激光光束透镜变化
光学经典理论激光光学的几个重要原理
光学经典理论激光光学的几个重要原理激光是光学研究十分重要的一个方向，今天为大家整理了一些关于激光光学的几个重要原理，相信很多的朋友们应该会喜欢，可以收藏一下。
激光的产生说到激光的产生就要先从原子结构说起。
卢瑟福通过α粒子散射实验得出了原子的行星模型，依照公认的电动力学法则，绕核运动的电子将连续发光，并因能量损耗终将崩溃落人核内，这与观察到的分立光谱线并不一致。
女人上了年纪，改如何保养？广告为了解决这一矛盾，1913年，玻尔提出了两点假没：第一点假设认为，电子只能在某些确定的轨道上运动，这就是所谓的“定态”，电子只要停留在这些态中的任何一个，它就不会发光；第二点假设认为只有当电子从一个较高能量的定态跃迁到一较低能量的定态时，辐射才从原子中放出，放出的辐射能量等于两定态能量的差值，通过一个类似的逆过程，原子能够吸收一个辐射量子，使得一个电子跃迁到较高能量的定态。
玻尔原子理论解决了原子的稳定性问题，以及光谱规律与原子结构的本质联系问题展开剩余97%原子发光的机理原子从某一能级吸收或释放能量，变成另一能级，称之为原子跃迁。
爱因斯坦发现，若只有自发辐射和吸收跃迁，黑体和辐射场之间不可能达到热平衡，要达到热平衡，还必须存在受激辐射。
自发辐射与受激辐射当外来光子的频率满足hv=E2-E1时，使原子中处于高能级的电子在外来光子的激发下向低能级跃迁而发光。
受激辐射光子与入射光子属于同一光子态（或光波模式），具有相同的频率、相位、波矢、偏振。
——自发辐射系数——受激辐射系数受激吸收——受激吸收系数受激辐射与受激吸收的矛盾受激辐射使光子数增多，受激吸收使光子数减少。
受激辐射与自发辐射的矛盾要克服上述矛盾就需要粒子数反转。
受激辐射占优势，光通过工作物质后得到加强，获得光放大。
激光的产生条件：1、增益介质：激光的产生必须选择合适的工作物质，可以是气体、液体、固体。
在这种介质中可以实现粒子数反转，以制造获得激光的必要条件。
激光聚焦方式
激光聚焦方式激光聚焦是一种利用激光光束进行聚焦的技术，广泛应用于医学、工业、通信等领域。
激光聚焦方式可以分为透镜聚焦和自适应光学聚焦两种方式。
透镜聚焦是最常见的激光聚焦方式之一。
通过将激光光束通过透镜，使光线在透镜的作用下发生折射，从而实现光束的聚焦。
透镜聚焦方式的优点是结构简单，实现方便，适用于大多数激光器。
透镜聚焦方式的缺点是聚焦点的位置和形状受透镜的焦距和光束直径的影响较大，难以精确控制。
自适应光学聚焦是一种先进的激光聚焦方式。
它利用自适应光学元件对激光光束进行实时调整，以适应聚焦点的变化。
自适应光学聚焦方式通常使用的元件是变焦镜或变焦透镜。
通过不断调整元件的焦距，实现对激光光束的聚焦。
自适应光学聚焦方式的优点是可以精确控制聚焦点的位置和形状，适用于需要高精度聚焦的应用。
然而，自适应光学聚焦方式的缺点是结构复杂，制造和调整难度较大。
在医学领域，激光聚焦方式被广泛应用于激光手术和激光治疗。
激光手术利用激光聚焦的高能量使组织发生切割、烧蚀或凝固，用于治疗白内障、近视等眼部疾病，以及皮肤病变的切除。
激光治疗利用激光聚焦的低能量刺激组织，促进组织的再生和修复，用于治疗创伤、炎症等疾病。
在工业领域，激光聚焦方式被广泛应用于激光切割、激光打标和激光焊接等工艺。
激光切割利用高能量的激光光束对材料进行切割，用于金属、塑料等材料的加工。
激光打标利用激光聚焦的高能量在材料表面产生永久性的标记，用于产品标识和防伪。
激光焊接利用激光聚焦的高能量使材料瞬间熔化并连接在一起，用于汽车、航空航天等领域的零部件制造。
在通信领域，激光聚焦方式被广泛应用于光纤通信技术。
光纤通信利用激光器产生的激光光束通过光纤进行传输，通过激光聚焦方式将光束聚焦到光纤的端面，实现与光纤之间的高效能耦合。
激光聚焦方式可以提高光纤通信的传输效率和稳定性。
激光聚焦方式是一种重要的技术手段，广泛应用于医学、工业、通信等领域。
不同的激光聚焦方式具有不同的特点和应用范围，可以根据具体需求选择合适的方式。
光纤热透镜效应
光纤热透镜效应光纤热透镜效应是指在光纤中由于热效应引起的折射率变化，从而导致光束发生偏折和聚焦的现象。
光纤热透镜效应是光纤传输中的一个重要现象，对于光纤通信和激光加工等领域具有重要意义。
在光纤通信系统中，光信号的传输一般采用单模光纤，其中的光束是经过调制和放大后的信号。
当光纤中的光束受到外界热源的影响时，光纤中的折射率会发生变化，从而引起光束的偏折和聚焦。
这种现象就是光纤热透镜效应。
光纤热透镜效应的产生主要是由于光纤的材料对温度的敏感性造成的。
光纤通信中常用的材料有硅、石英等，这些材料在高温下会发生热膨胀，从而引起折射率的变化。
当光纤中某一部分受到热源的加热时，这一部分的折射率会发生变化，从而导致光束在该部分发生偏折和聚焦。
光纤热透镜效应对光纤通信系统的性能有一定的影响。
首先，光纤热透镜效应会导致光信号的传输损耗增加。
当光束发生聚焦时，光的能量会集中在一个较小的区域，使得该区域的光功率密度增加，从而导致光纤材料的吸收增加，引起损耗的增加。
其次，光纤热透镜效应也会引起光信号的失真。
当光束发生偏折时，光的传输路径会发生变化，从而导致光信号的相位和振幅发生改变，影响信号的传输质量。
为了减小光纤热透镜效应对光纤通信系统的影响，可以采取一些措施进行补偿。
首先，可以采用光纤降温措施，通过散热装置将光纤的温度保持在较低的水平，减小光纤热透镜效应的产生。
其次，可以采用光纤材料的优化设计，选择热膨胀系数较小的材料，减小热膨胀引起的折射率变化。
此外，还可以采用光纤补偿器等技术手段，对光信号进行相应的调整和补偿，减小光纤热透镜效应对信号的影响。
除了光纤通信系统，光纤热透镜效应在激光加工领域也有重要应用。
在激光加工过程中，光纤激光器产生的激光束经过聚焦透镜后，可以对材料进行切割、焊接等加工。
然而，由于激光束在光纤中传输时会发生热透镜效应，导致光束发生聚焦和偏折，从而影响激光加工的精度和效果。
因此，在激光加工过程中，需要对光纤热透镜效应进行补偿和控制，以保证加工的质量和效率。
微透镜变化对半导体激光器光束匀化效果的影响
－ 峰一 １ 黜 一一２
一 ～３
１ ｎｔ ｅ透 镜子透 镜对 组
成 的通道 内完 成 光 束 传 输 ， 如
图 １中 箭 头 １和 箭 头 ２所 示 ，
其 中 Ｐ为 微 透 镜 的孔 径 ， 厂为
焦距 。根据 公式 （ １ ） 可知 ， 其中 Ｓ为 目标 平 面 处 的光 斑 尺 寸 ，
摘 要 ： 为 了实 现 高 均 匀 性 的半 导体 激光 器 泵 浦 光 源 ， 研 究 了 成像 型 光束 积分 器 中微 透 镜 的变 化 对 泵 浦
光 均 匀 性 的 影 响 。详 细 讨 论 了微 透 镜 数 值 孔 径 与 入 射 光 束 的 角 度 匹 配 的 问题 。推 导 了高 斯 光 束 经 成 像 型 光 束
Ｆｉ ｇ． １ Ｆｕ ｎ ｃ ｔ ｉ ｏ ｎ ａ ｌ ｓ ｃ ｈ ｅ ｍｅ ｏ ｆ ｉ ｍａ ｇ ｉ ｎ ｇ ｂｅ ａ ｍ ｉ ｎ ｔ ｅ ｇ ｒ ａ ｔ ｏ ｒ ｗｉ ｔ ｈ ｎ ｏｎ — ｃ ｏ ｌ ｌ ｉ ｍａ ｔ ｅ ｄ ｂ ｅ ａ ｍ
图１ 非 准 直 光 入 射成 像 型 微 透 镜 阵 列 光 束积 分 器 原 理 框 图
积分器的光场分布模型 ， 分 析 了微 透 镜 的 边 缘衍 射对 光 斑 均 匀 性 的影 响 ， 明确 了微 透 镜 孔 径 大小 的 取 值 范 围 ， 并利用 Ｚ Ｅ ＭＡＸ进 行 了系 统 仿 真 及 实 验 验 证 。结 果 表 明 ， 经 优 化 后 的成 像 型 光 束 积 分 器 实 现 了不 均 匀 性 为
标平 面处光斑 均匀性 的影 响是 本文重 点解 决 的问题 。
成像 型光 束匀化 器是 由两 列微透 镜 阵列和一 个积 分透镜 组成 Ⅲ ５ ］ 。在 两列微 透镜 中 ， 前 列任 意一微 透镜 与
激光原理与技术 第7讲 高斯光束的聚焦和准直
第七讲 高斯光束的聚焦、准直
7.1 高斯光束通过薄透镜的变换
已知入射高斯光束束腰半径为0，束腰位置与透镜的距离为l，
透镜的焦距为F，各参数相互关系如下图，则有：
z
0处：q 0
q0
i
02
在B面处： q
1
B
q
1
A
1 F
在A面处：q A q0 l 在C面处：q C q B lC
研究其规律：
1
02
1
02
1
l F
2
f2
F
2
d dl
2 0
02
2 F2
l
F
d0
dl
03 02 F
2
F
l
7
7.2 高斯光束的聚焦
A、l F：
d0
dl
03 02 F
2
F
l
0
0 将随着l的减小而减小，
因此当l 0时有最小值：
此时像方高斯光束束腰位置：l
lC
F
F2 0 F 0 F 2 f 2
4
7.1 高斯光束通过薄透镜的变换
当不满足以上条件时，则不能套用几何光学的结论。
当l F时，可以求出l F，此时物方、像方高斯光束的束腰都位于 焦点处，这与几何光学中平行光成像于无穷远处的结论不相符。
当l F时，l仍可解出大于零的解。 例如当时l 0，即入射的物方高斯光束的束腰位于透镜上，可以得到：
2
0 F l k 0 l F l
几何光学薄透 镜成像垂轴
放大率公式
束腰半径是高斯光束所有光斑半径的最小值，可以将其类比为几何光学中
光束的焦点，在满足假设条件的情况下，物方、像方高斯光束经过薄透镜
[整理版]高斯光束透镜变换
![[整理版]高斯光束透镜变换](https://img.taocdn.com/s3/m/57b75c0afd4ffe4733687e21af45b307e871f9a3.png)
在这个例子中，我们将考虑高斯光束在一个简单的成像系统中的传播。
在第一章中，关联物像平面的ABCD 矩阵可写为⎥⎦⎤⎢⎣⎡-=m f m M /1/10 其中m 为透镜的横向放大率，f 是成像透镜的焦距。
用ABCD 定律，并假设1'==n n ，我们用q 描述物面上的高斯光束，通过透镜后，用q ’描述在像面上的高斯光束m a f m qq 11'+-=使用q 参数，可以方便地把上式分为实部和虚部。
聚焦点'ω和近轴像面的波面曲率半径为ωωm ='10.76mR f Rf m R -=2'10.77从上述关系中可以得出几个结论。
像物聚焦点大小的比率就是近轴横向放大率。
考虑将激光束腰放置在物方平面的情况，这时∞=R 。
将10.77的极值放在这个情况下，可得mf R -='对于正透镜的通常情况，它有实的物距和像距，f 为正，m 为负，因此R ’是正的，按照光束符号惯例表示像空间光束在通过它的近轴像面之前已经通过了它的束腰，例如，束腰位于近轴像的位置。
这种现象叫做“焦移”，因为最大近轴发光点不在几何焦点处。
为了在近轴像面处得到光束束腰（∞='R ）我们必须在物面处有m f R /=。
焦移现象对于有很小发散角的“慢”光束而言更生动，换句话说，对于有小的菲涅尔数的光束而言。
（孔径半径为a 和波前曲率半径为R 的菲涅尔数为R a λ/2）。
我们可以用OSLO中的交互式ABCD 分析数据表来阐明这一现象。
我们在目录数据库中选择一个焦距为500mm 的透镜，用近轴设置数据表来设置近轴放大率为-1。
将主波长设为0.6328m μ，在设置放大率前删除波长2和3，如下图所示使用交互式ABCD 分析表，我们可以考察穿过这个透镜的高斯光束。
用束腰直径为0.25mm ，束腰离第0面距离为0。
在OSLO 中使用高斯光束数据表时有几个惯例：1 使用这个数据表，你必须在4个区域（w,w0,z,R ）中的两个中添入数据。
激光基本知识-(9)高斯光束
双曲线顶点坐为 ±ω，0
焦点坐标为F (0, ± πω02 ) λ
光能主要分布在双锥体内 NJUPT
高斯光束的基本性质
光波面
ω(z)
F
ω0
−ω0
F
波面曲率半径
R(
z
)
= z 1
+
f z
2
= z 1
+
(
πω02 λz
)2
z
Z=0（束腰处） R(z) → ∞ z=0，ω0 (束腰处等相面为平面）
高斯光束的聚焦
F 一定时，ω0′与 l′ 随 l 的变化情况
l
′
F 2(l − F ) = F + (F − l )2 + f 2 ,
ω ′2 0
F 2ω 2
= (F − l )2 0+ f 2
（1） l < F
ω0′随 l 的减小而减小
当 l = 0 时：ω0′(min) =
ω0 =l′
1 + ( f )2 F
z
−ω0
F
毫弧度量级
θ0
=
lim
2ω ( z )
z
=
λ
2
πω0
=
λ
0.6367
ω0
=
2
λ = 1.128 πf
λ
f
NJUPT
总结: 基模高斯光束特点
光波面
ω(z)
F
ω0
−ω0
F
θB
=
λ πω0
z
高斯光束
非均匀球面波
等相位面为球面； 其曲率中心和曲率半径随传播过程而改变； 振幅和强度在横截面内为高斯分布。
激光扩束镜原理讲解
激光扩束镜原理讲解
首先，激光束经过一个凹透镜，这个透镜被称为聚焦透镜。
聚焦透镜
具有凸透镜的形状，当激光束通过透镜时，光束的入射角度被改变，导致
光束偏离原始路径。
根据折射定律，入射角和折射角之间的关系可以描述为：sinθ1/sinθ2 = n1/n2，其中θ1和θ2分别是入射角和折射角，
n1和n2是介质的折射率。
通过选择适当的折射率，我们可以将激光束偏
离原始路径。
然后，偏离的激光束经过一个反射镜。
反射镜通常是一个倾斜的平面
镜或曲面镜。
当光束垂直入射到镜子上时，它会沿着相同的路径反射。
但是，当光束以斜角入射时，光束的反射角度也会发生变化。
通过调整反射
镜的位置和角度，我们可以进一步调节光束的方向和直径。
最后，反射后的激光束再经过透镜。
这个透镜被称为发散透镜，它具
有凹透镜的形状。
与聚焦透镜相反，发散透镜会导致光束向外展开，直径
变大。
通过选择适当的透镜，我们可以控制光束的直径和发散的程度。
通过使用聚焦透镜、反射镜和发散透镜的组合，激光扩束镜可以将一
个窄束的激光扩展为一个较大直径的激光束。
通过调整元件的位置和角度，我们可以控制激光束的直径和发散的程度。
这在许多应用中都是非常重要的，例如激光切割、激光打标和激光照明等。
总结起来，激光扩束镜的原理是基于折射和反射的原理。
通过使用聚
焦透镜、反射镜和发散透镜的组合，可以将一个窄束的激光扩展为一个较
大直径的激光束。
这种机制允许我们控制激光束的直径和发散的程度，从
而满足各种应用的需求。
激光扩束镜原理与应用讲解
激光扩束镜原理与应用讲解一、激光扩束镜的原理1.透镜：透镜是激光扩束镜的核心部件，通常采用凹透镜。
透镜的功能是改变光线的传播方向，并使光线的角度发生变化。
当光线通过透镜时，透镜会改变光线的传播方向，使光线发生偏折。
2.凸透镜：凸透镜是激光扩束镜中的关键组件，它能够使光线发生折射，并且将光束聚焦到一个点上。
通过调整凸透镜的位置和角度，可以改变光束的直径。
3.透镜支架：透镜支架是用来支撑透镜和凸透镜的结构，使其固定在一定的位置上。
透镜支架通常由金属材料制成，具有较高的稳定性和耐用性。
二、激光扩束镜的应用1.激光加工：在激光加工过程中，激光扩束镜可用于调节激光束的直径，以满足不同加工要求。
通过调整激光束的直径，可以控制激光的能量密度和聚焦效果，从而实现精确加工。
2.激光测量：激光扩束镜可用于激光测距仪、激光测厚仪等激光测量设备中。
通过调整激光束的直径，可以改变激光测量设备的测量范围和精度。
3.激光打印：激光扩束镜常常用于激光打印机中，通过调整激光束的直径，可以控制打印机的打印速度和打印质量。
激光扩束镜还可用于打印机的校准和调试。
4.激光显示：激光扩束镜可用于激光显示器中，通过调整激光束的直径和角度，可以控制激光显示器的显示效果和分辨率。
5.光通信：激光扩束镜也广泛应用于光通信设备中，通过调整激光束的直径和角度，可以改变光通信设备的传输距离和信号强度。
总结：激光扩束镜是一种能够调整光束直径的光学设备，其原理是通过透镜和凸透镜的运用，改变光线的传播方向和角度，从而实现光束的扩束。
激光扩束镜在激光加工、激光测量、激光打印、激光显示和光通信等领域都有广泛的应用。
通过调整激光束的直径和角度，可以实现不同工艺的需求，并能改变光学设备的性能和特性。
热透镜效应对激光光束准直的影响
热透镜效应对激光光束准直的影响
姚矣;李永大;李斌;张小培
【期刊名称】《光学仪器》
【年(卷),期】2008(030)005
【摘要】利用高斯光束传播定律,分析了热透镜效应对激光光束准直的影响,对两种不同的腔型做了数值模拟与计算,并计算了经具有不同[MT]因子的调焦望远镜系统准直后的激光光束的发散角与光斑尺寸.通过计算与分析表明,对于同一高斯光束,用[MT]因子较大的系统可以获得更好的准直效果,准直后光束的发散角更稳定.
【总页数】4页(P44-47)
【作者】姚矣;李永大;李斌;张小培
【作者单位】长春理工大学理学院,吉林,长春,130022;长春理工大学理学院,吉林,长春,130022;长春理工大学理学院,吉林,长春,130022;长春理工大学理学院,吉林,长春,130022
【正文语种】中文
【中图分类】TN24
【相关文献】
1.热透镜效应对激光光束聚焦的影响 [J], 李斌;李永大;陈金强;林楠;李达
2.激光光束准直技术 [J], 王智超;马晓辉
3.激光光束准直器与耦合器的设计方法研究 [J], 丁宗玲;孙进;魏蒙恩;李广;李爱霞;叶柳;杨群;吴明在
4.高精度激光光束准直系统设计 [J], 朱凡; 李颖先; 谭久彬
5.高功率激光光束的自准直算法 [J], 许瑞华;何俊华;王伟;王拯洲;张志军;赵娟宁;马彩文
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
高斯光束的聚焦和准直
l)2
2 0
/
2
7.1 高斯光束通过薄透镜的变换
高斯光束束腰的变换规律
RC
,
Re
1 qC
0
lC
F
l(F
l)
2 0
/
2
(F
l)2
2 0
/
2
0
qC
i
(F
F
2
2 0
/
l
)2
2 0
/
2
L
0
0'
A BC
l
lC
q(0) q(A) q(B) q(C)
束腰位置
l
'
lC
F
(l
(l F )F 2
1
'
2 0
1
2 0
1
l F
2
1 F2
0
2
'0 F l ' k 0 l F l
几何光学薄透 镜成像垂轴放
大率公式
7.1 高斯光束通过薄透镜的变换
•
7.1 高斯光束通过薄透镜的变换
不满足以上条件时，则不能套用几何光学的结论
•当 l F时，可以求出 l ' F， 此时物方、像方高斯光束 的束腰都位于焦点处。
71高斯光束通过薄透镜的变换高斯光束束腰的变换规律1re0ccrq?????????????????220222022022200cclfllfflfqifl????????????????????????????????2222022022200111im11cclffllflflqff????????????????????????????????????????lcl0?0?q0abqaqbqclc高斯光束束腰的变换关系式束腰位置束腰半径文档仅供参考如有不当之处请联系本人改正
高斯光束经透镜的衍射效应
高斯光束经透镜的衍射效应
高斯光束经过透镜会产生衍射效应，这是因为透镜具有衍射特性，能够改变光束的传播方向和光强分布。
当高斯光束通过透镜时，透镜会使光束发生聚焦或发散的作用，这会导致光束的衍射效应增强或减弱。
衍射效应的具体表现是，透镜作为一个光学元件对不同波长的光束具有不同的聚焦作用，从而导致经透镜后的光束的相位和振幅分布发生改变。
具体来说，高斯光束的经过透镜后，会发生以下变化：
1. 焦距：透镜会将光束聚焦到一点或发散开来。
光束聚焦或发散的程度取决于透镜的焦距大小和入射光束的直径。
2. 相位分布：透镜会改变光束的相位分布，导致经过透镜后的光束具有不同的相位延迟。
这会影响光束的相干性和干涉效应。
3. 振幅分布：透镜会改变光束的振幅分布，使得经过透镜后的光束在空间中的分布发生变化。
这会导致出现衍射斑、光晕或其他特殊的光强分布。
总之，高斯光束经透镜的衍射效应是由于透镜对光束进行聚焦或发散的作用，导致光束的相位和振幅分布发生改变。
这个衍射效应在光学系统设计和光束加工中具有重要的应用和影响。
第六章高斯光束详解
4.高斯光束的远场发散角
基模远场发散角: Z为无穷大时，强度为中心的 1/e2点所夹角的全宽度。双曲线的两条渐近线之间 的夹角。
lim z
2(z) 2 z 0
1.128
F
腰斑越小， 发散角越大。
z
0 , 0 ,
【例】某共焦腔氦氖激光器，L=30cm,波长 λ =0.6328μ m;某共焦腔二氧化碳激光器， L=1m, 波长λ =10.3μ m,求发散角。
本章讨论高斯激光束的传输和通过光学系 统的变换规律。
§1 高斯光束简介
高斯光束不同于点光源所发出的球面波和平 行光束的平面波，是一种特殊形式的光束。
高斯光束与一般光束比较，具有： 光束截面内的强度分布不均匀
波峰
1.1 均匀平行光束
E( x, y, z) A0eikz
k 2
A0
k
k
光束特点：
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。
中心处和无穷远处的波阵面是平面，平面上各 点的相位相同，等相面是一个平面。其它地方 波阵面是球面，球面上各点的相位相同。
波阵面上振幅分布不均匀，即每个平面或球面 上的各点振幅呈高斯分布函数。
对于一个共焦腔，其基模高斯光束解析表达为：
E r, z cz e e E r, z
A0
e e
r
2
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。
激光镜头原理
激光镜头原理
激光镜头是一种利用激光束通过光学透镜进行聚焦的设备。
激光镜头的原理基于以下几个方面：
1. 折射：当激光束从一种介质（如空气）进入到另一种介质（如玻璃）时，由于介质的折射率不同，光束的传播方向会发生改变。
这个原理可以用来调整激光束的传播方向和角度。
2. 散焦：透镜是激光镜头的主要组成部分之一。
透镜通过折射和反射光线，可以将光束聚焦到一个较小的点上。
这个过程叫做散焦，可以用来调节激光束的直径和聚焦点的位置。
3. 焦距：透镜的焦距是指透镜将平行光线聚焦成的点与透镜的光学中心之间的距离。
焦距的大小决定了透镜的聚焦能力，可以用来调节激光束的聚焦程度。
4. 反射：激光镜头中的反射镜可以改变激光束传播的方向。
反射镜的表面通常是高反射率的，可以将光线反射回原来的方向。
这种原理可以用来调整激光束的路径和角度。
综上所述，激光镜头利用折射、散焦、焦距和反射等原理来控制激光束的传播方向、聚焦程度和路径，从而实现对光束的精确控制和定位。
激光镜头常被应用在激光打印、激光切割、激光医疗和光通信等领域中。
4.3激光束的变换
上式中,如果振幅、频率和相位都为常数，则 E(表t) 示一个未被调制的信号
如果振幅、频率和相位三个之一受到外加信号的控制而发生变化，则 E(t就) 成为一个被调制的振荡了。
4.激光调制按其调制的性质可以分为
调幅、调频、调相及强度调制等。
(1)振幅调制——振幅调制就是载波的振幅随着调制信号的规律而变化的振荡
1 f R
代入
s s
1
R'
(
R' '2
)
2
得
f [1 ( f )2 ]1 2
s
f
[1
( f
2
)
2
]1
利用 (1 x)1 1 x x2
且要求f 2 1
则
s
f
[1
(
f
2
)2
]
f
象方腰斑位于透 镜的焦面上
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。
2.象方束腰半Hale Waihona Puke :图4-17 短焦距透镜的聚焦
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
E(t) E0 cos(0t )
瞬时光的强度为
I (t) E2 (t) E02 cos2 (0t )
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 1 （14-15）
s s f
图4-15 球面波通过薄透镜的变换
激光聚焦原理
激光聚焦原理激光聚焦原理是指激光束在通过透镜或反射镜后，能够使光束汇聚成一个非常小的点。
这个点就是激光聚焦点，也是激光加工、激光切割、激光打标等工艺的基础。
激光聚焦原理的核心是通过透镜或反射镜对激光进行调制，使其能够在特定的距离内达到极高的能量密度，从而实现对材料的加工和切割。
激光聚焦原理的实现需要依靠透镜和反射镜的光学原理。
透镜能够使光线汇聚或发散，而反射镜则可以改变光线的传播方向。
通过合理设计透镜和反射镜的组合，可以实现对激光束的精确调控，使其在特定的位置形成聚焦点。
在这个过程中，光线的折射、反射、衍射等光学现象都将起到重要作用。
激光聚焦原理的关键在于实现聚焦点的极高能量密度。
当激光束汇聚成一个极小的点时，单位面积上的能量就会非常高，这就是激光加工能够实现高速、高精度加工的重要原因。
在激光切割中，激光聚焦原理也发挥着关键作用，使得激光束能够将材料迅速熔化、汽化，实现高效的切割作业。
除了透镜和反射镜的光学原理外，激光聚焦原理还需要考虑激光的波长、功率、聚焦距离等因素。
不同波长的激光在透镜和反射镜中会有不同的表现，而功率和聚焦距离则直接影响着激光聚焦点的能量密度和尺寸。
因此，在实际应用中，需要根据具体的加工需求和材料特性来选择合适的激光聚焦方案。
总的来说，激光聚焦原理是激光加工技术的核心之一，它通过光学原理和激光特性的相互作用，实现了对激光束的精确调控和高能量密度的聚焦。
在激光加工、激光切割、激光打标等领域，激光聚焦原理都发挥着至关重要的作用，成为现代制造业中不可或缺的技术手段。
随着激光技术的不断发展，相信激光聚焦原理也将会有更多的创新和应用，为人类创造出更多的价值和可能性。
一种激光光束整形方法
一种激光光束整形方法
一种常用的激光光束整形方法是通过使用透镜或光学元件来改变激光光束的形状。
这种方法可以根据需要将激光光束调整为不同的形状，如圆形、椭圆形、矩形等。
通常情况下，激光光束整形方法包括以下步骤：
1.选择合适的透镜或光学元件：根据需要将激光光束调整为的形状和大小，选择合适的透镜或光学元件。
2.根据需要调整透镜或光学元件的位置和角度：通过调整透镜或光学元件的位置和角度，可以改变激光光束的形状和大小。
3.使用透镜或光学元件对激光光束进行整形：将激光光束通过透镜或光学元件，可以改变光线的传播方向和光束的形状。
例如，使用透镜可以将激光光束调整为聚焦光束或解聚光束，使用光学元件可以将激光光束调整为矩形光束。
4.进行光束整形的验证：使用合适的光学测试设备，对整形后的光束进行验证，确保其达到预期的形状和尺寸。
激光光束整形方法的选择取决于应用需求，如激光加工、激光显示等。
不同的激光光束整形方法具有各自的优缺点，需要根据具体情况进行选择。
《激光原理》4.3激光束的变换(新)
一、核心问题：改善光束的方向性，即压缩光束的发散角
二、方法：①用单透镜；② 用望远镜。
①用单透镜
高斯光束发散角:
2
2 0
Байду номын сангаас
通过透镜后，像高斯光束发散角：2 ' 2
'0
由此可见，对于有限大小的，0' 无法使 2 ' 。0因此，要用单个透镜将高
斯光束转换成平面波，从原理上说，是不可能实现的。
如何借助透镜改善高斯光束的方向性？
(
2 0
s
)2
]
s f
R
f
[1
(
f
2 0
)
2
]
1 11 R R f
R
f
[1
(
f
2 0
)
2
]
s
1
R
(
R 2
)2
0
1
(
s
2 0
)
2
象方腰斑位于透 镜的前焦面上
比较：
s f
几何光学： s'
高斯光束： s' f
2.象方束腰半径:
s f
0
1
(
s
2 0
)2
R
1
R (2
)2
1
2 (2
)2
R
经透镜变换后的束腰位置、腰斑大小由以上两式决定.
已知高斯光束的腰斑大小和位置，整条高斯光束传输规律就确定了。
4.3.2 高斯光束的聚焦 0' 0
实际应用中，为了提高激光的光功率密度， 需要对高斯光束进行聚焦。
图4-16 高斯光束通过薄透镜的变换
核心问题：由
现代激光应用技术 激光束的变换
4.1.1 激光单纵模的选取
(2) 法布里-珀罗标准具法： ➢如图4-2所示，在外腔激光器的谐振腔内，沿几乎垂直于腔轴方向插入一个法 布里－珀罗标准具
➢由于多光束干涉的结果，对于满足下列
条件的光具有极高的透射率
νm 2d
mc
22sin2
图(4-2) 法布里-珀罗标准具法示意图
➢产生激光振荡的频率不仅要满足谐振条件，还需要对标准具有最大的透射率
现。要求在焦点处产生一个极小的束腰半径，得到发 散角大的高斯光束，实现扩束。 2. 扩大光斑尺寸，但保持较小的发散角，可用倒置望 远系统实现。
3.9 激光器的线宽极限
1. 造成线宽的原因 (1) 能级的有限寿命造成了谱线的自然宽度 (2)发光粒子之间的碰撞造成了谱线的碰撞宽度(或压力宽度)。 (3)发光粒子的热运动造成了谱线的多普勒宽度。 实际的谱线线型是以上三者共同作用的结果，我们把这样的谱线叫做发光物 质的荧光谱线，其线宽叫做荧光线宽。
4.1.2 激光单横模的选取
(1) 由于衍射效应形成的光能量损失称为衍射损耗。
(2)如图4-4所示的球面共焦腔，镜面上的基横模高 斯光束光强分布可以表示为
2r2
I(r) I0 exp( 12 )
图4-4 腔的衍射损耗
(3)单程衍射损耗为射到镜面外而损耗掉的光功率与射向镜面的总光功率之比
0 ' I (ra ) I2 (rr )2d rdr I 0r0 2 I0 e1 2 x e2 p x r1 2 2 p )d ( 2 a1 (2 2 2r )2 I0
图(3-17) 激光的极限线宽
4. 激光线宽与激光器输出功率成反比
增加激光器的输出功率可以减小由于自发辐射引起的激光线宽。理论计算表 明激光线宽是和激光器输出功率成反比的。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
激光光束透镜变化【关键词】激光光束质量 m2因子透镜变化一、引言激光光束质量测量实验是激光原理与激光技术类课程常规配套的一项实验内容，可以利用高级的光束质量分析仪器对激光器出光光束的各类参数进行标定。
在实际教学中易受到实验设备和实验环境的限制而无法开设，或仅对研究生等高年级学生开设。
然而，该实验项目对于光学、光电科学相关专业学生的培养具有非常重要的理论意义与现实意义。
它不但能帮助学生深入理解激光光束、直观认识激光光源与普通光源的差异，而且能培养和锻炼学生测试激光束相关参数的基本技能，使学生掌握简单实用的激光测试手段。
鉴于以上原因，该实验在激光类相关课程中的开设十分必要，并且其在本科教学中的推广和普及也是不容忽视的。
具体如何克服设备及实验环境的限制，使实验的开始更具有可操作性，还需要结合各学校的实际情况。
下面以激光光束质量m2因子的测量为例，介绍一种测量激光光束质量参数的简单方法。
实验中使用的仪器及设备都是光学基础类实验仪器，获取难度相对不高。
避免了对高级光束质量分析仪的依赖。
二、实验原理了解激光束特性是应用的前提，概括的说，光束强度、光束束宽、光束发散角以及瑞利长度等参数从不同方面表征了激光束的基本特性。
1．光束强度通常所说的光强度（简称光强）是指单位面积上的平均光功率，或者说，是指光的平均能流密度，即单位时间内通过垂直于波传播方向的单位面积上的平均能量。
光的最简单形式是单色的线偏振平面波，在均匀、无吸收的介质中，光强的横向分布一般是柱面对称的gauss（高斯）分布：（1）式中，i0表示光轴（r＝0）处的强度，w定义为光束半径。
2．光束宽度（束宽）在空间域中，光束宽度的常用定义有1/n定义、环围功率定义和二阶矩定义三种，［1］其中“1/n定义”，对旋转对称光束，是以在柱坐标系中光强分布曲线i（r）上最大值imax的1/n处两点间距离之半为束宽（半径）w。
（2）而对矩形对称的光束，则是在直角坐标系中x、y方向各自光强分布曲线上最大值1/n处两点距离之半为对应方向上的束宽wx、wy，满足：（3）（4）常用的n值有e2和2，通常称为光束的1/e2束宽（we）和半峰值全宽（full－width－at－half－maximum－fwhm）（2wfwhm）。
对高斯光束而言，其光束传播方向上，光束截面最小时的光束宽度为高斯光束的束腰。
3．光束远场发散角激光远场发散角的大小决定了激光束可传输多远距离而不显著发散，它与可聚焦能量（功率）有关。
设激光束沿z轴传输，不同位置的光束宽度为w（z），定义远场发散角半角θ。
（5）与光束宽度定义一致，光束发散角也由1/n定义得到，对应于角度空间中光强下降至峰值1/n处两点之间的角度的一半。
常用的是光强下降至1/e2时的远场发散角θ1/e2，或光强下降至峰值一半（1/2）时光束的远场发散角θfwhm。
4．瑞利（rayleigh）长度瑞利长度zr表示：沿光束传播方向光束直径（或半径）增长为束腰直径（或半径）的倍处距束腰位置的距离。
基模高斯光束的瑞利长度为：（6）5．激光光束质量m2因子1988年，a. e. siegman提出的m2因子这一参数克服了常用光束质量评价方法的局限，对激光光束的评价具有重要意义，其定义为：［2～3］（7）由于光束的束腰宽度和远场发散角的乘积也称为光束参数积，所以m2因子的物理意义为实际光束参数积与理想高斯光束光束参数积之比。
从（7）式可以看出，对于同一波长的激光，其m2因子和光束参数积成线性关系。
m2因子最小值为1，对应于基膜（tem00模）高斯光束。
实际激光光束的m2因子（m2≥1）越接近于1，光束质量越好。
三、实验设计与内容观察m2因子的定义，并将理想光束的光束参数积bpp0＝w0θ0＝λ/π代入定义式，可得：（8）式中，wm0为实际光束的束腰半径，θm为光束远场发散角半角。
可见我们实验需要测得的量有两个，即光束的束腰宽度（半宽）wm0与远场发散角（半角）θm。
1．透镜变换实际中，由于激光器光束束腰位置与激光器构造有关，往往不能进行直接测量得到wm0和θm的值。
考虑到在激光光束传输的过程中，m2因子经过光学系统前后的数值不会发生任何变化，通常可以采用无畸变透镜变换的方式（变换前后光束参数积不变）将束腰导出到透镜后焦方，通过测量后焦方的光束参数，再借助透镜系统反向变换关系，间接获得实际激光光束的参数值（图1）。
图1 实际光束参数测量原理图2．理想高斯光束的引入对于实际的多横模激光器输出的光束，常需引入嵌入理想高斯光束的概念来讨论问题。
设嵌入的tem00模高斯光束（理想高斯光束）的束腰半径为w0，光传播方向上z（距离束腰的距离）处的光束宽度为w（z），远场发散角为θ0，与之对应的实际高阶高斯光束的三个物理量分别为wm0、wm（z）和θm，且存在以下关系：（9）3．m2因子的拟合计算结合以上介绍的两种思路，我们利用透镜变换的原理，但避开透镜系统反向变换关系的推导与运用；同时引入理想高斯光束作为参考，以一种更简单、更直观的实验方法来拟合实际激光光束的m2因子。
对于基模（tem00模）高斯光束，其传输方向上任意位置的光束宽度（光斑半径－圆柱对称）w（z）与光束束腰宽度w0的关系可以表示为：（10）式中，束宽及束腰均为1/e2定义（即光强度下降为峰值≈13.6%处的光束宽度）确定；z为光束宽度测量点距离束腰位置的距离，其值可正可负。
将（9）式中实际光束束腰宽度与理想高斯光束束腰宽度的关系代入（10）式，可将实际光束的光束宽度表示为：（11）其中，zr为实际光束的瑞利长度。
式（11）即为本次实验测量、拟合计算m2因子的基本公式。
观察式（11）发现，m2因子的数值决定了待测光束的束宽（半径）wm（z）随测量点距束腰的间距z的变换关系（m2＝1时，光束宽度恒等于束腰，即光束为准直平行光）；也就是说，如果我们通过测量知道了wm（z）－z曲线（也称m2曲线）的变化规律，即可通过数学拟合得到待测激光光束的m2值。
4．光束宽度的测量根据以上分析，要完成激光光束m2因子的测量需要测量光束经透镜变换后（后焦方）束腰两侧的多点光束宽度值，并对应其相对于束腰的位置z进行标定，才能得到wm（z）－z曲线。
一种方法是根据光场分布测束宽，即如果我们能够在光束的传播方向上直接探测到不同位置处激光光场的横向分布（光强），就可以根据各点的光场（光强）分布图，由光束宽度的定义确定对应的束宽大小。
这种方法需要具有一定功率域值的ccd探测器和与其配合的光斑分析程序（可让学生自行编写程序）。
采用这种方法时，要注意被测激光波长不可超过探测器的探测波长范围。
另一种方法是利用功率探测器，即在没有激光场分布探测装置的情况下，利用刀口法［4～5］通过检测透过刀口的激光功率的大小来确定光束宽度。
由于高斯光束的光场振幅在横截面内的分布满足高斯函数，因此其沿光束传输方向经过孔径（遮挡物）时的功率透过率与孔径对光束的横向遮盖面积（半径－圆形光斑）之间满足一定的关系。
刀口法就是利用这一规律，通过在探测位置上横向（垂直于光束传输方向）移动刀劈对激光光束进行遮挡，并同时测量透过刀口激光功率并计算其与总输入功率的比值，根据功率透过率的大小来确定刀口所在位置与光斑中心的间距得到光束宽度的。
四、基本实验装置基本实验装置：①待测激光器；②变换透镜；③ccd摄像机（光场分布测束宽）/功率探测器（刀口法测束宽）；④导轨及调节架；⑤衰减器（组）；⑥计算机及数据处理工具；⑦光学平台。
图2 实验装置示意图（ccd探测光场横向光斑测束宽法）五、实验步骤第一，按照实验装置图搭建光路，注意调试光路同心，使安装在导轨及光学平台上的各光学器件的中心在同一直线上。
第二，打开计算机、启动ccd摄像机/功率探测器电源。
第三，初始功率值设为零后打开待测激光器电源。
第四，在导轨外一侧装上变换透镜，在变换后的光束束腰前后瑞利长度范围内外各选若干（至少五个）位置，测量光斑尺寸（光场分布法/刀口法），记录数据。
需要注意的是，由于每个位置的光斑聚焦尺寸不同，最大光强有数量级的变化，为充分利用ccd/功率探测器的动态范围，在变换测量位置时，需要随时调整ccd探测器衰或调整探测器的增益。
第五，将多个位置测量完毕后，关闭激光器、ccd摄像机/功率探测器电源，用计算机对测量数据进行处理与拟合。
六、小结以上给出了使用常规光学测量仪器（透镜、功率探测器等）即可完成的激光光束质量m2因子测量实验的实验方法和具体操作步骤。
从第3部分～第5部分的内容介绍中我们可以看到，本实验的开设过程中不需要使用价格较昂贵的激光光束质量分析仪，甚至不需要配备高精度、高阈值的ccd探测器和相关光斑分析软件，因此开设准备较容易。
同时，本实验的所有操作仪器和部件都将展示在学生面前，整个实验光路在测量过程中都是可以观察的（高级的光束分析仪ccd移动路径多为封闭不可见的），有利于学生认识实验测量系统，理解实验原理。
另外，本实验得出最终测试结果的关键环节是数据拟合，这一过程可以让学生清晰地认识到光束质量m2曲线的形成过程，对m2因子的物理意义有更为深刻的体会。
同时，数据拟合过程会使学生的数据处理能力得到锻炼，为他们今后在其他课程乃至学科内开展实验提供支持。
参考文献1 吕百达.激光光学：光束描述、传输变换与光腔技术物理（第三版）［m］.北京：高等教育出版社，2003：75～952 吕百达.关于激光光束质量若干问题的分析［j］.激光技术，1998（1）：14～173 黄忠伦、郭劲、付有余.评价激光光束质量的各种方法［j］.激光杂志，2004（3）：1～34 杨晓冬、邵建新、廖生鸿、谭锦业、周杰、蒋跃文.刀口法测量高斯光束光斑半径研究［j］.激光与红外，2009（8）：829～8325 陆璇辉、陈许敏、张蕾、薛大建.刀口法测量高斯光束光斑尺寸的重新认识［j］.激光与红外，2002（3）：186～187。