光束聚焦中的焦开关现象研究

论文摘要

光束聚焦是强激光技术领域中令人感兴趣的课题之一。已有大量文献对光束的聚焦特性进行了详细的研究。其中,由WOLF和LI提出的焦移概念是对经典理论的重要修正。有研究表明,当激光通过某种光学系统后,伴随着焦移,焦点位置会出现突然跃变,这一新现象被称为焦开关。显然,焦开关的存在使得实际聚焦工作更为复杂,同时更具实际意义。有关焦开关的研究工作,国内外有过一些报道,普遍认为:该现象的产生与衍射有关,且大多仅基于对理想光束及理想光学系统的研究,而实际工作中,由于各种非完善性存在,光束及光学系统或多或少都存在像差等因素。光束聚焦特性的进一步研究对激光束的应用和光学系统的设计有着极大的实际意义。本文在已有理论的基础上,对焦开关的特性及产生环境作了进一步的研究,主要工作包括: 1、利用复高斯函数展开法,研究了拉盖尔-高斯（LG）光束通过光阑-透镜分离的光学系统后的焦开关现象。首次提出,由于光阑的出现,焦开关出现存在一必要条件:截断参数δ在δc.min<δ<δc.max(δc.max、δc.min分别为临界最大和最小截断参数)范围内变化。其中临界最小截断参数的取值与光阑孔径的大小有着直接关系,对此给出了相应的物理解释。 2、从广义惠更斯-菲涅尔衍射积分方程（Collins公式）出发,研究了有球差LG光束通过光阑-透镜系统后的焦开关现象。通过图例详细分析了球差因子对相对焦移、焦开关出现的临界位置和相对跃变量所产生的影响。 3、导出了聚焦有像散厄米-余弦-高斯（HCG）光束的光强分布公式,并对所出现的焦开关现象作了详细的分析。研究表明:像散对焦开关行为的影响表现在相对跃变量上,而不是焦开关出现的临界位置。此外,与LG光束的情况类似,有像散HCG光束的焦开关出现也与光阑孔径的尺寸（截断参数）有关。4、基于Collins公式,推导了有像散双曲余弦高斯光束通过双焦透镜系统后的解析传输公式,分析了该光束轴上光强分布和焦移。研究表明,当系统参数满足一定条件时,将出现两次焦开关。该现象表明光束通过无光阑光学系统时也可能产生焦开关现象。 出5、导了有像散高斯光束通过双焦透镜系统后的解析传输公式。讨论了高斯光束聚焦特性,证明了基模高斯光束在一定条件下也能产生焦开关的事实。关键词:激光光束;光束聚焦;焦开关;像差;光阑一透镜分离系统;双焦透镜系统

论文目录

• 摘要
• Abstract
• 目录
• 第一章 引言
• §1.1 光束的聚焦性特性
• §1.2 高阶高斯光束和双曲余弦高斯光束
• §1.3 聚焦光束的计算模似和焦开关现象
• §1.4 论文内容安排
• 第二章 高阶高斯光束通过光阑-透镜分离系统后的焦开关现象
• §2.1 截断参数对焦移量和焦开关的影响及其物理解释
• §2.2 有球差拉盖尔-高斯光束的焦开关现象
• §2.3 有像散厄米-余弦-高斯光束的焦开关现象
• 第三章 双焦透镜系统中的焦开关现象
• §3.1 有像散双曲余弦高斯光束通过双焦透镜的焦开关现象
• §3.2 有像散高斯光束通过双焦透镜的焦开关现象
• 第四章 总结
• 参考文献
• 致谢
• 附录