部分相干光通过球差透镜的聚焦特性

论文摘要

利用光学系统聚焦激光光束可使得激光光束的功率密度更高、光斑半径更小,而被广泛应用于材料加工、光信息存储和处理、惯性约束聚变等领域内。目前,完全相干光束的传输已经得到了广泛的研究。但研究发现,完全相干光在实际中并不存在,所有的激光光束都属于部分相干光或非相干光。并且,部分相干光在某些实际应用中比完全相干光更具优越性。例如,在大气中传输时,部分相干光所受大气扰动的影响要比完全相干光小得多;并且部分相干光束具有光强比较均匀,对散斑灵敏度低等优点而被应用于激光核聚变等领域。因此,对部分相干光的研究成为了当今激光领域内最热门的课题之一。本文研究相干度场函数为零阶贝塞耳函数的高斯光束和空心光束入射球差透镜后的聚焦特性及焦开关现象。主要内容包括:1、从广义惠更斯-菲涅耳衍射积分方程（Collins公式）出发,推导了相干度场函数为零阶贝塞耳函数的部分相干高斯光束和部分相干空心光束通过球差透镜后的传输公式,分析了该系统中光束的聚焦光场分布和焦移。2、根据部分相干高斯光束通过球差透镜后的光场分布解析式,改变部分相干光的光谱相干度或透镜球差系数可以得到平顶光束和局域空心光束,并且实际聚焦面的位置分别与光谱相干度,球差系数大小有关。3、研究了部分相干空心光束入射球差透镜后的聚焦特性,详细分析了透镜球差系数、空间相干长度、菲涅尔数对焦移和焦开关的影响。焦移的大小与球差系数的绝对值和相干度成正比,而且在无光阑的光学系统中,焦开关与光束的菲涅耳数、透镜的球差系数、空间相干长度有关。

论文目录

• 中文摘要
• 英文摘要
• 1 引言
• 1.1 研究工作的背景
• 1.2 本论文内容安排
• 2 光束传输的基础理论
• 2.1 光传输的主要研究方法
• 2.1.1 几何光学方法
• 2.1.2 矩阵光学方法
• 2.1.3 波动方程法
• 2.1.4 广义衍射积分法
• 2.1.5 算子光学法
• 2.1.6 傅立叶光学法
• 2.1.7 哈密顿光学法
• 2.1.8 Wigner 分布函数法
• 2.2 部分相干光的基础理论
• 2.2.1 空间-时间域
• 2.2.2 空间-频率域
• 2.3 部分相干光的数学-物理模型
• 2.3.1 高斯-谢尔模型
• 2.3.2 贝塞耳-高斯模型
• 2.3.3 空心光束
• 3 部分相干光通过球差透镜的光束整形
• 3.1 球差透镜聚焦部分相干光获得局域空心光束
• 3.1.1 理论分析
• 3.1.2 数值计算与分析
• 3.2 小结
• 4 部分相干光通过球差透镜的焦移与焦开关
• 4.1 部分相干空心光束通过球差透镜的焦移与焦开关
• 4.1.1 理论分析
• 4.1.2 数值计算与分析
• 4.2 小结
• 结语
• 参考文献
• 攻读硕士学位期间发表的论文目录
• 致谢