高斯光束通过失调空间滤波器的传输特性

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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

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。

大学毕业论文-高斯光束通过梯度折射率介质的传输特性

大学毕业论文-高斯光束通过梯度折射率介质的传输特性

本科毕业设计论文设计(论文)题目高斯光束通过梯度折射率介质中的传输特性指导教师姓名___________ 辛晓天________ ____学生姓名___________ 赵晓鹏________ ____学生学号_________ 200910320129___ ___ _院系_______理学院________ _专业 ____ 应用物理_____ _班级____ 0901___ _高斯光束通过梯度折射率介质中的传输特性学生姓名:赵晓鹏指导教师:辛晓天浙江工业大学理学院摘要本文利用广义惠更斯-菲涅耳衍射积分(Collins公式)法,导出了高斯光束在均匀介质和梯度折射率介质中传输的解析表达式。

对高斯光束在均匀介质和梯度折射率介质中传输特性进行了分析,重点分析了梯度折射率系数和传输距离对传输特性的影响。

结果表明,高斯光束在梯度折射率介质中传输时,随着梯度折射率的变化,轴上光强分布呈周期性变化;在梯度折射率系数一定时,其轴上光强分布关于光强最大位置是对称的。

关键词:广义衍射积分法、高斯光束、均匀介质、梯度折射率介质、传输特性- 1 -Propagation properties of Gaussian beamsin Gradient-Index mediumStudent: Zhao Xiao-Peng Advisor: Xin Xiao-TianCollege of ScienceZhejiang University of TechnologyAbstractUsing the generalized Huygens Fresnel diffraction integral (Collins formula), this paper deduces the analytical expression of Gauss beam in a homogeneous medium and gradient refractive index medium.The Gauss beam propagation in homogeneous media and the gradient refractive index medium are analyzed, and analyze the influence of gradient refractive index coefficient and transmission distance of the transmission characteristics.The results show that Gauss beams in the gradient index medium transmission, along with the change of gradient refractive index, light intensity on axis changes periodically;In the gradient refractive index coefficient is fixed, the axial intensity distribution of light intensity maximum position is symmetrical.Keywords:Generalized diffraction integral; Gaussian beam; homogeneous medium;Gradient-index media; Propagation properties- 2 -目录中文摘要 (i)英文摘要 ............................................................ i i 目录 ............................................................... i ii 第一章绪论 .................................................... 1-11.1研究动机与目的...............................................1.2研究背景.....................................................1.3研究方法.....................................................1.4论文內容概述................................................. 第二章基础概念 ................................................ 2-12.1高斯光束....................................................2.2梯度折射率光学元件..........................................2.2.1梯度折射率的分布.......................................2.2.2梯度折射率光学元件的发展前景...........................2.3柯林斯(C OLLINS)公式.......................................... 第三章高斯光束通过光学系统的传输 .............................. 3-13.1高斯光束通过一阶ABCD光学系统的传输..........................3.2高斯光束在均匀介质中的传输..................................3.3数值计算及分析第四章高斯光束在梯度折射率介质中的传输特性 .................... 4-1 4.1 高斯光束在梯度折射率介质中的传输 ...........................4.2 数值计算及分析 ............................................. 第五章结论 .................................................... 5-1 参考文献 ........................................................... R-1 致谢 ..................................................................- 3 -第一章绪论1.1 研究动机与目的近年来,各种新型空心激光束(Hollow Laser Beam , HLB) 相继出现 ,其应用领域不断扩大. 作为光通信光源、激光导管、光学镊子(光钳) 和光学扳手 ,空心激光束在通信,在微观粒子(如微米粒子、纳米粒子、自由电子、生物细胞和原子或分子等) 的精确、无接触操纵和控制,在激光加工和原子冷却等方面有着广泛的应用.本课题重点要解决的问题是研究高斯光束通过光学系统的传输特性,得到光束的传输和变换特性,为其实践中关于这类光束的应用解决提供实际的指导和借鉴。

高斯光束的光谱传输特性分析

高斯光束的光谱传输特性分析

高斯光束的光谱传输特性分析王龙;沈学举;张维安;董红军【摘要】In order to analyze the spectral propagating properties of laser beam, spectral propagation equations of Gaussian beam propagating through free space and turbulent atmosphere were derived according to the extended Huygens-Fresnel formula, and then numerical simulation was carried out for the beam with center frequency 1. 78 × 10 rad/s and bandwidth 8. 39 × 1013rad/s. Results indicate that when Gaussian beam propagating through free space and turbulent atmosphere, spectrum blue-shifted exists at the scopes of near-axis and red-shifted happens if the distance from z-axis increases to a critical value. Turbulent atmosphere has the ability to reduce spectrum shift for off-axis scope, and increase of spectrum bandwidth in source can make spectrum shift phenomena more obvious. Intensity distribution vertical to z-axis at 5000m for Gaussian beams with frequency 1. 78 × 1015rad/s and 1. 75 × 1015rad/s shows that, for a fixed position light intensity of center frequency becomes weaker than intensity of some other frequency, and this can leads to spectral shift, besides, the phenomena of spectral changing with some parameters can be explained with the theories of Gaussian beam propagation and turbulent atmosphere beam width-spreading effect.%为了研究光束的光谱传输特性,根据广义惠更斯-菲涅耳原理,推导了高斯光束光谱经自由空间和湍流大气传输的表达式,并以中心频率为1.78×1015rad/s、谱宽为8.39×1013 rad/s的高斯光束为例进行了数值分析.结果表明,高斯光束传输过程中,z轴附近光谱存在少量蓝移,离轴距离增大到约为0.5w(z)时,光谱由蓝移变为红移,湍流效应对离轴较远点的谱移现象有比较明显的抑制作用,而增大源光谱的带宽,则会使谱移现象更显著;计算1.78×1015rad/s和1.75 ×1015rad/s两束单色光传输5000m时传输截面上的光强分布发现,对于某个横向位置,源光谱中心频率激光的强度会比某个其它频率激光的强度小,产生传输截面上的谱移现象,谱移现象随各参量的变化规律可由高斯光束的束腰变化规律和湍流效应对光束的展宽效应进行解释.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2012(036)005【总页数】4页(P700-703)【关键词】光谱学;光谱移动;大气湍流;高斯光束【作者】王龙;沈学举;张维安;董红军【作者单位】军械工程学院光学与电子工程系,石家庄050003;军械工程学院光学与电子工程系,石家庄050003;军械工程学院光学与电子工程系,石家庄050003;军械工程学院光学与电子工程系,石家庄050003【正文语种】中文【中图分类】O436;P425.2引言激光束的大气传输在光电对抗、跟踪和远距离光通信等应用中有非常重要的意义[1-3]。

光学谐振腔理论-第8节-高斯光束的传输

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

高斯光束的传播特性ppt课件

高斯光束的传播特性ppt课件
复习:共焦腔内或腔外的一点的行波场的解析式:
umn x, y, z CmnHm
2 1
2
2 ws
x Hn
2 1
2
2 ws
y
exp
1
2
2
x2 y2 ws2
exp ix,
y, z
1. Hm
2 1
2
2 ws
x Hn
2 1 2
2 ws
y
exp
2 1
2
x2 y2 ws2
行波场横向振幅分布因子
束腰半径
0
1 2
s
L 2
f
等相面曲率半径 R(z) z [1 ( L )2 ] z [1 ( f )2 ] z [1 (02 )2 ]
2z
z
z
任意位置光斑 半径
(z) 0
1
(
z 02
)2
高斯光束的束腰半 径的大小和位置确
镜面光斑半径 远场发散角
s
20
L
2 2 0
定,就可以确定整
2、光斑尺寸
当场振幅为轴上( x2 y2 0 )的值的e-1倍,即强度为轴上的值的e-2倍时,
所对应的横向距离 z 即z 处截面内基模的光斑半径为
(z)
x2 y2 s
2
1 2 s
2
4z2 1 L2
§3.3.1 高斯光束的振幅和强度分布
(z) s 1 2 s
2
2
ωs xs2 ys2 L
k
L 2
1
2z L
1
2z L 2z
2
x2
L
y
2
2
z
k

对高斯光束传输理论的一些学习笔记

对高斯光束传输理论的一些学习笔记

对⾼斯光束传输理论的⼀些学习笔记⾼斯光束传输理论研究光与光纤耦合的时候,必须清楚的知道⾼斯光束在⾃由空间中是如何传输的,还有光束经过光学元件后⾼斯光束如何变化。

⾼斯光束的传输规律激光光束具有⽅向性好的特点,光束的能量在空间的分布⾼度的集中在光的传播⽅向上,其光束具有⼀定的发散⾓,光束分布有着特殊的结构。

由球⾯波构成谐振腔产⽣的激光束,在它的横截⾯上,光强是以⾼斯函数型分布的,称为⾼斯光束。

⾼斯光束在光学设计中有着⼴泛的应⽤。

沿z 轴⽅向传播的基模⾼斯光束可以表⽰为如下的⼀般形式:-+--=])2([exp ))(exp()(),,(222200f z arctg R r z k i z r z E z y x E ωωω(1)其中E 0为常数因⼦,zf z z f f z f z f z z R R 22)(])(1[)(+=+=+==20)(1)(fzz +=ωω;222y x r +=;λπ2=k ;λπω20=f ;πλωf =0;(2)ω0为基模⾼斯光束的腰斑半径;f 为⾼斯光束的共焦参数;R(z)为与传播轴相较于z 点的⾼斯光束等相位⾯的曲率半径;由上式我们可以看出,⾼斯光束具有下述基本性质:(1)基模⾼斯光束在横截⾯内的场振幅分布按⾼斯函数))(exp(22z r ω-所描述的规律从中⼼(即传输轴线)向外平滑地降落。

由振幅降落到中⼼值的1/e 的点所定义的光斑半径为22020)(1)(1)(πωλωωωz fz z +=+= 可见,光斑半径随坐标z 按照双曲线规律增⼤1)(2222=-f z z ωω在z=0处,0)(ωω=z ,为极⼩值。

双曲线的对称轴为z 轴,基模⾼斯光束是上式双曲线绕z 轴旋转所构成的回转双曲⾯为界的。

(2)基模⾼斯光束的相移相位因⼦由下式决定fzarctg R r z k z y x -+=)2(),,(2φ它描述⾼斯光束在点(x,y,z )处相对于原点(0,0,0)处的相位滞后。

高斯光束的传播特性课件

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。

厄米-拉盖尔-高斯光束的传输特性

厄米-拉盖尔-高斯光束的传输特性

厄米-拉盖尔-高斯光束的传输特性郑振;刘永欣;吕百达【摘要】利用Collins公式,推导出厄米-拉盖尔-高斯(HLG)光束通过近轴ABCD 光学系统的解析传输公式,并用来研究通过自由空间和薄透镜的传输特性.结果表明,除模指数m,n之外,对HLG光束新引入的α参数,它影响光强分布和对称性;HLG光束在传输中保持形状不变;HLG光束的焦移与模指数m,n和α参数无关,这意味着m,n和α不同的HLG光束聚焦在同一位置.并给出了HLG光束的M2因子.【期刊名称】《激光技术》【年(卷),期】2005(029)006【总页数】4页(P641-644)【关键词】厄米-拉盖尔-高斯光束;传输特性;ABCD系统;α参数;M2因子【作者】郑振;刘永欣;吕百达【作者单位】四川大学,激光物理与化学研究所,成都,610064;四川大学,激光物理与化学研究所,成都,610064;四川大学,激光物理与化学研究所,成都,610064【正文语种】中文【中图分类】O435引言厄米-高斯(HG)光束和拉盖尔-高斯(LG)光束在光学谐振腔和光波导理论中有重要作用[1]。

虽然这两类光束的对称性不同,但是厄米-高斯函数可以转换成拉盖尔-高斯函数的线性叠加,反之亦然[2]。

2004年,ABRAMOCHKIN通过引入一个α参数使HG光束与LG光束统一起来。

这类有更为普遍性的光束称为广义高斯光束或厄米-拉盖尔-高斯(HLG)光束,它有在传输中保持结构稳定性等特性,具有重要理论和实际应用价值[3]。

作者利用Collins公式推导出HLG光束通过近轴ABCD光学系统的解析传输公式,并以自由空间传输和薄透镜聚焦为例进行了计算分析,还进一步推导出了它的光束传输因子(M2因子)。

1 HLG光束的场分布在z=0面上的HLG光束场分布为[3]:Gm,n(x,y,0/α)=exp(-x2-y2)ikcosm-kα×sinn-kα(-cos2α)Hm+n-k(x)Hk(y)(1)式中,m,n为HLG光束的模指数,Hj(·)为厄米多项式(t-1)k-p(t+1)p为雅可比多项式。

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・ 光技 术与 应用 ・ 激
高斯 光 束 通 过 失 调 空 间滤 波 器 的传 输 特 性
周 胜 国 , 学举 沈
( 家 庄 军 械 工 程学 院 , 北 石 家 庄 00 0 ) 石 河 50 3

要: 采用 矩 阵分 解 的方 法, 从柯 林斯衍 射 积分 公 式 出发 , 高 斯光 束 通过 失调 空 间滤 波器 对
的传输 特性进 行 了分析 , 得到 了相 应 的解析 式。 通过 对 解 析 式 的模 拟 , 出 了直观 的结果 , 得 并
对 模拟 结果进 行 了分 析 。
关 键词 : 高斯 光束 ; 光光学 ; 激 误差 函数 ; 失调 空 间滤波器
中图分 类号 :N 1 T 02 文献标 识码 : A
空 间滤 波器 系统 如 图 1所示 , 滤波 小 孔 半宽 为
式。当光束中心轴线 和光 阑中心轴线不重合时, 上
述解 析或 近似 的快速计 算模 拟方 法不 能适用 。在 文
1 引 言
入 射光 束 中 的高频 分 量 , 输 出光 强 均 匀 化 。在 文 使 献 [ ] , 用矩 阵分 解 的方 法 和 用 有 限个 复 高 斯 8中 利 函数相 结合 的方 法 , 研究 了高 斯 光束 通 过 空 间 滤波 器 的传 输特性 。 由于实 际 装 配 和设 计 过 程 中 , 引 会 起 滤波 小孔 的偏 离失 调 , 因此 研 究 小孔 的失 调对 高 斯 光束 通过 空间 滤波 器 的传 输特 性 的影 响 , 有很 具 大 的应 用价值 。本 文 采 用 误 差 函数 的方 法 , 导 出 推 高斯 光 束通过 失 调空 间滤 波 器 的传 输 解 析公 式 , 然 后进 行 了数值 计算 着 激光 技 术 的广 泛应 用 , 光 束传 输 与变 换 激
已经成 为 激 光 光 学 中 的一 个 重 要 研 究 课 题 。近 年
来, 对受 到光 阑限 制光 束 在 光学 系统 中的 传输 特 性 的研究 , 了直接从 衍 射 积分 公 式 出发 的 直接 积 除 分外 , 发展 了解析 或近似 的快 速计算 模拟 方法 , 还 典 型例为复 高斯 函数 展 开法 J矩 阵 法 以及 光 束 模 、 式展 开法 。在 文 献 [ ] , 用 了 复 高斯 函数 法 5中 利 推 导 了高斯 光束 通过 含有 硬边光 阑 的光学系 统 的解 析传输 式 。文献 [ ] 用矩 阵 法 推导 了平 顶 高斯 光 6利 束 含有多 个 硬 边 光 阑 的复 杂 光 学 系 统 的解 析 传 输
(hj zun rn neE gne n oee Siah ag 50 3 C ia S iah agO da c nier gC lg ,h i u n 0 0 , hn ) i i l jz 0
Ab ta t B s d o e me o fmar e o o i o a d t e Co i s df a t n itg a o mu a ,h r p g t n sr c : a e n t t d o t x d c mp st n, f n i r ci n e r lfr l e te p o a ai h h i i n h o o c a a tr t s o u sa e msp sn r u h miain d s ai l ra esu id Asar s t c re p n i ga — h r ce si f Ga s in b a a i gt o g s g e p t f t t d e . e u , o r s o dn n i c a s h l l aie r l l t l o l e a e o ti e e p c i l . y u ig t u r a me h d, n t l i l t d a d t e r u t c n ayi a fr u a r b a n d r s e t ey B sn e n me c t o t ea ayi a smua e n h e l a c m v h il h l c s e g t o t i l t d f u e a d d s u st u r a a u o e ut b o r m e smu ae g r n ic s e n me c lc c min r s l f h i h i ll . Ke r s G u sa e ms l e p is e o u c in; s i n d s ai l r y wo d : a s in b a ; s a ro t ; r rf n t c o mia g e p t f t l l ai e
Pr p g to o e t f Ga s i n Be m s Pa sn o a a i n Pr p r y o u sa a s i g
t r u h M ia i n d S ta le h o g s l e pa i lFi r g t
Z U S e gg o S E u - HO h n — ,H N X ej u u
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第3 8卷 第 1 期
20 0 8年 1月
激 光 与 红 外
L S R & A E IF N RARE D
V0. 8. o 1 13 N .
J n ay, 0 8 aur 2 0
文章编号: 0- 7 (080- 1- 1 1 08 20 )1 07 3 0 5 0 0
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