高斯光束的透镜变换实验哦
高斯光束的变换,模式匹配
2.1212 4
1.63
∵F<l0/2,取正
lF
F 2 ff
f f
1.63
1.632 2
1 2.21 2
l F
F 2 ff
f f
1.63
1.632 2
2 2.79
用F=1.63m的透镜，放在距物腰2.21m,距像腰2.79m处
(3)l0= 2 2m
A F
l02
(A2 - 4) ff A2 4
(2)l=2 q 2 i
q Fq 0.1(2 i) 0.1(2 i)(-1.9 i) 0.104 0.00217i F q 0.1 2 i (-1.9 i)(-1.9 i)
l 0.104m
w0
f
3.14106 0.00217 0.0466mm
3.14
结论 1. F<f，总有聚焦作用 2. 若F>f,只有l F F2 f 2及 l F F2 f 2 才有聚焦作用
1.5
1.52 1 2
1 1.5 0.3535 2
1.8535m或1.1465m
l F
F 2 ff
f f
1.5
1.52 1 2
2 1.5 0.707
2.207m或0.793m
将透镜放在距物腰1.854m,距像腰2.207m处 或放在距物腰1.147m,距像腰0.793m处
2、两高斯光束的腰位置固定
解 (1)l=0
f
w02
3.14 106 3.14 106
1m
qi
q Fq 0.1i 0.1i(0.1 i) 0.099 0.0099i F q 0.1 i (0.1 i)(0.1 i)
3.10_高斯光束的传输与透镜变换
二、高斯光束通过薄透镜的变换
联系：如果ω0→0（即f→0），或（l-F）2＞＞f2，
则有： l ' F F 2 lF F 2 F 2 lF
lF
lF
lF
即：
1 lF 1 1 l ' lF F l
1 1 1 l l' F
这正是几何光学成像公式。
（l-F）2＞＞f2，意味着物高斯光束束腰与透镜后焦 面相距足够远。
1. 普通球面波
V的符号规定： 如果像点在透镜右方，v取正号； 如果像点在透镜左方，v取负号。 一个薄透镜的作用，是将距它u处的物点O聚成像
点O’，u与v满足： 1 1 1 uv F
二、高斯光束通过薄透镜的变换
1. 普通球面波 由于R1=u，R2=-v，则有：
111
R1 R2 F
一个薄透镜的作用，是将它左侧的曲率半径 为R1的球面波改造成右侧的曲率半径为R2的球面 波，R1与R2满足上式。
(z) 0
1 (
z )2 f
0
1
z
2
(02
)2
可见：
①高斯光束R(z)的变化规律与普通球面波不同；
②对高斯光束，除R(z)的变化，还有ω(z)的变化。
一、高斯光束在空间的传输规律
2. 高斯光束
R(z1)
z
f2 z
z 1 (02 )2 z
(z) 0
1 (
z f
)2
0
1 z2( )2 02
一、高斯光束在空间的传输规律
即：
q(z) q(0) z q(z1) q(0) z1 q(z2 ) q(0) z2 q(z2 ) q(z1) (z2 z1)
与普通球面波在形式上是相同的。
高斯光束通过透镜聚焦
谢谢
答辩人：刘泽
2018年6月15日
程
R=25，R 0 0.8
R=25， R 0 1
R=25，R 0 1.2
单位：mm
04 论文总结
总结1
高斯光束通过透镜聚焦 后光斑大小与透镜曲率 半径正相关 高斯光束通过透镜聚焦 后光斑大小与高斯光束 束腰半径负相关
总结2
高斯光束通过透镜聚焦 后光斑光强与透镜曲率 半径负相关 高斯光束通过透镜聚焦 后光斑光强与高斯光束 束腰半径正相关
高斯光束通过透镜聚焦
答辩人：刘泽
2018年6月15日
目录
CONTENTS
01 选题的背景与意义 02 课题综述 03 研究方法及过程 04 论文总结
01 选题的背景与意义
激光
高斯光束
聚焦
激光
受激辐射光放大的特性表现为单 色性好，方向性好，相干性好， 亮度大，在焊接、切割、治疗、 成像等方向应用广泛
设计透镜 高斯光束透镜焦面衍射数值计算 控制变量得出结论
03 研究方法及过程
1.平凸透镜聚焦
系统参数如图所示，R为透镜凸面的曲率半径，h为入射光线的高度，θ1为入射光线与出射面
法线的夹角，θ2为出射光线与法线的夹角，n为透镜材料的折射率。设透镜的中心厚度为d，
则入射光线经过透镜的实际厚度为：L R2 h2 R d
有效半径。衍射积分公式为： E x, y, z j
e e x2 y2 w2 jk n1
e R2
x2 y2
d
jkr
1
cos
ds
2
r
e 式中 x2
R=20， R 0 1
R=25， R 0 1
高斯光束的透镜变换实验 免费哦
实验三 高斯光束的透镜变换实验一 实验目的1.熟悉高斯光束特性。
2.掌握高斯光束经过透镜后的光斑变化。
3.理解高斯光束传输过程.二 实验原理众所周知，电磁场运动的普遍规律可用Maxwell 方程组来描述。
对于稳态传输光频电磁场可以归结为对光现象起主要作用的电矢量所满足的波动方程。
在标量场近似条件下，可以简化为赫姆霍兹方程，高斯光束是赫姆霍兹方程在缓变振幅近似下的一个特解，它可以足够好地描述激光光束的性质。
使用高斯光束的复参数表示和ABCD 定律能够统一而简洁的处理高斯光束在腔内、外的传输变换问题。
在缓变振幅近似下求解赫姆霍兹方程，可以得到高斯光束的一般表达式：()222()[]2()00,()r z kr i R z A A r z e ez ωψωω---=⋅ （6）式中，0A 为振幅常数；0ω定义为场振幅减小到最大值的1e 的r 值，称为腰斑，它是高斯光束光斑半径的最小值；()z ω、()R z 、ψ分别表示了高斯光束的光斑半径、等相面曲率半径、相位因子，是描述高斯光束的三个重要参数，其具体表达式分别为：()z ωω= （7）000()Z z R z Z Z z ⎛⎫=+ ⎪⎝⎭（8）1ztg Z ψ-= （9） 其中，200Z πωλ=，称为瑞利长度或共焦参数（也有用f 表示）。
（A ）、高斯光束在z const =的面内，场振幅以高斯函数22()r z e ω-的形式从中心向外平滑的减小，因而光斑半径()z ω随坐标z 按双曲线：2200()1z zZ ωω-= （10）规律而向外扩展，如图四所示高斯光束以及相关参数的定义图四（B ）、 在（10）式中令相位部分等于常数，并略去()z ψ项，可以得到高斯光束的等相面方程：22()r z const R z += （11） 因而，可以认为高斯光束的等相面为球面。
（C ）、瑞利长度的物理意义为：当0z Z =时，00()2Z ωω=。
在实际应用中通常取0z Z =±范围为高斯光束的准直范围，即在这段长度范围内，高斯光束近似认为是平行的。
高斯光束转平行光
高斯光束转平行光高斯光束，一种常见的激光束形状，可以通过两种主要方式转化为平行光，即使用透镜和平面反射镜。
第一种方法是使用透镜。
透镜是一种至关重要的光学元件，它在各种光学系统中发挥着核心作用。
它拥有一种神奇的能力，那就是聚焦光线，将平行或发散的光线聚集到一个点上，这个点就被称为透镜的焦点。
在各种应用中，如显微镜、望远镜、相机等，透镜都发挥着关键作用。
当高斯光束这类具有特定形状和传播方向的光线通过透镜时，透镜会对其产生影响，使光线聚焦到一点上。
这个过程是自动的，无需外部干预。
正是由于这种聚焦作用，我们能够将高斯光束转化为平行光。
这一特性使得透镜在各种光学系统中扮演着重要角色，帮助我们更好地理解和利用光线。
透镜的设计和制造需要精确的工艺和科学的技术，以确保其聚焦光线的准确性和稳定性。
这也意味着透镜的质量和性能对于光学系统的整体性能有着直接的影响。
因此，对于从事光学研究的科学家和工程师来说，理解和掌握透镜的基本原理和应用是非常重要的。
另一种方法是使用平面反射镜。
平面反射镜是一种常见的光学元件，其特殊的功能在于能够将光线反射回原点。
当光线照射到平面反射镜上时，它会使光线以相同角度反射回去，而不会改变光线的方向。
因此，平面反射镜可以用来将高斯光束转化为平行光。
在实际应用中，为了实现这一转化过程，通常需要两个反射镜。
因为一个反射镜只能将光线从一个方向反射，而无法将光线完全转化为平行光。
然而，当两个反射镜结合在一起时，它们可以相互协作，使光线经过两次反射后，以与原始光线不同的方向反射出去，从而实现将高斯光束转化为平行光的目标。
此外，平面反射镜的制造工艺也相对简单，因此它们在光学系统中得到了广泛的应用。
例如，在激光器、望远镜、显微镜等光学仪器中，平面反射镜都发挥了重要的作用。
同时，由于其可靠性和稳定性，平面反射镜也是各种需要精确控制光线路径的领域中的理想选择。
在光学领域，高斯光束的转换是一个非常重要的操作，它关乎到最终光束的质量和应用的准确性。
[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。
9 实验九 高斯光束参数测量实验(参考资料)
三、实验原理
3.1 工作原理
3.1.1 高斯光束的参数及特性
高斯光束是一种光线束，它的辐射照度(或光强)的分布是高斯型的。在中心轴上强度为 最大值，在轴附近，强度随着离开中心轴距离的平方指数地衰减，因此能量是非常集中的。 在实际中，我们遇到的许多场的分布是接近于高斯型的，例如大多数激光谐振腔所输出的光 束，在阶跃折射率玻璃纤维中传输的基模，尖锥形微波天线所辐射的场等。高斯光束及类高 斯型激光束是激光光学的重要研究内容。
r2 = x2 + y2
k
=⎛ ⎜
⎝
z f
⎞2 ⎟ ⎠
R = R(z) = z+ f 2
z
2
(3-1) (3-2)
f = πω02 , λ
ω0 =
λf π
其中 ω0 为基模高斯光束的束腰半径，为高斯光束传播最窄处的半径；f 为共焦参数，也叫瑞 利长度；ω(z)是与传播轴线相交于 z 点的高斯光束的光斑半径。 对于某一特定的光束，在位置 z 处，光强垂直传播方向的截面分布式为：
五、实验操作方法步骤 ................................................................................................................... 9
一、简介
众所周知，激光器由光学谐振腔、工作物质、激励系统构成，相对一般光源，激光有良 好的方向性，也就是说，光能量在空间的分布高度集中在光传播的方向上，但它也有一定的 发散度。同时光强分布有着特殊的结构。如由球面镜构成谐振腔产生的激光束，既不是均匀 的平面波，也不是均匀的球面波。在它的横截面上，光强是以高斯函数型分布的，故称作高 斯光束。此种激光束有着广泛的实际应用，同时它也是研究其它分布类型激光束的基础。
3.10 高斯光束的传输与透镜变换解读
若ω0→0或z →∞，则R(z) →z、 ω(z) →∞。 当光斑尺寸趋于无穷大时，波阵面上的光强分布 趋于均匀，这正是普通球面波波阵面上的均匀分布 情况，此时，高斯光束可看成是普通球面波。
一、高斯光束在空间的传输规律
定义：
1 1 i 2 q( z ) R( z ) ( z )
称q(z)为q参数，或称为高斯光束的复曲率半径。 定义q参数的好处是： ① z处R(z)与ω(z)两个参数可用一个参数q(z)表示，
即：
1 1 1 q1 q2 F
这与几何光学成像公式在形式上是相同的。
例题
例题1： 某高斯光束波长为3.14微米，束腰半径 为1mm。 求：距离束腰右方50cm处的 （1）q参数； （2）光斑半径和等相位面曲率半径。
例题
例题2： 某高斯光束波长为3.14微米，在某处光 斑半径为1mm，等相位面曲率半径0.5m。 求：此高斯光束 （1）在该处的q参数； （2）束腰半径及位置。
3.10 高斯光束的传输与透镜变换
一、高斯光束在空间的传输规律
1. 普通球面波
R( z1 ) z1 R ( z2 ) z2
即球面波的波前曲率半径R等于传输距离Z。
R( z2 ) R( z1 ) ( z2 z1 )
一、高斯光束在空间的传输规律
2. 高斯光束
2 f2 1 0 R( z1 ) z z ( )2 z z z 2 2 2 ( z ) 0 1 ( ) 0 1 z ( 2 ) f 0
区别：如果将入射光束的腰看作物点。 按照几何光学成像规律，如l=u=F，则l’=v=∞； 按照高斯光束成像规律，如l=F，则l’=F。
二、高斯光束通过薄透镜的变换
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实验三 高斯光束的透镜变换实验
一 实验目的
1.熟悉高斯光束特性。
2.掌握高斯光束经过透镜后的光斑变化。
3.理解高斯光束传输过程. 二 实验原理
众所周知，电磁场运动的普遍规律可用Maxwell 方程组来描述。
对于稳态传输光频电磁场可以归结为对光现象起主要作用的电矢量所满足的波动方程。
在标量场近似条件下，可以简化为赫姆霍兹方程，高斯光束是赫姆霍兹方程在缓变振幅近似下的一个特解，它可以足够好地描述激光光束的性质。
使用高斯光束的复参数表示和ABCD 定律能够统一而简洁的处理高斯光束在腔内、外的传输变换问题。
在缓变振幅近似下求解赫姆霍兹方程，可以得到高斯光束的一般表达式：
()2
2
2()
[
]2()
00
,()
r z kr i R z A A r z e e
z ωψωω---=
⋅ （6）
式中，0A 为振幅常数；0ω定义为场振幅减小到最大值的1的r 值，称为腰斑，它是高斯光束光斑半径的最小值；()z ω、()R z 、ψ分别表示了高斯光束的光斑半径、等相面曲率半径、相位因子，是描述高斯光束的三个重要参数，其具体表达式分别为：
()z ωω=（7）
000()Z z R z Z Z z ⎛⎫
=+ ⎪⎝⎭
（8）
1
z
tg Z ψ-= （9） 其中，2
00Z πωλ
=，称为瑞利长度或共焦参数（也有用f 表示）。
（A ）、高斯光束在z const =的面内，场振幅以高斯函数2
2()
r z e ω-的形式从中心向
外平滑的减小，因而光斑半径()z ω随坐标z 按双曲线：
22
00
()1z z
Z ωω-= （10）
规律而向外扩展，如图四所示
高斯光束以及相关参数的定义
图四
（B ）、 在（10）式中令相位部分等于常数，并略去()z ψ项，可以得到高斯光束的等相面方程：
2
2()
r z const R z += （11） 因而，可以认为高斯光束的等相面为球面。
（C ）、瑞利长度的物理意义为：当0z Z =
时，00()Z ω=。
在实际应用中通常取0z Z =±范围为高斯光束的准直范围，即在这段长度范围内，高斯光束近似认
为是平行的。
所以，瑞利长度越长，就意味着高斯光束的准直范围越大，反之亦然。
（D ）、高斯光束远场发散角0θ的一般定义为当z →∞时，高斯光束振幅减小到中心最大值1e 处与z 轴的交角。
即表示为：
00
()
lim
z z z
ωθλ
πω→∞
== （12）
高斯光束可以用复参数q 表示,定义2111
i q R πω
=-，由前面的定义，可以得到0q z iZ =+，因而（6）式可以改写为 2200(,)kr q
iZ A r q A e q
-= （13）
此时，
11Re()R q =，211
Im()q
πωλ=-。
高斯光束通过变换矩阵为A B M C D ⎛⎫
= ⎪⎝⎭的光学系统后，其复参数2q 变换为：
121Aq B
q Cq D
+=+ （14）
因而，在已知光学系统变换矩阵参数的情况下，采用高斯光束的复参数表示法可以简洁快速的求得变换后的高斯光束的特性参数。
三、实验仪器
He-Ne 激光器, 光学导轨, 光电二极管, CCD ， CCD 光阑，偏振片，高斯光束变换透镜组件, 图像采集卡、BEAMVIEW 光束分析与测量软件 四 实验内容： 高斯光束的变换矩阵
（1）将He-Ne 激光器开启，调整高低和俯仰，使其输出光束与导轨平行。
可通过前后移动一个带小孔的支杆实现。
（2）启动计算机，运行BeamView 激光光束参数测量软件。
（3）He-Ne 激光器输出的光束测定及模式分析。
使激光束垂直入射到CCD 靶面上，在软件上看到形成的光斑图案，在CCD 前
的CCD光阑中加入适当的衰减片。
可利用激光光束参数测量软件分析激光束的模式，判定其输出的光束为基模高斯光束还是高阶横模式（作为前面模式分析实验内容的一部分）。
（4）由图像确定He-Ne激光器输出是基模光斑。
前后移动CCD探测器，利用激光光束参数测量软件观测不同位置的光斑大小，光斑最小位置处即是激光束的束腰位置。
(5)在光斑束腰位置后面L1处放置一透镜，观察透镜后激光光束的变化情况，并测量处透镜后的束腰位置及光斑大小，
（6）由式（14）给出
A B
M
C D
⎛⎫
= ⎪
⎝⎭
变换矩阵。
注意事项：射入CCD的激光不能太强，以免烧坏芯片。
思考题：
实验测量的变换矩阵与理论值的差异主要来源于那些地方。