3.3高斯光束的传播特性详解
高斯光束的特点
高斯光束的特点高斯光束是一种常见的光束形式，它具有一些独特的特征和性质。
在这篇文章中，我将详细介绍高斯光束的特点和应用。
高斯光束的产生首先，让我们了解高斯光束的产生机制。
高斯光束是由激光器产生的，其中的光源是一个能够将能量转换为光的物质。
在激光器内部，光被引导通过透镜并被聚焦在一个非常小的点上。
这个非常小的点就是所谓的高斯光束。
高斯光束的特性接下来是高斯光束的一些重要特性：1. 对称性：高斯光束在垂直和水平方向上具有相同的亮度分布，呈现完美的对称性。
2. 聚焦性：高斯光束能够通过透镜聚焦到一个非常小的点上，这使得它在许多领域都具有广泛的应用。
3. 窄束宽：高斯光束的光束宽度非常窄，这意味着它能够将光精确地聚焦在一个非常小的区域内。
这使其在制造领域中应用越来越广泛，比如在半导体微处理器和纳米加工中使用。
4. 相位一致性：高斯光束中的光波具有相位一致性。
这意味着高斯光束中的光波可以相互干涉，并且具有非常大的干涉强度，使其在干涉仪和光学器件中应用广泛。
5. 光束稳定性：高斯光束的光束是稳定的，它不会像其他类型的光束一样发生绕射或扩散。
这使得它在通信和传输领域中应用广泛。
应用领域高斯光束在许多领域中都得到了广泛应用，以下是其中一些领域：1. 通信和传输：在光纤通信和光学传输系统中使用高斯光束可以提供更好的性能和可靠性。
高斯光束产生的光束非常窄，可以提供更高的传输速率和更少的数据丢失。
2. 制造和加工：高斯光束的光束聚焦非常精确，因此它在制造和加工领域中使用越来越广泛。
例如，它可以用于微加工、纳米加工、刻蚀和切割。
3. 治疗和医学：高斯光束已被用于医学成像和激光治疗。
它可以用于照射和去除组织中的癌细胞。
4. 科学研究：高斯光束在科学研究领域中应用广泛。
它可以用于干涉仪、单光子实验、冷却原子、微分析和高分辨率成像等。
总结在本文中，我详细介绍了高斯光束的特点和应用领域。
高斯光束通过激光器产生，具有对称性、聚焦性、窄束宽、相位一致性和光束稳定性等特点，其应用领域包括通信和传输、制造和加工、治疗和医学和科学研究等。
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
3.3 高斯光束的振幅和强度分布 激光原理及应用 电子课件
2z0
x2 y2 12Lz0
2
z z 0 x 2 2 R 0 y 2 R 01 x 2 R 0 2 y 2 R 0R 0 2 x 2 y 2 R 0
R 0 2 x 2 y 2 z z 0 R 0 2
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3.3.4 高斯光束的高亮度
第 三 章
激 光 器 的 输 出 特 性
3
3 高 斯 光 束 传 面在其法线方向上单位立体角范围内输出去的辐射功率。 B I SΩ
Ω(R)2 R22
2.一般的激光器是向着数量级约为10－6 sr的立体角范围内输出激光光束的。而普 通光源发光(如电灯光)是朝向空间各个可能的方向的，它的发光立体角为4πsr。 相比之下，普通光源的发光立体角是激光的约百万倍。
三 章
激 光 器
2(z)lz im 021z(z)(z02)222
2 2 L 0
的
输 2.由波动光学知道，在单色平行光照明下，一个半径为 r 的圆孔夫琅和费衍射角
出 (主极大至第一极小值之间的夹角) 0.61r 。与上式相比较可知．高斯光束
特 性
半角远场发散角在数值上等于以腰斑 0 为半径的光束的衍射角，即它已达到了衍 射极限。
§.
3 3.共焦腔基模光束的理论发散角具有毫弧度的数量缀，它的方向性相当好。
3 高 斯
4.由于高阶模的发散角是随着模的阶次的增大而增大，所以多模振荡时，光束的 方向性要比单基模振荡差。
光
束
传
播
特
性
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共焦腔反射镜面是共焦场中曲率最大的等相位面
§.
3 4.共焦场中等相位面的分布如图(3-9)所示。
3.3 高斯光束的振幅和强度分布 激光原理及应用 电子课件
第 1. 远场发散角2(全角) 定义为双曲线的两根渐近线之间的夹角（参见图(3-8)）
三 章
激 光 器
2(z)lz im 021z(z)(z02)222
2 2 L 0
的
输 2.由波动光学知道，在单色平行光照明下，一个半径为 r 的圆孔夫琅和费衍射角
出 (主极大至第一极小值之间的夹角) 0.61r 。与上式相比较可知．高斯光束
第 三 章
激 光 器
4.
0 (z ) 12 2 sL [1 12 (2 L z)2 L ] (z)0 1(z0 2 )2 0 2 2(z 0 2 2)21
的 输
5. 基模光斑半径随 z 按双曲线规律变化，如图(3-8)。
出
特
性
§.
3
3
高
斯 光
图(3-8) 基模光斑半径随z按双曲线规律的变化
2z0
x2 y2 12Lz0
2
z z 0 x 2 2 R 0 y 2 R 01 x 2 R 0 2 y 2 R 0R 0 2 x 2 y 2 R 0
R 0 2 x 2 y 2 z z 0 R 0 2
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3.3.2 高斯光束的相位分布
第
2. R 0 2 x 2 y 2 z z 0 R 0 2 表明等位相面在近轴区域可看成半径为R0的球面
x2
Ly2](mn1)(2)
kL212Lz12L2zLz2
x2
Ly22zkL212Lz0
2z0
忽略由于z变化引起的 的微小变化，用 ( z0 )代替 (z)，则在腔轴附近有
2z
z z0
1
L 2z L
2
x2
y2 L
33高斯光束的传播特性详解
exp
1
4
2
x2 y2
s2
——基模截面是高斯函数
2、光斑尺寸振幅下降为最大值1/e时的光斑半径
(z) s
2
1 2 s
2
1
4z2 L2
3
(z) s 1 2 s
2
2
ωs xs2 ys2 L
4z2
1
L2
共焦谐振腔示意图
25
长半径球面腔
长半径球面谐振腔的性能介于共焦腔与球面腔之间，它的特点 如下： 1） 中等的衍射损耗；2）较易安装调整； 3）模体积很大； 4）腔内没有很高的光辐射聚焦现象；
3.3 高斯光束的传播特性
回顾 ——求解对称开腔中的自再现模积分方程, 了解输出激光的具体场的分布
前瞻 —— 研究高斯光束的传播特性
1
3.3.1 高斯光束的振幅和强度分布
一、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
17
数值例:
器件
辐射能量 脉冲时间
普通红宝石激光器
1J
10-4s
调Q红宝石激光器
1J
10-9s
调Q及锁模红宝石激光器 1J
10-12～10-13s
P 104W 109W 1012～1013 W
*结论:输出能量一定时, 激光器由于脉冲时间缩短可使△I很大; 而且因θ(或Ω)很小, 故亮度B很大。
18
s 20
2 2 0
20
小结：高斯光束的基本性质
1. 高斯光束在其轴线附近可看作是一种非均 匀高斯球面波，
高斯光束的传播讲义
高斯光束的传播一、 高斯光束的传播规律为了比较起见，我们仍从一般均匀球面波的传播讨论开始。
如图1所示，一个静止点光源发出的球面波，垂直于等相面方向的距离为z 的任意两个等相面的z图1曲率半径，应满足21R R z =+（1）的方程，曲率半径的符号是这样规定的：从正无穷远处看到凸的波阵面R 为正；看到凹的波阵面R 为负。
若球面波通过焦距为f 的薄透镜，由物象关系得知，透镜前后曲率半径R 1，R 2满足21111R R f=- （2）这里规定凸透镜的0f >，凹透镜的0f <。
我们曾讨论过近轴光线通过光学元件的传播满足的矩阵关系2121x x AB CD θθ⎛⎫⎛⎫⎛⎫= ⎪ ⎪ ⎪⎝⎭⎝⎭⎝⎭近轴球面波通过光学元件前后的曲率半径分别为121212,x x R R θθ==因此1211112121111x A Bx Ax B AR B R x C x D C R DCDθθθθθ+++====+++ （3）所以对于一般均匀球面波，只用一个参数——曲率半径R 就可完全描述其传播和变换的特性。
与普通球面波不同，高斯光束必须由两个量即R （z ）和w (z)来描写。
但下面将看到，对于高斯光束——非均匀的、曲率中心不断变化的球面波——也具有一个与一般球面波曲率半径R 的作用类似的复曲率半径q (z )，它可被用来描述高斯光束的传播行为。
在推导高斯光束表达式时，我们已经得出复曲率半径在均匀空间传播的表达式，具体过程可以参考伍长征编写的《激光原理》书中的（3.3-14）式，即21q q z=+ （4）这里21,q q 分别为传播方向上任意两点21,z z 处的复曲率半径，z 为两点间距离，21z z z =-，参见图2(a)。
再看高斯光束通过薄透镜的变换，如图2(b)。
令薄透镜焦距为f ，由于是近轴光线，波阵面是一球面，透镜前后曲率半径应满足21111R R f=-,000(,)q w R 111(,)q w R 222(,)qwR z 1z 2图2(a)f 20w 10w q 1q 2图2(b)又透镜足够薄，两侧光斑尺寸相等，即12w w =，与上式合并，可以变形为22222112121()i iR kwR kw f-=-- (5)由复曲率半径定义式2112()()()i q z R z kw z =-，可得21111q q f=-（6）比较（4）式和（6）式与（1）式和（2）式知道，利用复曲率半径q ，形式上完全可等价于球面波的曲率半径R 。
高斯光束的传播特性
在近轴情况下，等相位面是顶点位于z 旋转抛物面，抛物面的焦距为 在近轴情况下，等相位面是顶点位于z0的旋转抛物面，抛物面的焦距为：
z0 f2 f '= + 2 2 z0
可以证明，在近轴情况下，共焦场的在z0处的等相位面近 可以证明，在近轴情况下，共焦场的在z 似为球面，其曲率半径为： 似为球面，其曲率半径为：
2
位相因子， exp (− iφ ( x, y , z ))：位相因子，决定了共焦腔的位相分布
2 2 u mn ( x, y , z ) = C mn H m ⋅ 1+ ζ 2 w s
2 2 x H n ⋅ 1+ ζ 2 w s
2 x2 + y2 y ⋅ exp − 1 + ζ 2 ⋅ w 2 exp(− iφ ( x, y , z )) s
λz 2 1+ ( 2 ) πω 0
⇒ 2θ = 2
2λ 2λ = πL πω0
高阶模的发散角随阶次的增大而增大，方向性变差！ 高阶模的发散角随阶次的增大而增大，方向性变差！
2λ 2λ 2θ = 2 = πL πω0
不同的腰半径的激光光束的远场发散角对比图
例：某共焦腔氦氖激光器，L=30cm, λ = 0.638µm 某共焦腔氦氖激光器，
一、等相位面的分布
1、等相位面——行波场中相位相同的点连成的曲面 、等相位面 行波场中相位相同的点连成的曲面 2、与腔轴线相交于z0的等相位面的方程 、与腔轴线相交于
φ (x, y, z ) = φ (0,0, z0 )
L 2z 2z L x2 + y2 π φ ( x, y, z ) = k[ (1 + ) + ] − (m + n + 1)( − ϕ ) = φ (0,0, z0 ) 2 L 1 + ( 2 z L) 2 L 2
高斯光束光斑大小
高斯光束光斑大小
摘要：
一、高斯光束的基本概念
二、高斯光束的传输特性
三、高斯光束的光斑大小与能量分布
四、高斯光束在光学系统中的应用
五、测量高斯光束束腰宽度的方法
正文：
一、高斯光束的基本概念
高斯光束是一种常见的光学光束，它的形状呈高斯分布。
在高斯光束中，光斑大小、能量分布等参数都是重要的特性。
二、高斯光束的传输特性
高斯光束的传输特性表现为，在远离光源的地方，光束会沿着传播方向呈特定角度扩散。
这个特定角度即为我们所称的远场发散角。
远场发散角与光束的波长成正比，与光束的束腰半径成反比。
因此，束腰半径越小，远场发散角越大。
三、高斯光束的光斑大小与能量分布
高斯光束的光斑大小与能量分布紧密相关。
光斑大小决定了光束在空间中的覆盖范围，而能量分布则影响了光束的亮度。
高斯光束的光斑大小与其束腰半径有关，束腰半径越小，光斑大小越小。
四、高斯光束在光学系统中的应用
高斯光束在光学系统中有着广泛的应用，如激光加工、激光通信、光学成像等。
在光学系统设计中，我们需要根据高斯光束的特性来优化系统的性能。
五、测量高斯光束束腰宽度的方法
测量高斯光束的束腰宽度一般通过测量不同位置处光束的宽度，再进行双曲线拟合求解。
但需要注意的是，激光器的束腰半径意义不大，可以通过后续光束的准直聚焦改变其束腰半径。
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2、与腔轴线相交于z0的等相位面的方程
x, y, z 0,0, z0
L 2z 2z L x2 y 2 ( x, y, z ) k[ (1 ) ] ( m n 1 )( ) (0,0, z0 ) 2 L 1 ( 2 z L) 2 L 2
3.3 高斯光束的传播特性
回顾 ——求解对称开腔中的自再现模积分方程, 了解输出激光的具体场的分布 前瞻 —— 研究高斯光束的传播特性
1
3.3.1 高斯光束的振幅和强度分布
一、共焦腔内或腔外的一点的行波场的解析式：
2 2 umn x, y, z Cmn H m 1 2 w s 2 2 x H n 1 2 w s 2 x2 y 2 y exp 1 2 w2 exp i x, y, z s
s
s
①当 z=0 时， z 达到最小值 0 1 s 1
2
L zf 2
L 2
——高斯光束的基模腰斑半径(腰粗)
②当
时，即在镜面上时，有：
z 20 L
3、 ( z ) 在纵截面上的表达式
L 2z 2 ( z) [1 ( ) ] z 2 2 z2 2 L 1 ( z ) 0 1 ( 2 ) 2 2 2 0 0 (0 ) 1 1 L 0 s 2 2
位相弯曲因子
附加相移因子
L 2z 2z L x2 y 2 ( x, y, z ) k[ (1 ) ] (m n 1)( ) 2 2 L 1 ( 2 z L) L 2
传播因子
———决定了共焦场的位相分布
L 2z arctan L 2z
7
一、等相位面的分布
• ： exp i x, y, z 位相因子，决定了共焦腔的
位相分布。
2
2 2 umn x, y, z Cmn H m 1 2 w s
2 2 x H n 1 2 w s
2 x2 y 2 y exp 1 2 w2 exp i x, y, z s
2 mn
——基模截面是高斯函数
2、光斑尺寸振幅下降为最大值1/e时的光斑半径
4z 2 ( z) 1 1 2 L 2 2
2
s
s
3
2 4 z ( z) 1 2 1 2 L 2z 2 L ( z ) [ 1 ( ) ] 2 2 2 L 2 2 ωs xs ys L
6
3.3.2 高斯光束的相位分布
共焦腔内或腔外的一点的行波场的解析式：
2 2 2 2 umn x, y, z Cmn H m 1 2 w x H n 1 2 w y s s 相位因子 2 2 2 x y exp exp i x, y, z 2 2 ws 1
0 mn
图(3-8) 基模光斑半径随z按双曲线规律的变化
决定一个模式能否振荡，能 获得多大的输出功率，与其 它模式的竞争情况等。
V
0 00
1 L2 2 L0 s 2 2
1 L2 高阶模： V Lms ns （2m 1 ） （ 2n 1 ） 2 2 0 （2m 1 ） （ 2n 1 ） V00
若忽略由于z的变化而造成附加相移因子的微小变化，则在近 轴情况下，z处的等相位面方程为：
2z x2 y 2 L z z0 2 L 2z 1 L
2 z0 x2 y 2 x2 y 2 L 2 L L 2 2 z0 1 2 z0 1 L 2z 0
二、振幅分布和光斑尺寸 1、振幅分布 对基横模TEM00 基横模TEM00的光强
U 00 2 x2 y2 Cmn exp 1 2 2 s
2
I 00 U 00
4 x2 y 2 C exp 1 2 2 s
2z 2 2 L 2 z0 L 2 z x y L k 1 z k 1 z 0 2 2 2 L L 2 L 2 2z 1 L
1
2 2 Hm 1 2 w s
2 2 x H n 1 2 w s
2 x2 y2 y exp 1 2 w2 行波场横向振幅分布因子 s
—厄米—高斯函数 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(即传输轴线)向外平滑地降落。 花样：沿x方向有m条节线，沿y方向有n条节线。
4
2 z2 1 2 2 2 0 (0 )
——光斑半径随z按照双曲线规律变化。
5
三、 模体积 1、定义：描述某一腔模在 腔内扩展的空间体积。 2、意义：模体积大，对 激活介质能量的提取就 大，对模式振荡作贡献 的粒子数越多，就有可 能获得大的输出功率。 3、对称共焦腔基模的模 体积：看成底半径为ω0， 高为L的圆柱体。