光束的聚焦特性和光谱特性研究.pdf

光束的聚焦特性和光谱特性研究.pdf西南交通大学研究生学位论文光束的聚焦特性和光谱特性研究年姓级名申请学位级别专业指导教师二0O三级王庆峰理学硕士理论物理黄庆教授二OO六年一月西南交通大学硕士学位论文第l页摘要光束的聚焦特性和光谱特性是现代光学的重要研究内容,对现代光学和激光技术的发展具有重要意义。本文首先介绍了研究光束传输变换的基本理论和分析方法,以及描述部分相干光的模型,、、、部分相干修正贝塞尔高斯光束等。同时还介绍了透镜的球差对光束聚焦特性的影响。在此基础上,本文进行的主要工作有:利用Collins公式导出了平顶多高斯光束通过无光阑ABCD光学系统的传输公式,进一步导出了基于二阶矩定义的束腰宽度、.铲因子和Kurtosis参数的解析表达式,同时还给出了平顶多高斯光束在自由空间中以及通过薄透镜聚焦的束腰宽度及位置的解析表达式。基于平顶多高斯光束通过球差透镜后聚焦光场轴上点的光强分布表达式,讨论了菲涅耳数‰和球差系数船l对聚焦光场的影响。结果表明当高斯光束菲涅耳数较小时,正、负球差对应的轴上最佳聚焦点位于无球差时最佳聚焦点的左侧:当高斯光束菲涅耳数较大时,正、负球差对应的轴上最佳聚焦点分居于无球差时最佳聚焦点的两侧。因此当透镜具有正球差时,可以通过改变高斯光束菲涅耳数肌的值,实现无焦移甚至是正焦移。基于部分相干光的传输理论,研究了部分相干修正贝塞尔高斯光束(MBGB)通过光阑透镜系统后轴上光谱位移及光谱开关现象。数值计算结果表明,光谱开关主要与截断参数、光束菲涅耳数以及光谱相干度有关。光谱开关的个数随着光束菲涅耳数以及截断参数的增大而增多,而随光谱相干度的增大而减少。但当截断参数增大到一定值,光谱开关现象将消失。例如,,,光谱开关将消失,仅表现出蓝移。同时对部分相干修正贝塞尔高斯光束通过球差透镜后聚焦光场轴上点的光强分布也进行了研究。数值计算表明,当相干度较小时,正、负球差对西南交通大学硕士学位论文第|I页应的最佳聚焦点位于无球差时对应的最佳聚焦点的两侧;当相干度较大时,正、负球差对应的最佳聚焦点将位于无球差时对应的最佳聚焦点的左侧。研究还表明,随着透镜菲涅耳数的增大,最佳聚焦点向几何焦点方向靠近,并趋于一个定值,当光束菲涅耳数为l时,,该值与相干度无关:当透镜具有球差时,该值则与相干度有关。利用Collins公式,详细研究了余弦高斯光束被无光阑透镜聚焦后的轴上光强分布和焦开关效应。研究表明,当光束参数大于l时,聚焦余弦高斯光束将会出现焦开关现象。相对跃迁量随着光束参数的增大而增大,轴上归一化光强最小值随着光束参数的增大而减小,并且当光束参数大于4时,轴上归一化光强最小值近似为零。同时,利用余弦高斯光束通过球差透镜聚焦的轴上光强分布表达式,讨论了球差系数船l及高斯光束菲涅耳数Ⅳ'。对轴上光强分布的影响。由结果可知负球差可作为获得轴向光强平顶分布的一种方法。当透镜无球差时,最佳聚焦点位于几何焦点的左侧。当透镜具有正球差时,通过改变菲涅耳数Ⅳw可以实现最佳聚焦点由几何焦点左侧zn快速跃变到右侧现,即出现焦开关现象。球差系数越大,对应的相对跃迁量△z,=I却《,2l也越大,而临界菲涅耳数(帆)c则越小,如当kSl从0-,其相对跃迁量△,。关键词:球差、聚焦特性、光谱特性、平顶多高斯光束、部分相干修正贝塞尔高斯光束、余弦高斯光束西南交通大学硕士学位论文第|II页AbstractThefocusingpropertiesandspectralpropertiesoflightfieldaretopicsofcurrentinterest,,acomprehensivereviewofthebasictheoriesandanalyticalmethodsforthebeampropagationandseveralbeammodelsforthepartiallycoherentbeamareintroduced,whichincludeGaussinSchell—model(GSM)beam,twistedGaussianSchell·modelbeams,anisotropicGaussianSchell-modelbeams,partiallycoherentmodifiedBessel-