关于强激光技术领域中光束聚焦特性的研究

关于强激光技术领域中光束聚焦特性的研究

马学军，牟世娟

（沈阳理工大学理学院，辽宁沈阳１１０００１）

摘要：光束聚焦特性的研究可以使人们更深地认识光束的聚焦光强分布和聚焦过程中产生的其他现象，为实际工作中光束聚焦的应用以及光学系统设计等方面提供充分的理论依据。目前已经实现了将激光光束整形成平项光束或局域空心光束，并且可以把高空间相干激光变成部分相干光。

关键词：强激光技术；光束聚焦；焦移

中图分类号：ＴＮ２４８文献标识码：Ａ文章编号：１００９—２３７４（２００９）０４—０１００—０２

１９６０年第一台红宝石激光器的问世使高功率密度的光束成为现实。在一些实际应用中，如激光加工、惯性约束聚变等，要求功率密度更高、光斑更小的光束。对光束聚焦足提高光束功率密度、减小光束光斑的重要手段之一，在实际工作中得到广泛使用。因而强激光技术领域中对光束聚焦特性的研究成为很热门的课题。

在惠更斯一菲涅尔（衍射积分）原理（Ｈｕｙｇｅｎｓ—Ｆｒｅｓｎｅｌｐｒｉｎｃｉｐｌｅ）或德拜积分表达式（Ｄｅｂｙｅｉｎｔｅｇｒａｌｒｅｐｒｅｓｅｎｔａｔｉｏｎ）基础上，早期Ｌｏｍｍｅｌ用Ｌｏｍｍｅｌ函数计算衍射积分研究了会聚球面波焦点附近的三维光强分布情况，并作出了圆孔衍射会聚球面波子午面上焦点附近的等照线图。得出强度分布关于焦平面是对称的，光束的光强主极大处于几何焦点位置的结论。

光束聚焦特性的研究可以使人们更深地认识光束的聚焦光强分布和聚焦过程中产生的其他现象，为实际工作中光束聚焦的应用以及光学系统设计等方面提供充分的理论依据。目前，人们已对多类光束，例如球面波、高斯光束、高阶高斯光束、高斯一谢尔模型光束、相干高斯光束和矢量贝塞尔一高斯光束等的聚焦特性进行了详细的研究，得出了对实际应用具有参考意义的结果。早期对光束聚焦特性的研究主要是光束的聚焦光强分布。自１９８１年Ｌｉ和Ｗｏｌｆ明确提出焦移的概念后，聚焦光束的焦移成为目前人们在研究光束聚焦特性中主要关注的内容。复光学系统的菲涅尔数一般非常大（达到约ｌ０００的数最级）时大多数应用中的焦移可以忽略，显然实际中用一个数量级的菲涅尔数米描述的激光光腔则不属于这种情况，因而研究多类光束的焦移对激光光腔的研究和设计有很大的作用。例女ｌｌＬｉ和ＷｏｌｆＸ寸会聚高斯光束研究得出光束的菲涅尔数和截断参数是影响焦移的两个重要参数的结论，他们发现光束菲涅尔数和截断参数的减小都引起焦移（绝对值）增加。而对于部分相干光，相干度也成为影响焦移的参数。Ｌｔｉ和ＺｈａｎｇＥ２及Ｆｒｉｂｅｒｇ等人发现相干度减小使部分相干光的焦移（绝对值）增大。在对焦移的研究工作中，大多考虑的是空间完全相干光。对部分相干光的聚焦所产生的焦移却很少。由于在某些实际应

一１００一用中，部分相干光比完全相干光更具优越性。例如，部分相干光在大气中传输时发散程度要比完全相干光小得多；并且部分相干光束具有光强比较均匀，对散斑低灵敏等优点而被应用于激光核聚变等领域。此外。多横模的高功率激光光束可用部分相干光束描述。因此，对部分相干光束的聚焦所产生的焦移的研究变得十分重要。

随着激光技术的发展，光束整形技术也随之成为人们研究的热门课题。迄今为止，已经实现了将激光光束整形成平顶光束或局域空心光束等。局域空心光束是一种在聚焦区域出现的中心光强较小。四周被光强较高的区域所包围一种特殊光束。近几年，有关局域空心光束的产生和应用的研究已经成为一个很重要的课题，这种光束在原子引导、原子囚禁，以及光学镊子等方面都有广泛的应用。例如，光学偶极子陷阱，即局域空心光束，在远失谐的辐射场中依赖于作用在原子上的力。冷原子可以被很浅的陷阱所储存。那么。陷阱的势能起源于远场原子标准能级引导的光的移动。蓝失谐则利用辐射场失谐原子跃迁到高频的一边，实现原子被限制在低强度的区域。在蓝失谐光学偶极子陷阱中，长限制的相干性和非常低的扰乱在超精细原子级别中可以获得。蓝失谐陷阱的主要问题是实现被光环绕着的暗斑区域的激光光束的对称性。有关局域空心光束（蓝失谐光学陷阱）原子囚禁方面的理论计算和实验测量国内外已经做了不少研究。因此，在实际生活中找到一种产生局域空心光束的方法是非常有趣而且重要的。

１９７１年。Ａｓｈｋｉｎ等人发展了一种囚禁微米粒子的光学技术，简称光学镊子（或光钳）。其主要是利用强聚焦的高斯光束在焦点附近产生了很高的电场梯度，并且对激光束中的介质粒子施加一个指向焦点的作用力，使得介质粒子被三维囚禁在高斯光束的焦点附近。光学镊子为精确操控微观粒子提供了一种非接触无损管、光学镊子和光学扳手，空心光束在微观粒子（如微米粒子、纳米粒子、自由电子、生物细胞等）的精确、无接触操纵和控制中有着广泛的应用。因此，空心光束的产生及其传输成为很热门的研究课题。

架空送电线路鸟害及其防治措施

王宏宇，，翟洪涛２

（１．黑龙江省电力勘察设计研究院；２．哈尔滨理工大学房产科，黑龙江哈尔滨１５００１０）

摘要：鸟类是人类的朋友，但是鸟类的活动也对高压输电塔基送电线路造成了重大的损失，如何在不伤害鸟类的同时，避免鸟害带给架空送电线路的危害，是摆在我们面前的重要课题。

关键词：送电线路；鸟害；防治

中图分类号：ＴＭ７２６文献标识码：Ａ文章编号：１００９－２３７４（２００９）０４－０１０１－０２

近年来，随着我国生态环境的不断改善，鸟类的繁衍逐渐加快。鸟类对于人类的益处是众所周知的，但是鸟类活动季节却对高压输电塔基送电线路造成了重大的损失。鸟害是经常发生的事故之一，占事故总数的４５％。架空送电线路大多运行在荒山野外．它覆盖面广，生态环境又变化无常，无疑要受到鸟类活动对它的影响。鸟害严重地威胁着电力系统及网络的安全运行，必须引起电力线路工作人员的高度重视。

一、鸟害对架空送电线路的危害规律

输电线路鸟害故障具有明显的地形地貌特征。经观察，鸟害引起故障的杆塔周围环境，多在靠近河流（排水渠）、稻田、鱼池、低洼潮湿地带。有较大树木和一些村庄少、僻静开阔的庄稼地带。加之．近年来河套地区养殖业不断扩大，再加上套区排灌，洼地积水多，引来大量的候鸟在此栖息、觅食。经过对鸟害跳闸分析，发现鸟害对架空送电线路造成的危害有一定的规律性：

１．时间性。每年的５月底到１２月初是鸟害发生的主要月份。从时段上看，多为夜间２ｌ：００—０６：００点左右。结合历年线路鸟害故障情况分析，鸟害频发大多集中在每年的８、９、１０三个月及每日的２２：ｏｏ点至次日凌晨０４：００点之间。全年１２个月份中，每年的８、９、１０月份发生的鸟害故障占全年的７８．８％。

２．电压等级。从鸟害造成故障的电压等级看，８０％发生在２２０千伏线路上，２０％发生在１１０千伏线路上。运行实践表明。鸟类故障多数发生在１１０千伏和２２０千伏电压等级的线路中，３５千伏及以下电压等级的线路故障较少。河套地区运行的输电线路。２２０千伏电压等级的线路鸟害造成的故障跳闸就占６６．６７％。

３．杆塔类型。统计资料显示，直线杆塔上发生鸟窖的

在强激光技术中，很难遇到理想的完全相干基横模高斯光束，大多数发出的是部分相干多横模激光，比较合乎实际情况的是采用高斯一谢尔模型（ＧＳＭ）光束描述部分相干的多模激光，在一定条件下可得到比较好的模拟结果。ＧＳＭ光束不仅能相对容易地做理论分析，而且在实际中很容易实现，也可由扁斯光束进行转换。与高斯光束类似，ＧＳＭ光束也是波动方程的近轴近似解，它具有良好的方向性但却只有部分相干性。由于部分相干性的有效方法，近几年，有些研究者采用空心光束来构成光镊。因为作为激光导的ＧＳＭ光束在某些方面比完全相干的高斯光束优越，因此如何把高斯光束转换成ＧＳＭ光束就是一项很重要的研究工作。迄今为止，已有几种方法能把高斯光束转换成ＧＳＭ光束。随着激光核聚变研究的深入，为了减少高空间相干光所引起的有害效应（如散斑等），常采用去相干的办法把高空问相干激光变成部分相干光。既然部分相干光具有如此多的特性和优点，那么对部分相干光聚焦特性的研究显得十分必要。

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作者简介：马学军，男，供职于沈阳理工大学理学院，研究方向：物理学。

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