高斯光束经复合光学系统的聚焦特性.pdf

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第 14 卷第 4 期强激光与粒子束 V o l. 14,N o. 4
2002 年 7 月 H IGH POW ER LA SER AND PA R T ICL E BEAM S Ju l. , 2002
文章编号: 1001 4322 (2002) 04 0497 04
高斯光束经复合光学系统的聚焦特性①
周南润, 陶向阳, 吕百达
(江西师范大学物理与通信电子学院, 江西南昌 330027)
摘要: 讨论了高斯光束经由凹透镜, 子系统和凸透镜构成的复合光学系统的聚焦特性, 利用矩阵光学
方法, 推导出了高斯光束经复合光学系统聚焦后束腰宽度和像距的计算公式。计算例表明2 2 2 2 , 选择适当参数的复
合光学系统既可以获得较小的束腰宽度又可以获得较长的像距。
, 2 , 2
关键词: 高斯光束; 复合光学系统; 聚焦特性
中图分类号: TN 241 文献标识码: A
激光束的精密聚焦是激光技术在某些应用(光盘、全息以及更新型的信息存储技术等) 中的一个关键问题。
随着激光技术在光通信、光互连和激光材料加工等高科技中应用的日益广泛ö , 研究激光束经复合光学系统的聚
焦特性十分必要。获得小的聚焦光斑是非常有用的。例如, 在制作高密度计算机芯片和激光微加工中都要求聚
焦光斑很小; 在记录和读 CD 光盘时, 聚焦光斑越小, 意味着 CD 光盘具有更高的存储密度和更长的播放时间。
在几何光学近似下, 高斯光束的传输与通常的傍轴光束的传输仍有明显的差异, 对高斯光束的聚焦不同于
几何光学中平行光束的聚焦。采用薄透镜对高斯光束聚焦时, 聚焦所得束腰宽度w 02与透镜的焦距 f 和透镜距
物方束腰的距离 s1 有关。要获得良好的聚焦效果, 或者使聚焦透镜远离激光器满足 s1 f , 且 s1 越大, 聚焦效果
[1, 2 ]
越好; 或者使用短焦距透镜, f 越小, 聚焦效果越好。要满足 s1 f , 这给实际应用带来一定的局限性。要获得
微小的高斯光束束腰宽度, 通常使用多透镜系统。带有空间滤波器的激光聚焦系统, 可获得小于 1 m 的聚焦光
斑, 已应用于激光微束装置中[3 ] , 实际上是一个三透镜聚焦系统。
本文讨论高斯光束经复合光学系统的聚焦特性, 利用矩阵光学方法, 推导出了高斯光束经复合光学系统聚
焦后束腰宽度和像距的计算公式。选择适当参数的复合光学系统, 既可以获得较小的束腰宽度, 又可以获得较
长的像距。
1 复合光学系统对高斯光束聚焦束腰宽度和像距公式的推导
本文讨论如图 1 所示的复合光学系统, 它由一个
a b
凹透镜 1, 子系统和一个凸透镜 2 构成。假设系
c d
统处于同一介质中。其中子系统是任意的, 其它复合
A B CD 聚焦光学系统可以根据A B CD 矩阵的分解, 等
效为图 1 所示的复合聚焦光学系统。
A B
高斯光束 q 参数通过近轴光学系统的传
C D F ig. pound op tical focusing system
输由A B CD 定律描述[1, 2 ] 图 1 复合聚焦系统示意图
q2