• 在z=0处 q(0)=i02/
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一、普通球面波的传播规律
• 研究对象：沿z轴方向传播的普通球面波，曲率中心为O(z=0)。 • 在自由空间的传播规律R2=R1+(z2-z1)=R1+L
• 傍轴球面波通过焦距为F的薄透镜时，其波前曲率半径满足 (应用牛顿公式)
1 1 1 R2 R1 F • 球面波的传播规律可以统一写成
思路2？
步步为营/一步到位
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特例：高斯光束腰斑的变换规律
• 若将C点取在像方束腰处，则有RC、 Re[1/qC]=0，可以求出像方束腰到透镜的 距离l和像方腰斑的大小0 。
l
F
(l
(l F
)2
F )F 2
(
2 0
)2
02
(F
F
2
2 0
,0
f
0为基模高斯光束的腰斑 半径，f 称为高斯光束的共 焦参数
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R R(z) z[1 ( f )2 ] f ( z f ) z f 2
z
fz
z
R(z)：与传播轴线相交于z点的高斯光束等相位
面的曲率半径
(z) 0
1 ( z )2 f
i
]}exp[ i(kz arctg
2 (z)
z )] f
引入一个新的参数q(z)， 定义为
1 q(z)
1 R(z)
i
2 (z)
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• 参数q将(z)和R(z)统一在一个表达式中，知
道了高斯光束在某位置处的q参数值，可由下
式求出该位置处(z)和R(z)的数值
m
lim
z
2m (z)
z
2m 1 2 0
2m 10
n
lim
z
2n (z)
z
2
2n 1
0
2n 10
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• 拉盖尔-高斯光束(柱对称稳定腔、圆形孔径共焦
腔)
• 柱对称系统中的高阶高斯光束的横向场分布
由下列函数描述，沿半径r方向有n个节线圆，
• 在A处（紧靠透镜的左方）qA=q(0)+l
• 在B处（紧靠透镜的右方）1/qB=1/qA-1/F
• 在C处 qC=qB+lC
qC C、RC
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l(F l) f 2
F2 f
qc lc F (F l)2 f 2 i (F l)2 f 2
q(z) through a complicated sequence of lenslike
elements. The beam radius R(z) and spot size (z)
at any plane z can be recovered through the use
of the following expression
R2
AR1 B CR1 D
• 结论：具有固定曲率中心的普通傍轴球面波可以由 其曲率半径R来描述，传播规律由变换矩阵确定。
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二、高斯光束q参数的变换规律—ABCD公式
• 研究对象：高斯球面波—非均匀的、曲率中心不断改变的球 面波
• q参数在自由空间的传输规律q(z)=q0+z，q2=q1+L • 通过薄透镜的变换 1 1 1
• 相位因子等相位面的曲率半径R(z) • 因子kr2/2R(z)表示与横向坐标（x,y）有关的相位移
动，表明高斯光束的等相位面是以R(z)为半径的球 面，其曲率半径随坐标而变化，且曲率中心也随z不 同而不同；当z=f时，R(z) =2f；当z =0时， R(z)； z 时， R(z) 。
此时，可用几何光学处理傍轴光线的方法来处
理高斯光束
特殊情况：当l F l F 与几何光学迥然不同
还可方便地求出透镜焦平面上的光斑大小：
沿辐角方向有m根节线
Lmn
(2
r2
2
)e
r2 2
cosm sin m
The higher-order Laguerre-gaussian mode patterns are characterized by azimuthal and radial symmetry.
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§2.5 高斯光束的基本性质及特征参数
• 一、沿z轴方向传播的基模高斯光束的表示
00 (x, y, z)
c (z)
exp[
r
2
2
(
z
)
]
exp{
i[k
(
z
r 2 ) arctg 2R
z ]} f
其中，c为常数，r2=x2+y2，k=2/，
f
2 0
径为(z)；光斑半径随坐标z按双曲线规律扩展
远场发散角0（定义在基模高斯光束强度的
1/e2点的远场发散角）
far-field beam angle
0
2(z)
lim z z
2
0
2
f
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Wavefront radius of curvature R(z)
(Higher-order Gaussian modes)
• 厄米特-高斯光束 (方形孔径的共焦腔或稳定球面腔)
• 其横向场分布由高斯函数和厄米特多项式
(Hermite polynomial)的乘积决定，沿x方向有m
条节线，沿y方向有n条节线
er22 H m
2
x Hn
l)2 (
2 0
)2
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2
当满足
2 0
(l F )2
l F F 2 lF lF lF
物高斯光束束腰离透镜足够
远
1 1 1 l l F
腰斑放大率 k 0 F l
0 l F l
几何光学之物和像
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• 附加相移
mn
(m n 1)arctg
z f
• x方向和y方向的光腰尺寸 m2 (2m 1)02
n2
(2n
1)
2 0
• 在z处的光斑尺寸 m2 (z) (2m 1) 2 (z)