激光光束通過波帶片和薄透鏡雙焦光學(xué)系統(tǒng)的聚焦特性研究.pdf

1、本文主要研究了平面波、基模高斯光束和拉蓋爾-高斯光束通過由菲涅爾波帶片和薄透鏡構(gòu)成的雙焦光學(xué)系統(tǒng)后的聚焦特性。從廣義惠更斯-菲涅爾衍射積分公式(Collins公式)出發(fā)，詳細(xì)地研究了激光光束通過該雙焦光學(xué)系統(tǒng)后的軸上光強(qiáng)分布和焦開關(guān)現(xiàn)象，討論了光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)和光束參數(shù)對聚焦特性的影響情況。
　　首先，應(yīng)用廣義惠更斯-菲涅爾衍射積分公式推導(dǎo)出了平面波通過雙焦光學(xué)系統(tǒng)后的軸上光強(qiáng)分布公式，并進(jìn)行了大量數(shù)值計(jì)算，研究結(jié)果表明：1)隨半波帶

2、數(shù)增大，軸上光強(qiáng)增大，兩光強(qiáng)主極大之間出現(xiàn)的微弱的光強(qiáng)極值點(diǎn)增多；2)當(dāng)半波帶數(shù)為偶數(shù)時，隨著波帶片菲涅爾數(shù)的減小，軸上會出現(xiàn)焦開關(guān)，且僅有一次；3)半波帶數(shù)越大，臨界菲涅爾數(shù)越小；4)當(dāng)菲涅爾半波帶數(shù)為奇數(shù)時，軸上不會出現(xiàn)焦移和焦開關(guān)現(xiàn)象，并且?guī)缀谓裹c(diǎn)處光強(qiáng)值非常大，其兩邊還存在一些非常弱的旁瓣。從Collins公式出發(fā)，重新推導(dǎo)了球面波通過波帶片后的軸上光強(qiáng)分布公式，得到了與現(xiàn)有文獻(xiàn)完全相同的解析公式，但糾正了文獻(xiàn)中部分錯誤結(jié)論。<

3、br>　　然后，對基模高斯光束通過雙焦光學(xué)系統(tǒng)后的聚焦特性進(jìn)行了詳細(xì)研究，推導(dǎo)出了其出射場分布和軸上光強(qiáng)分布的解析式，大量的數(shù)值計(jì)算研究了光束菲涅爾數(shù)、截?cái)鄥?shù)和菲涅爾半波帶數(shù)對焦開關(guān)的影響，得出以下結(jié)論：隨著光束菲涅爾數(shù)和截?cái)鄥?shù)的減小，軸上也只會產(chǎn)生一次焦開關(guān)現(xiàn)象。若菲涅爾數(shù)較小，臨界截?cái)鄥?shù)就較大；截?cái)鄥?shù)較小，臨界菲涅爾數(shù)則較大；截?cái)鄥?shù)有一個上限，菲涅爾數(shù)則有一個下限，如果超過極限值，軸上將不會出現(xiàn)焦開關(guān)現(xiàn)象。隨著半波帶數(shù)的增

4、大，軸上光強(qiáng)值整體增大，兩光強(qiáng)主極值點(diǎn)間距離增大，兩光強(qiáng)主極值點(diǎn)間也會出現(xiàn)許多較弱的光強(qiáng)極值點(diǎn)。半波帶為偶數(shù)時的軸上光強(qiáng)值小于其為奇數(shù)時的；臨界菲涅爾數(shù)和臨界截?cái)鄥?shù)會隨著半波帶數(shù)的增大而增大，半波帶數(shù)為偶數(shù)時的臨界菲涅爾數(shù)大于半波帶數(shù)為奇數(shù)時的，而臨界截?cái)鄥?shù)則是恰恰相反。
　　最后，對拉蓋爾-高斯光束通過雙焦光學(xué)系統(tǒng)后的聚焦特性進(jìn)行了詳細(xì)地理論推導(dǎo)和數(shù)值分析，得出了軸上光強(qiáng)分布公式以及焦開關(guān)現(xiàn)象隨光束菲涅爾數(shù)、光束徑向指數(shù)、截

5、斷參數(shù)以及菲涅爾半波帶數(shù)的變化規(guī)律，結(jié)果表明：隨著光束菲涅爾數(shù)和截?cái)鄥?shù)的減小，軸上同樣只會產(chǎn)生一次焦開關(guān)現(xiàn)象，并且拉蓋爾-高斯光束的徑向指數(shù)增大、菲涅爾半波帶數(shù)增加或者截?cái)鄥?shù)減小，都會導(dǎo)致軸上出現(xiàn)的光強(qiáng)極值點(diǎn)增多。此外，菲涅爾波帶片的半波帶數(shù)對其軸上光強(qiáng)分布有很大的影響：當(dāng)半波帶數(shù)為奇數(shù)時，光強(qiáng)主極大位于幾何焦點(diǎn)處，其值遠(yuǎn)大于周圍的光強(qiáng)次極大；當(dāng)半波帶數(shù)為偶數(shù)時，幾何焦點(diǎn)處沒有光強(qiáng)極值，而是位于其左右，軸上光強(qiáng)主極大和次極大之間的差