光束的聚焦特性和光譜特性研究.pdf

1、光束的聚焦特性和光譜特性是現(xiàn)代光學(xué)的重要研究?jī)?nèi)容，對(duì)現(xiàn)代光學(xué)和激光技術(shù)的發(fā)展具有重要意義。 本文首先介紹了研究光束傳輸變換的基本理論和分析方法，以及描述部分相干光的模型，包括高斯-謝爾模型光束、扭曲高斯-謝爾模型光束、各項(xiàng)異性扭曲高斯-謝爾模型光束、部分相干修正貝塞爾高斯光束等。同時(shí)還介紹了透鏡的球差對(duì)光束聚焦特性的影響。在此基礎(chǔ)上，本文進(jìn)行的主要工作有： 利用Collins公式導(dǎo)出了平頂多高斯光束通過無光闌ABCD光學(xué)

2、系統(tǒng)的傳輸公式，進(jìn)一步導(dǎo)出了基于二階矩定義的束腰寬度、M2因子和Kurtosis參數(shù)的解析表達(dá)式，同時(shí)還給出了平頂多高斯光束在自由空間中以及通過薄透鏡聚焦的束腰寬度及位置的解析表達(dá)式。基于平頂多高斯光束通過球差透鏡后聚焦光場(chǎng)軸上點(diǎn)的光強(qiáng)分布表達(dá)式，討論了菲涅耳數(shù)Nw和球差系數(shù)kS1對(duì)聚焦光場(chǎng)的影響。結(jié)果表明當(dāng)高斯光束菲涅耳數(shù)較小時(shí)，正、負(fù)球差對(duì)應(yīng)的軸上最佳聚焦點(diǎn)位于無球差時(shí)最佳聚焦點(diǎn)的左側(cè)；當(dāng)高斯光束菲涅耳數(shù)較大時(shí)，正、負(fù)球差對(duì)應(yīng)的軸上

3、最佳聚焦點(diǎn)分居于無球差時(shí)最佳聚焦點(diǎn)的兩側(cè)。因此當(dāng)透鏡具有正球差時(shí)，可以通過改變高斯光束菲涅耳數(shù)Nw的值，實(shí)現(xiàn)無焦移甚至是正焦移。 基于部分相干光的傳輸理論，研究了部分相干修正貝塞爾高斯光束(MBGB)通過光闌透鏡系統(tǒng)后軸上光譜位移及光譜開關(guān)現(xiàn)象。數(shù)值計(jì)算結(jié)果表明，光譜開關(guān)主要與截?cái)鄥?shù)、光束菲涅耳數(shù)以及光譜相干度有關(guān)。光譜開關(guān)的個(gè)數(shù)隨著光束菲涅耳數(shù)以及截?cái)鄥?shù)的增大而增多，而隨光譜相干度的增大而減少。但當(dāng)截?cái)鄥?shù)增大到一定值，光

4、譜開關(guān)現(xiàn)象將消失。例如，當(dāng)光譜相干度取0.5時(shí)，截?cái)鄥?shù)大于2.2以后，光譜開關(guān)將消失，僅表現(xiàn)出藍(lán)移。同時(shí)對(duì)部分相干修正貝塞爾高斯光束通過球差透鏡后聚焦光場(chǎng)軸上點(diǎn)的光強(qiáng)分布也進(jìn)行了研究。數(shù)值計(jì)算表明，當(dāng)相干度較小時(shí)，正、負(fù)球差對(duì)應(yīng)的最佳聚焦點(diǎn)位于無球差時(shí)對(duì)應(yīng)的最佳聚焦點(diǎn)的兩側(cè)；當(dāng)相干度較大時(shí)，正、負(fù)球差對(duì)應(yīng)的最佳聚焦點(diǎn)將位于無球差時(shí)對(duì)應(yīng)的最佳聚焦點(diǎn)的左側(cè)。研究還表明，隨著透鏡菲涅耳數(shù)的增大，最佳聚焦點(diǎn)向幾何焦點(diǎn)方向靠近，并趨于一個(gè)定值，

5、當(dāng)光束菲涅耳數(shù)為1時(shí)，無球差對(duì)應(yīng)最佳聚焦點(diǎn)逐漸趨于0.908倍幾何焦距處，該值與相干度無關(guān)；當(dāng)透鏡具有球差時(shí)，該值則與相干度有關(guān)。 利用Collins公式，詳細(xì)研究了余弦高斯光束被無光闌透鏡聚焦后的軸上光強(qiáng)分布和焦開關(guān)效應(yīng)。研究表明，當(dāng)光束參數(shù)大于1時(shí)，聚焦余弦高斯光束將會(huì)出現(xiàn)焦開關(guān)現(xiàn)象。相對(duì)躍遷量隨著光束參數(shù)的增大而增大，軸上歸一化光強(qiáng)最小值隨著光束參數(shù)的增大而減小，并且當(dāng)光束參數(shù)大于4時(shí)，軸上歸一化光強(qiáng)最小值近似為零。同時(shí)，

6、利用余弦高斯光束通過球差透鏡聚焦的軸上光強(qiáng)分布表達(dá)式，討論了球差系數(shù)kS1及高斯光束菲涅耳數(shù)Nw對(duì)軸上光強(qiáng)分布的影響。由結(jié)果可知負(fù)球差可作為獲得軸向光強(qiáng)平頂分布的一種方法。當(dāng)透鏡無球差時(shí)，最佳聚焦點(diǎn)位于幾何焦點(diǎn)的左側(cè)。當(dāng)透鏡具有正球差時(shí)，通過改變菲涅耳數(shù)Nw可以實(shí)現(xiàn)最佳聚焦點(diǎn)由幾何焦點(diǎn)左側(cè)Zf1快速躍變到右側(cè)Zf2，即出現(xiàn)焦開關(guān)現(xiàn)象。球差系數(shù)越大，對(duì)應(yīng)的相對(duì)躍遷量△zf=|zf1-zf2|也越大，而臨界菲涅耳數(shù)(Nw)c則越小，如當(dāng)kS