平頂高斯光束通過復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)的傳輸特性研究

楊利茹　王峰　王春芳

摘要： 為研究平頂高斯光束通過高斯光闌透鏡系統(tǒng)的傳輸特性，基于光學(xué)矩陣的方法和Collins公式導(dǎo)出了平頂高斯光束通過該復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)后的場分布的解析表達(dá)式和近軸光強(qiáng)分布值，進(jìn)而分析了平頂高斯光束通過高斯光闌透鏡系統(tǒng)后的傳輸特性。研究結(jié)果表明，平頂高斯光束通過高斯光闌透鏡系統(tǒng)后，實際焦點位置和幾何焦點位置并不重合，即發(fā)生焦移現(xiàn)象。焦移量的大小與高斯光闌寬度及光闌與透鏡間的距離等因素有關(guān)，即在一定條件下，光闌寬度增大，相對焦移量變小，光闌與透鏡之間的距離與焦距的比越小，相對焦移量就越小。

關(guān)鍵詞： 平頂高斯光束； 光闌透鏡系統(tǒng)； 焦移

中圖分類號： TN 012文獻(xiàn)標(biāo)志碼： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.03.015

Abstract： In this paper， we study propagation properties of flattened Gaussian beam passing through a Gaussian aperturelens system. Based on the optical matrix method and Collins formula， the analytical expression of field distribution and axial intensity distribution of flattened Gaussian beam passing through the complicated system are obtained. Propagation properties of the flattened Gaussian beam passing through Gaussian aperturelens system are analyzed. Results show that， as the beam passing through the optical system， the actual focus position is not at the position of the geometric focus， that is， the focal shift occurs. The focal shift is not only determined by the width of the Gaussian aperture， but also affected by the distance between the aperture and lens distance. Under certain conditions， if the aperture width increases， the relative focal shift diminishes. The ratio of the distance between the aperture and lens and focal length is smaller and the relative focal shift is smaller.

Keywords： flattened Gaussian beams； aperturelens system； focal shift

引言在激光的實際應(yīng)用中，往往要求光束的光強(qiáng)為均勻的平頂分布，自從Gori提出一種新的平頂高斯光束以來[1]，該模型便得到了廣泛的研究[27]。由于實際光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)常受到光闌及透鏡的限制，此類光學(xué)系統(tǒng)也很常見[810]，但對于光闌透鏡分離系統(tǒng)的研究卻很少，尤其是精確的解析式更是難以獲得。本文將采用光學(xué)矩陣的方法，將系統(tǒng)中的光學(xué)元件及傳輸路徑都以矩陣形式表示出來，然后從Collins公式出發(fā)[11]，得到精確的解析式，這對研究平頂高斯光束通過復(fù)雜光學(xué)系統(tǒng)提供了一種更為直觀的方法。通過計算表明，平頂高斯光束通過高斯光闌透鏡系統(tǒng)后，實際焦點和幾何焦點位置發(fā)生偏移，即出現(xiàn)焦移現(xiàn)象，焦移量的大小與光闌寬度、光闌透鏡間距離有關(guān)。

（2）式中以A、B、C、D表示的矩陣代表了一般系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中可以分別表示成M4、M3、M2、M1 4個矩陣相乘的形式，Δz為出射面到透鏡后焦面的距離。由Collins公式可推導(dǎo)出射面P處的橫向光場分布E0（x0，z）=iλB∫∞-∞E0（x0，0）×exp-ik2B（Ax20-2xx0+Dx2）dx0（3）將式（1）、式（2）代入式（3），并用積分公式可得∫∞0x2nexp（-a2x2）cos（xy）dx=（-1）nπ122-2na-（2n+1）exp-y24a2H2ny2a（4）式中H2ny2a為2n階的厄米特多項式。由此平頂高斯光束通過高斯光闌透鏡系統(tǒng)的場分布公式轉(zhuǎn)化為E（x，z）=ik2Bexp-ikD2Bx2N+1ω20+ikA2Bexp-kxB24N+1ω20+ikA2B×

∑Nn=0-14n1n！N+1ω20nN+1ω20+ikA2B×H2nkxB2N+1ω20+ikA2B（5）為了便于繪圖和分析，還需計算接收面的光強(qiáng)分布，其分布式為I（x，z）=E（x，z）×E*（x，z）（6）圖2入射面平頂高斯光束橫向場分布（N=5）

Fig.2The plane of incidence flattened Gaussian

beam transverse field distribution2數(shù)值計算與分析設(shè)波長λ=1.06 μm，束腰寬度ω0為1 mm，薄透鏡的焦距f為200 mm，平頂高斯光束的階數(shù)N=5，高斯光闌的半寬a=0.3 mm。用Mathematica軟件做出入射面平頂高斯光束的橫向場分布圖，如圖2所示。取不同的s，以s與f的比值為變量，在其他參數(shù)與圖2的參數(shù)一樣的情況下做出平頂高斯光通過高斯光闌透鏡系統(tǒng)后的軸上光強(qiáng)分布，見圖3。在圖3（a）～（d）中，高斯光闌與薄透鏡的距離與焦距的比值分別為sf=1.0、sf=1.5、sf=2.0及sf=2.5。由圖可以看出，高斯光闌與薄透鏡之間的距離s與焦距的比（以下稱相對分離量sf）越小，相對焦移量Δzf越小，光強(qiáng)極大值也越小。圖4描述了相對焦移量Δzf、極大光強(qiáng)值Imax與sf的關(guān)系?？紤]不同的高斯光闌的半寬a，其它參數(shù)與圖2的參數(shù)一樣，作出平頂高斯光束通過高斯光闌透鏡系統(tǒng)后的近軸上光強(qiáng)分布圖，見圖5。圖5（a）～（d），分別對應(yīng)a/ω0=0.3、a/ω0=0.5、a/ω0=0.7和a/ω0=0.9，由圖可以看出a/ω0越大，平頂高斯光束通過光學(xué)系統(tǒng)后產(chǎn)生的焦移量就越小，而極大光強(qiáng)值增加。這是因為當(dāng)光闌增大時，衍射現(xiàn)象越來越不明顯，當(dāng)光闌增大到一定程度時，光線近乎直線傳輸，即光闌對光線的影響可近似忽略。此時，焦移量便越來越小，而極大光強(qiáng)（焦點處光強(qiáng)）就變得越來越大，如圖6所示。

3結(jié)論以矩陣光學(xué)理論為基礎(chǔ)，利用Collins公式研究了平頂高斯光束的傳輸規(guī)律。對平項高斯光束通過光闌透鏡系統(tǒng)后其軸上光強(qiáng)分布和焦移進(jìn)行詳細(xì)研究，通過數(shù)值計算分析了各個參數(shù)對光強(qiáng)分布和焦移的影響，得到了精確直觀的解析式。結(jié)果表明：光強(qiáng)分布和焦移不僅與高斯光闌寬度有關(guān)，還與光闌與透鏡間的距離有關(guān)，即在一定條件下，光闌寬度增大時，相對焦移量變小，光闌與透鏡之間的距離與焦距的比越小，相對焦移量越小。研究結(jié)果對準(zhǔn)確確定高斯光束通過光學(xué)系統(tǒng)后實際焦點位置和焦點運(yùn)動規(guī)律有指導(dǎo)意義，具有一定的實際應(yīng)用價值。參考文獻(xiàn)：

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（編輯：劉鐵英）