现代光学系统..

的光强比中心部分弱。其振幅A与光束截面半径的关系为： r 2 A0为光束截面中心振幅；ω 为与光束截面半径有关的参数；r为光束截面半径。
A A0
2 e
（8-1）
A
r=ω 时：
A0
A0 A e
（8-2）
( z)
O 图8-1 高斯光束截面
A0 / e
r
高斯光束的名义截面半径ω ：振幅下降到中心振幅1/e或强度的1/e2 时所对应的光束截面半径。
第一节
背景知识
激光光学系统
Laser-- Light Amplification of Stimulated Emission of Radiation “通过受激辐射实现光放大”， 1964年钱学森建议改称“激光”。 1917年：爱因斯坦《关于辐射的量子力学》预言了原子受激辐射可能性；
20世纪50年代：汤斯和肖洛提出光激射器理论；
高斯光束的传播
束腰处波面为平面波。对z求导得R(z)的极值:
z 2 2 0 [1 ( ) ] z0
1
0
0
( z)
（8-4）
图8-2
z
高斯光束的传播
2 ( z) z 2 2 1 2 0 z 0
ω (z)与光束的传播距离z、波长λ 和有ω 0有关,轨迹为一对双曲线。 当z=0时ω(0)=ω0 ，是光束截面最小处的光束截面半径，称其为高斯 光束的束腰。高斯光束在均匀的透明介质中传播时, 其光束截面半径ω (z)
波长：极紫外(100nm) ─可见光─亚毫米(1.222mm)。 激光检测特点 (1)非接触性测量；
(2)待测工件与测量仪器间的距离可不必很接近；
(3)不易受工作环境影响如热电磁的影响； (4)信号的反应时间短，测量快速，准确性高；
(5)光信号容易转换为电信号，易进行处理、放大和分析等；
(6)可测量动态物体。
日常应用：光纤通信、单个原子和分子的探测、激光打印、激光打标、电脑 光驱、条形码扫描、激光防伪、激光霓虹灯、激光唱片、激光矫视、激光美
容、激光灭蚊等。
产生激光的必要条件： 激励能源（使原子激发） 粒子数反转（有合适的亚稳态能级） 光学谐振腔（方向性，光放大，单色性）
2、激光的名义截面半径
因激光束在谐振腔内多次反射后形成，波面上各点振幅不等，光束截面边缘部分
现代光学系统
试讲 朱君
第八章 现代光学系统
主要内容： 第一节 激光光学系统
高斯光束的特性、传播、透镜变换、聚焦和准直
第二节
傅里叶变换光学系统
光学透镜的傅立叶变换特性、傅立叶变换物镜的光学设计要求及结构形式
第三节
扫描光学系统
扫描方程式、光学扫描系统、扫描物镜----θf物镜
第四节 光纤光学系统
阶跃、梯度折射率光纤、光纤束的传光、传像特性、光纤光学系统的构成
高斯光束在傍轴近似条件下等相位面是球形，曲率中心与曲率半径都
随传播过程而不断改变，等相位面上光场振幅分布是非均匀的高斯分布。
高斯光束经光学系统变换后仍保持高斯分布的特性,而其q参数的变换满足高 斯光束变换的ABCD定律。
1、高斯光束的截面半径
R( z )
1 2 2
z ( z ) 0 [1 ( ) ] 2 0
瑞利长度
2 0 ，即光斑 面积增大为最小值的两倍，该范围称为瑞利范围，从束腰到该处的长度称
当光束从束腰传播到 为高斯光束的瑞利长度（Rayleigh） 。
z z 0 处时，光束半径 ( z )
一般认为基模高斯光束在瑞利长度范围内近似平行，故瑞利长度也
称准直距离。高斯光束的束腰半径越小，其准直距离越长，准直性越好。
源自文库
激光光束为高斯光束---截面内的光强分布为高斯分布。
1、激光的特性及应用
方向性好：光束发散度0.001弧度。 -----准直、测距、加工、武器等。
亮度极高：人工光源中高压脉冲氙灯的亮度最高，与太阳的亮度不 相上下，而红宝石激光器的激光亮度超过氙灯几百亿倍。
能量密度极大、强度高：频率范围3.846*1014Hz到7.895*1014Hz；输出
二、高斯光束的传播
(傍轴均匀媒质中可看着球面波)
0
R( z )
( z)
z
z
沿 Z 轴方向传播激光束的基尔霍夫公式表示：
图8-2 高斯光束的传播
(x2 y2 ) c x2 y2 E ( x, y , z ) exp ) ( z ) (8-3) exp i k ( z 2 ( z) 2 R( z ) ( z)
1960年：梅曼(Maiman)制成世界上第一台激光器； 1961年：我国第一台激光器在长春光机所创制成功。
1997年：朱棣文等因发明用激光冷却原子的方法获诺贝尔物理学奖。
激光是20世纪以来，继原子能、计算机、半导体之后，人类的又一重大发明。
激光器种类：固体、气体、液体、半导体、化学、自由电子激光器等。 激光器功率：从中、小器件到高功率、高能量激光器。 工作模式：超短脉冲、短脉冲、准连续、连续等。
功率可小至使用气体激光的一毫瓦、也可大到使用脉波固体激光的一万亿瓦。
颜色极纯(窄带宽)：被誉为单色性之冠的红色氖灯，发光波长范围仍有 0.00001纳米，认为仍包含有几十种红色。氦氖激光器输出的红光，波长分 布范围窄到2×10^-9纳米。 相干性好：时间相干性好，相干长度可达几十公里。
空间相干性好，有的激光波面上各个点几乎都是相干光源。 -----精密测厚、测角，全息摄影等。
与z不成线性关系，这与同心光束在均匀介质中的传播完全不同。
2、高斯光束的波(阵)面面曲率半径
R( z ) 2 z0
0
0
20
0 2 2 z R( z ) z[1 ( ) ] z[1 ( 0 ) 2 ] z z
当z=0时:
R( z )
（8-5）
z0
图8-2
z0
0 2n 2 2 2 2 c为常数; r x y ; 波数(n 1) : k ; z0
( z)
三个重要参数 (人为定义) --z处光斑截面半径
2
高斯光束的瑞利长度或共焦参数
R ( z ) --z处波面的曲率半径
( z ) --z处波面相位
分别称为高斯光束的截面半径、波面曲率半径、和位相因子。