环状光束的传输特性研究

论文摘要

激光束的描述、光束传输变换和光束质量控制一直是激光科学技术和激光光学中的重要理论研究工作。国内外的研究工作表明，M~2因子和桶中功率(PIB)是两个很重要的光束参数，在某些应用中还可作为判断光束质量优劣的参数之一，具有重要的应用价值。另外，由于高增益、大口径、自发辐射、非线性效应、腔镜衍射以及激光控制参数的变化等因素，高功率激光器输出的激光通常具有复杂的多模结构，并具有部分相干性。因此，研究部分相干光束的传输特性和光束质量具有重要的理论意义和实用价值。在强激光的许多实际应用中，为了获得高功率、高光束质量的激光输出，使用非稳腔是一个有效途径。然而，非稳腔的近场输出常为环状光束。因此，研究环状光束的传输变换特性具有重要意义。本论文针对强激光技术中应用较为广泛的环状光束，对其传输变换特性、聚焦特性、光束传输M~2因子以及桶中功率PIB进行了研究，主要工作包括：1．利用偏心高斯光束相干叠加的方法，建立了柱坐标系下环状光束的描述模型。该模型可统一描述基模高斯光束、环状高斯光束以及环状平顶光束。2．利用广义衍射积分理论以及强度二阶矩定义，给出了环状光束、环状光束通过球差透镜、部分相干中心阴影光束的M~2因子和PIB的计算公式。详细讨论了透镜系统的菲涅尔数、透镜球差系数以及光束阶数等参数对光束质量的影响。3．利用广义衍射积分理论，推导出环状光束经过近轴ABCD光学系统的传输公式，给出了环状平顶光束修正的菲涅耳数定义，并分析了环状平顶光束在自由空间的传输规律。4．利用Collins公式，经过数值计算分析，详细研究了环状光束通过球差透镜的聚焦特性，定量分析了环状光束的阶数、偏心高斯光束的束腰宽度以及透镜球差系数对聚焦光场实际焦点(轴上最大光强)位置以及轴上最大光强的影响。5．基于干涉理论，详细研究了轴棱锥对光束的变换作用，并开展了实验研究，获得与理论分析基本一致的结果。

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 第一章 国内外研究现状
• 1.1 激光传输的研究方法
• 1.2 激光光束质量评价参数
• 1.3 环状光束的新模型
• 1.4 论文研究意义和内容安排
• 参考文献
• 第二章 环状光束的光束质量
• 2因子理论和桶中功率定义'>2.1 M²因子理论和桶中功率定义
• 2因子理论'>2.1.1 A.E.Siegman的M²因子理论
• 2因子理论'>2.1.2 截断光束的广义M²因子理论
• 2.1.3 桶中功率PIB定义
• 2.2 环状光束的光束质量
• 2.3 环状光束通过球差透镜的光束质量
• 2.3.1 球差透镜对环状光束几何焦面上光束质量的影响
• 2.3.2 球差透镜对环状光束实际焦面上光束质量的影响
• 2.4 部分相干中心阴影光束的光束质量
• 2.4.1 部分相干光的光束质量理论
• 2.4.2 部分相干中心阴影光束的光束模型
• 2因子'>2.4.3 部分相干中心阴影光束的M²因子
• 2.4.4 部分相干中心阴影光束的PIB
• 2.5 小结
• 参考文献
• 第三章 环状光束的传输特性
• 3.1 广义衍射理论
• 3.1.1 瑞利——索末菲（Rayleigh-Sommerfeld）衍射积分
• 3.1.2 惠更斯—菲涅耳原理和菲涅耳—基尔霍夫方程
• 3.1.3 柯林斯公式
• 3.2 环状光束通过近轴ABCD光学系统的传输规律
• 3.2.1 环状光束通过近轴ABCD光学系统的传输公式
• 3.2.2 环状光束近轴情况下在自由空间中的传输规律
• 3.3 环状光束通过球差透镜的聚焦特性
• 3.3.1 环状光束通过球差透镜后不同位置处的三维光强分布
• 3.3.2 环状光束通过球差透镜后实际焦点的变化规律
• 3.3.3 环状光束通过球差透镜后轴上聚焦光强分布
• 3.4 部分相干中心阴影光束的聚焦光强
• 3.5 小结
• 参考文献
• 第四章 轴棱锥产生环状光束的理论及实验研究
• 4.1 轴棱锥和透镜系统对光束的变换作用
• 4.2 由轴棱锥产生环状光束的理论基础
• 4.2.1 几何光学理论
• 4.2.2 干涉理论
• 4.3 实验装置及结果
• 4.4 小结
• 参考文献
• 第五章 总结
• 致谢
• 附录I 攻硕期间发表的主要论文及获奖情况