光束的聚焦特性與光束整形的研究.pdf

1、激光的廣泛應用使得光束的傳輸變換、光束質量的控制和對激光束特性的研究在理論和實踐方面都有著重要的意義。通常認為激光的基本特性是方向性好、單色性好、相干性高和亮度高。以前人們將激光光束良好的方向性歸結于它的高空間相干性，因此，對完全相干光進行了一系列的研究。近年來的研究表明，高相干性并不是光束良好方向性的必要條件，部分相干光源也可以產生與激光一樣的遠場光強分布。同時，部分相干光在某些實際應用中，比完全相干光更具優(yōu)越性，例如部分相干光束在大

2、氣中傳輸時所受大氣騷動的影響要比完全相干光小得多，另外又因具有光強比較均勻，對散斑低靈敏等優(yōu)點而被應用于激光核聚變等領域。因此對部分相干光的研究也是非常有意義的。另一方面，隨著激光技術的發(fā)展，光束整形技術也成為人們研究的熱門課題。 本論文對完全相干光以及部分相干光的聚焦特性進行了詳細的討論，并對光束整形進行了實驗研究，主要工作包括： 1. 從惠更斯-菲涅耳原理出發(fā)，推導了球面波被軸棱錐聚焦的光場表達式，分析了菲涅耳數(shù)和球

3、面波的曲率半徑對聚焦光場的影響。 2. 基于等效菲涅耳數(shù)的概念，研究了平面波被柱面透鏡聚焦的光場分布情況，以及焦移隨等效菲涅耳數(shù)的變化關系。同時，也從傳統(tǒng)的數(shù)值計算法出發(fā)進行了研究，并對兩種方法進行了比較。 3. 從廣義惠更斯-菲涅耳衍射積分方程（Collins公式）出發(fā)，推導了謝爾模型光束經球差透鏡聚焦后的傳輸公式，并研究了菲涅耳數(shù)、空間相干度和透鏡球差對聚焦光場及焦移的影響。 4. 基于等效菲涅耳數(shù)的概念，對

4、部分相干光經透鏡聚焦的光場進行了研究。研究表明，聚焦光場的焦移可以用解析表達式簡單的表示為等效菲涅耳數(shù)的函數(shù)。另外，還將這種方法與基于Collins公式的數(shù)值計算法進行了比較。 5. 研究了聚焦部分相干光被衍射屏衍射的普遍情況，得到了普遍適用的等效菲涅耳數(shù)及焦移表達式，并對幾種具體情況下的等效菲涅耳數(shù)及衍射光場的焦移情況進行了研究。結果表明，對等效菲涅耳數(shù)的定義以及由此確定的焦移簡單而準確，可以作為一種新的方法來獲得衍射光場的焦

5、移。 6. 從廣義惠更斯-菲涅耳衍射積分方程（Collins公式）出發(fā)，推導了一類具有特殊相干度形式的部分相干光經透鏡聚焦后的光強分布，在理論上獲得了局域空心光束，并研究了空間相干度、攔截比和菲涅耳數(shù)對部分相干局域空心光束的影響。 7. 利用環(huán)形光闌-透鏡系統(tǒng)和軸棱錐-透鏡系統(tǒng)兩種方法來聚焦部分相干光，在實驗上實現(xiàn)了部分相干局域空心光束，用CCD記錄了部分相干局域空心光束演變的過程，并研究了兩個系統(tǒng)中各參數(shù)對部分相干局域