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高斯光束聚焦和准直ppt课件
l
F
l F F 2 l F 2 f
2
F
l F F 2
l
F
2
02
'02
F
02 F 2
l 2
f
2
02 F 2
F
l 2
02
2
五、高斯束的自再现变换与稳定球面腔
12
1、意义-获得腔稳定条件
02
2
q0= if f = w02/
qc lc l l q0
10
F
1 2
l 1
02 l
2
或 Rl 2F
物高斯束在透镜表表面上的等相面的曲率半径
四、球面反射镜对高斯光束的自再现变换
l f
(3) 取 l 0 ，并设法满足条件 f F 。
二、高斯光束的准直
1、核心问题：减小发散角，提高方向性。
01
e2
lim
z
2 z
z
2
0
途径：提高光束束腰半径
'02
F
02F 2
l
2
02
2
选择 0 F、l 取值
R 2B D A
B
4 1 A D2
4
公式讨论(见书上)
要存在真实的高斯模，必须ω为实数。则：
A
D
2
1
2
光束质量的评价方法
桶中功率比(BQ) 也称环围能量比/靶面上能量比
1、定义式 2、（如何确定）参考光束参数
由于强度分布的横向尺度受到衍射极限的限 制,桶的尺寸主要根据目标尺寸与衍射极限尺 寸的相对大小以及具体的应用场合来选取,即 用理想光束的“衍射极限桶”中的桶中能量 与实际光束在同一桶中的桶中能量比值的开 方作为这种应用目的下的光束质量的评价标 准。 当希望的光斑尺寸小于目标尺寸时,为了更充 分地反映目标上的激光能量分布, 作为对式 (的补充,可用一个“桶系列”中的能量多少 来 衡量能量集中度。“桶系列”是具有规范 尺寸的几个同心环围, “规范尺寸”可取为 理想光束远场 光斑上的几个特征尺寸( 见下 面的说明) 。另一 种等价的做法是,用几个规 范的能量百分比所相 应的光斑尺寸评价远场 光束的质量。
评价标准
1、M2因子或其倒数K因子(光束 传输因子) 2、衍射极限倍数因子( β) 3、桶中功率比(BQ) 4、斯特列尔比(SR)
空间束 宽积
光束 在空间域的宽度（束腰宽度）和光束在频域的宽度（远场发散角） 的乘积
光束半径随传输距离变化的双曲线，
在z=0时有最小值 这个位置被称为高斯光束的束腰位置
远场发射角（角谱宽度）
定义 图示
远场/近场光学
远场 近场
远场是指距发射机5个波长或更远处的电 近场存在于距电磁辐射源(例如发射天线) 磁场，该处的径向电场可忽略。由天线发 一个波长范围内的电磁场。 生的功率通量密度近似的随距离的平方呈 近场光学则研究距离光源或物体一个波长 反比的关系的场域。 范围内的光场分布。在近场光学研究领域， 传统的光学理论，如几何光学、物理光学 远场衍射极限被打破，分辨率极限在原理 等，通常只研究远离光源或者远离物体的 上不再受到任何限制，可以无限地小，从 光场分布，一般统称为远场光学。远场光 而基于近场光学原理可以提高显微成像与 学在原理上存在着一个远场衍射极限，限 其它光学应用时的光学分辨率。 制了利用远场光学原理进行显微和其它光 学应用时的最小分辨尺寸和最小标记尺寸。
光束质量的评价方法
评价标准
1、M2因子或其倒数K因子(光束 传输因子) 2、衍射极限倍数因子( β) 3、桶中功率比(BQ) 4、斯特列尔比(SR)
空间束 宽积
光束 在空间域的宽度（束腰宽度）和光束在频域的宽度（远场发散角） 的乘积
光束半径随传输距离变化的双曲线，
在z=0时有最小值 这个位置被称为高斯光束的束腰位置
衍射极限倍数因子( β)的定义及确定
1、定义式
衍射极限倍数因子定义为 β=θ/θ0。
2、（如何确定）参考光束的选择
对于同一实际光束,选取不同的参考光束会 得到不同的β值,这样就给β因子的测定带来 式中,θ为被测实际光束的远场发散角, θ0为 了不确定性和混乱,因此必须统一和规范参 理想光束(也称参考光束)的远场发散角。 考光束的选择。 有研究表明,选取与被测光束发射孔径或面 积相同的圆形实心均匀光束为参考光束,得 到的远场发散角是所有相同孔径光束中衍 射角最小的,适用于以β因子来评价激光武 器系统的光束质量。
桶中功率比(BQ) 也称环围能量比/靶面上能量比
1、定义式 2、（如何确定）参考光束参数
由于强度分布的横向尺度受到衍射极限的限 制,桶的尺寸主要根据目标尺寸与衍射极限尺 寸的相对大小以及具体的应用场合来选取,即 用理想光束的“衍射极限桶”中的桶中能量 与实际光束在同一桶中的桶中能量比值的开 方作为这种应用目的下的光束质量的评价标 准。 当希望的光斑尺寸小于目标尺寸时,为了更充 分地反映目标上的激光能量分布, 作为对式 (的补充,可用一个“桶系列”中的能量多少 来 衡量能量集中度。“桶系列”是具有规范 尺寸的几个同心环围, “规范尺寸”可取为 理想光束远场 光斑上的几个特征尺寸( 见下 面的说明) 。另一 种等价的做法是,用几个规 范的能量百分比所相 应的光斑尺寸评价远场 光束的质量。
激光相干合成光束质量评价
一 一
式 中： 。 是理 想光 束艾 里 斑 中心亮 度 的焦半 径 ； 是 实 际光束 焦斑 中含 ８ ４ ９ ／ ６ 总 能量 的角半 径 ； Ｄ 为光 束发 射孔
径 的最小 外接 圆直 径 ； 为波 长 。
因子 是很 好 的判 定单 束 高 能 激光 光 束 质 量 的参 数 ， 但 是 在评 价 合 成 光束 的过 程 中 ， 也有其缺陷。 其一 ，
ｒ ｆ
（ ３ ）
图 １ 两种拼接方式排布
式中： Ｐ ｒ 一环 围 内功 率与 总功率 之 比 ； Ｐ 。 一８ ４ ， 为理想 光束 艾里 斑 内的功率 与总 功率之 比。 Ｂ Ｑ 的本 质是先 确定 一半 径为 Ｒ 的理 想光束 ， 计 算这个 光束 的艾 里斑大 小 ， 然 后计 算 出实 际光束 落 在艾 里 斑范 围 内的功率 ， 从 而计算 出光束 质量 。 那么 对于 图 １ （ ａ ） ， 与 实际光 束进行 对 比的理 想光 束是 半 径 为 Ｒ 的理 想 光束 ； 对于图 １ （ ｂ ） ， 选 取 的理 想 光 束 的半径 则为 Ｒ 。即计 算环 围功率 比的半径将 分别 为 １ ． ２ ２ Ａ Ｌ ／ Ｒ 和１ ． ２ ２ Ｌ ／ Ｒ ， Ｌ为光束 到远 场 的距 离 。 对于 同样 四束光 合成 ， 由于排 布方 式 的不 同 ， 采用 了两 个不 同的理 想光 束 进行 比较 ， 即在 焦平 面 选取 不 同 的半 径来 计算环 围功率 。这样计 算 出来 的光 束质 量显 然难 以有说 服力 。
成光 束 质量 的标 准 。
ｌ 现 有 评 价 方 法 的 分 析
现 有 的对 光 束相 干合 成 的评价 体 系大都 是基 于对 单束 激 光 光束 质量 的评价 方 法提 出的 ， 大致 有 光束 质 量 Ｍ。因子 、 斯特 列尔 比（ Ｓ Ｒ） 、 环 围功 率 比（ Ｂ Ｑ） 、 光 束 质 量 因子 ， 以及 国 防科 学 技术 大 学 提 出 的相 干合 成 光 束
式 中： 。 是理 想光 束艾 里 斑 中心亮 度 的焦半 径 ； 是 实 际光束 焦斑 中含 ８ ４ ９ ／ ６ 总 能量 的角半 径 ； Ｄ 为光 束发 射孔
径 的最小 外接 圆直 径 ； 为波 长 。
因子 是很 好 的判 定单 束 高 能 激光 光 束 质 量 的参 数 ， 但 是 在评 价 合 成 光束 的过 程 中 ， 也有其缺陷。 其一 ，
ｒ ｆ
（ ３ ）
图 １ 两种拼接方式排布
式中： Ｐ ｒ 一环 围 内功 率与 总功率 之 比 ； Ｐ 。 一８ ４ ， 为理想 光束 艾里 斑 内的功率 与总 功率之 比。 Ｂ Ｑ 的本 质是先 确定 一半 径为 Ｒ 的理 想光束 ， 计 算这个 光束 的艾 里斑大 小 ， 然 后计 算 出实 际光束 落 在艾 里 斑范 围 内的功率 ， 从 而计算 出光束 质量 。 那么 对于 图 １ （ ａ ） ， 与 实际光 束进行 对 比的理 想光 束是 半 径 为 Ｒ 的理 想 光束 ； 对于图 １ （ ｂ ） ， 选 取 的理 想 光 束 的半径 则为 Ｒ 。即计 算环 围功率 比的半径将 分别 为 １ ． ２ ２ Ａ Ｌ ／ Ｒ 和１ ． ２ ２ Ｌ ／ Ｒ ， Ｌ为光束 到远 场 的距 离 。 对于 同样 四束光 合成 ， 由于排 布方 式 的不 同 ， 采用 了两 个不 同的理 想光 束 进行 比较 ， 即在 焦平 面 选取 不 同 的半 径来 计算环 围功率 。这样计 算 出来 的光 束质 量显 然难 以有说 服力 。
成光 束 质量 的标 准 。
ｌ 现 有 评 价 方 法 的 分 析
现 有 的对 光 束相 干合 成 的评价 体 系大都 是基 于对 单束 激 光 光束 质量 的评价 方 法提 出的 ， 大致 有 光束 质 量 Ｍ。因子 、 斯特 列尔 比（ Ｓ Ｒ） 、 环 围功 率 比（ Ｂ Ｑ） 、 光 束 质 量 因子 ， 以及 国 防科 学 技术 大 学 提 出 的相 干合 成 光 束
激光光束质量综合评价的探讨讲解
第３６卷第７期２００９年７月国激光ＣＨＩＮＥＳＥＪＯＵＲＮＡＬＯＦＬＡＳＥＲＳ中Ｖ０１．３６，Ｎｏ．７Ｊｕｌｙ，２００９文章编号：０２５８—７０２５（２００９）０７—１６４３一ｉｉ激光光束质量综合评价的探讨冯国英１周寿桓１’２（１四川大学电子信息学院，四川成都６１００６４；２华北光电技术研究所，北京１０００１５）摘要综述了现有的３类激光光束质量评价方法，即近场质量、远场质量和传输质量。
主要的评价参数包括近场调制度和对比度、聚焦光斑尺寸、远场发散角、衍射极限倍数口因子、斯特列尔比、环围能量比以及肝因子等。
讨论了它们各自的适用范围、优点和局限性。
提出了采用胼因子矩阵以表述光束的像散特性，给出了Ｍｚ因子的不变量。
关键词激光技术；光束质量；膨因子；口因子文献标识码Ａｄｏｉ：１０．３７８８／ＣＪＬ２００９３６０７．１６４３中图分类号ＴＮ２４８．１ＤｉｓｃｕｓｓｉｏｎｏｆＣｏｍｐｒｅｈｅｎｓｉｖｅＥｖａｌｕａｔｉｏｎＦｅｎｇＧｕｏｙｉｎ９１ｏｎＬａｓｅｒＢｅａｍＱｕａｌｉｔｙＺｈｏｕＳｈｏｕｈｕａｎｌ＇２，１ＣｏｌｌｅｇｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆ＩｎｆｏｒｍａｔｉｏｎＥｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，ＳｉｃｈｕａｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｃｈｅｎｇｄｕ，Ｓｉｃｈｕａｎ６１００６４，Ｃｈｉｎａ、＼２ＮｏｒｔｈＣｈｉｎａＲｅｓｅａｒｃｈＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＥｌｅｃｔｒｏ－Ｏｐｔｉｃｓ，Ｂｅｒｉｎｇｑｕａｌｉｔｙｓｕｃｈａｓ１０００１５。
Ｃｈｉｎａ／ＡｂｓｔｒａｃｔＴｈｒｅｅｔｙｐｅｓａｒｅｏｆｅｖａｌｕａｔｉｏｎｏｎｌａｓｅｒｂｅａｍｎｅａｒ－ｆｉｅｌｄｑｕａｌｉｔｙ，ｆａｒ—ｆｉｅｌｄｑｕａｌｉｔｙ，ａｎｄｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎｑｕａｌｉｔｙｓｐｏｔｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ．Ｔｈｅｐａｒａｍｅｔｅｒｓｉｎｃｌｕｄｅｍｏｄｕｌａｔｉｏｎｒａｔｉｏａｎｄｃｏｎｔｒａｓｔｒａｔｉｏｏｆｎｅａｒ—ｆｉｅｌｄ，ｆｏｃｕｓｅｄｓｉｚｅ，ｆａｒ－ｆｉｅｌｄｄｉｖｅｒｇｅｎｃｅａｎｇｌｅ，ｔｉｍｅｓｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎｌｉｍｉｔｅｄｆａｃｔｏｒ８，Ｓｔｒｅｈｌｒａｔｅ，ｅｎｅｒｇｙｃｉｒｃｌｅｔｈｅｍｒａｔｅ，Ｍ２ｆａｃｔｏｒ。
空间光环境设计和光环境质量评价(ppt43张)
⑷ 避免眩光干扰 ⑸ 正确的投光方向与完美的造型立体感。
优良光环境的基本要素和评价方法共有五项： ⑴ 适当的照度水平 确定照度水平要综合考虑视觉功效、舒适感 与经济、节能等因素。在没有专门规定工作
位置的情况下，通常以假想的水平工作面照
度作为设计标准。对于站立的工作人员水平 面距地0.9m; 对于坐着的人是0.75m（或 0.8m）。
①限制光源亮度（增大面积，降低亮度）如加灯罩等。 ②增加眩光源的背景亮度，减 少二者之间的亮度对比。 ③减少形成眩光的光源的 视看面积（既光源对观测 者眼睛形成的立体角）。
④尽可能增大眩光源的
仰角。
减少反射眩光的方法：
①尽量使视觉作业的表面为无光泽表面，以减弱镜面反射 而形成的反射眩光； ②应使视觉作业避开和远离照明光源同人眼形成的镜面反 射区域； ③使用发光表面面积大、亮度低的光源； ④使引起镜面反射的光源形成的照度在总照度中所占比例
• 例题：关于直接眩光的叙述中，（
B ）是
错误的
A、直接眩光是由视野中的高亮度或未曾充
分遮蔽的光源引起的；
B、直接眩光是由视野中的光泽表面反射所产
生的；
C、通过增大光源面积，降低亮度可以减轻
直接眩光； D、通过增大光源的仰角，消除直接眩光。
1.2 主动式光源和被动式光源
人们习惯上有这样一个认识，只有太阳、灯 管、灯泡这些自身发光的才叫光源，而实际
1、最孤独的时光，会塑造最坚强的自己。 2、把脸一直向着阳光，这样就不会见到阴影。 3、永远不要埋怨你已经发生的事情，要么就改变它，要么就安静的接受它。 4、不论你在什么时候开始，重要的是开始之后就不要停止。 5、通往光明的道路是平坦的，为了成功，为了奋斗的渴望，我们不得不努力。 6、付出了不一定有回报，但不付出永远没有回报。 7、成功就是你被击落到失望的深渊之后反弹得有多高。 8、为了照亮夜空，星星才站在天空的高处。 9、我们的人生必须励志，不励志就仿佛没有灵魂。 10、拼尽全力，逼自己优秀一把，青春已所剩不多。 11、一个人如果不能从内心去原谅别人，那他就永远不会心安理得。 12、每个人心里都有一段伤痕，时间才是最好的疗剂。 13、如果我不坚强，那就等着别人来嘲笑。 14、早晨给自己一个微笑，种下一天旳阳光。 15、没有爱不会死，不过有了爱会活过来。 16、失败的定义：什么都要做，什么都在做，却从未做完过，也未做好过。 17、当我微笑着说我很好的时候，你应该对我说，安好就好。 18、人不仅要做好事，更要以准确的方式做好事。 19、我们并不需要用太华丽的语言来包裹自己，因为我们要做最真实的自己。 20、一个人除非自己有信心，否则无法带给别人信心。 21、为别人鼓掌的人也是在给自己的生命加油。 22、失去金钱的人损失甚少，失去健康的人损失极多，失去勇气的人损失一切。 23、相信就是强大，怀疑只会抑制能力，而信仰就是力量。 24、那些尝试去做某事却失败的人，比那些什么也不尝试做却成功的人不知要好上多少。 25、自己打败自己是最可悲的失败，自己战胜自己是最可贵的胜利。 26、没有热忱，世间便无进步。 27、失败并不意味你浪费了时间和生命，失败表明你有理由重新开始。 28、青春如此华美，却在烟火在散场。 29、生命的道路上永远没有捷径可可以把事情做对，而用心却可以做到完美。 32、如果上帝没有帮助你那他一定相信你可以。 33、只要有信心，人永远不会挫败。 34、珍惜今天的美好就是为了让明天的回忆更美好。 35、只要你在路上，就不要放弃前进的勇气，走走停停的生活会一直继续。 36、大起大落谁都有拍拍灰尘继续走。 37、孤独并不可怕，每个人都是孤独的，可怕的是害怕孤独。 38、宁可失败在你喜欢的事情上，也不要成功在你所憎恶的事情上。 39、我很平凡，但骨子里的我却很勇敢。 40、眼中闪烁的泪光，也将化作永不妥协的坚强。 41、我不去想是否能够成功，既然选了远方，便只顾风雨兼程。 42、宁可自己去原谅别人，莫等别人来原谅自己。 43、踩着垃圾到达的高度和踩着金子到达的高度是一样的。 44、每天告诉自己一次：我真的很不错。 45、人生最大的挑战没过于战胜自己！ 46、愚痴的人，一直想要别人了解他。有智慧的人，却努力的了解自己。 47、现实的压力压的我们喘不过气也压的我们走向成功。 48、心若有阳光，你便会看见这个世界有那么多美好值得期待和向往。 49、相信自己，你能作茧自缚，就能破茧成蝶。 50、不能强迫别人来爱自己，只能努力让自己成为值得爱的人。 51、不要拿过去的记忆，来折磨现在的自己。 52、汗水是成功的润滑剂。 53、人必须有自信，这是成功的秘密。 54、成功的秘密在于始终如一地忠于目标。 55、只有一条路不能选择――那就是放弃。 56、最后的措手不及是因为当初游刃有余的自己 57、现实很近又很冷，梦想很远却很温暖。 58、没有人能替你承受痛苦，也没有人能抢走你的坚强。 59、不要拿我跟任何人比，我不是谁的影子，更不是谁的替代品，我不知道年少轻狂，我只懂得胜者为。 60、如果你看到面前的阴影，别怕，那是因为你的背后有阳光。 61、宁可笑着流泪，绝不哭着后悔。 62、觉得自己做得到和做不到，只在一念之间。 63、跌倒，撞墙，一败涂地，都不用害怕，年轻叫你勇敢。 64、做最好的今天，回顾最好的昨天，迎接最美好的明天。 65、每件事情都必须有一个期限，否则，大多数人都会有多少时间就花掉多少时间。 66、当你被压力压得透不过气来的时候，记住，碳正是因为压力而变成闪耀的钻石。 67、现实会告诉你，不努力就会被生活给踩死。无需找什么借口，一无所有，就是拼的理由。 68、人生道路，绝大多数人，绝大多数时候，人都只能靠自己。 69、不是某人使你烦恼，而是你拿某人的言行来烦恼自己。 70、当一个人真正觉悟的一刻，他放弃追寻外在世界的财富，而开始追寻他內心世界的真正财富。 71、失败并不意味你浪费了时间和生命，失败表明你有理由重新开始。 72、人生应该树立目标，否则你的精力会白白浪费。 73、山涧的泉水经过一路曲折，才唱出一支美妙的歌。 74、时间告诉我，无理取闹的年龄过了，该懂事了。 75、命运是不存在的，它不过是失败者拿来逃避现实的借口。 76、人总是在失去了才知道珍惜！ 77、要铭记在心：每天都是一年中最美好的日子。 78、生活远没有咖啡那么苦涩，关键是喝它的人怎么品味！每个人都喜欢和向往随心所欲的生活，殊不知随心所欲根本不是生活。 79、别拿自己的无知说成是别人的愚昧！ 80、天空的高度是鸟儿飞出来的，水无论有多深是鱼儿游出来的。 81、思想如钻子，必须集中在一点钻下去才有力量。 82、如果我坚持什么，就是用大炮也不能打倒我。 83、我们要以今天为坐标，畅想未来几年后的自己。 84、日出时，努力使每一天都开心而有意义，不为别人，为自己。 85、有梦就去追，没死就别停。 86、今天不为学习买单，未来就为贫穷买单。 87、因为一无所有这才是拼下去的理由。 88、只要我还有梦，就会看到彩虹! 89、你既认准这条路，又何必在意要走多久。 90、尽管社会是这样的现实和残酷，但我们还是必须往下走。 91、能把在面前行走的机会抓住的人，十有八九都会成功。 92、你能够先知先觉地领导产业，后知后觉地苦苦追赶，或不知不觉地被淘汰。 93、强烈的信仰会赢取坚强的人，然后又使他们更坚强。 94、人生，不可能一帆风顺，有得就有失，有爱就有恨，有快乐就会有苦恼，有生就有死，生活��
最新光束质量的评价方法
更远处的电磁场，该处的径向 天线)一个波长范围内的电磁场。
电场可忽略。由天线发生的功 ▪ 近场光学则研究距离光源或物体一 率通量密度近似的随距离的平 个波长范围内的光场分布。在近场
方呈反比的关系的场域。
光学研究领域，远场衍射极限被打
破，分辨率极限在原理上不再受到
▪ 传统的光学理论，如几何光学、 任何限制，可以无限地小，从而基
▪ 2、衍射极限倍数因 子( β)
▪ 3、桶中功率比(BQ)
▪ 4、斯特列尔比(SR)
空间束 宽积
▪ 光束 在空间域的宽度（束腰宽度）和光束在频域的宽度（远场发散角） 的乘积
光束半径随传输距离变化的双曲线，
在z=0时有最小值
M²因子
▪
▪从对 M²因子和相关概念的分析可知 :
与远场发散角 、聚焦光斑尺寸等[4]相比较 ,M²因子更为严格和全面地表 征了激光光束质量 。可以证明激光通过理想无像差和无穷大孔径光学系统 时 ,虽然束腰直径或远场发散角要变化 ,但作为比较的物理量即束腰直径与 远场发散角的乘积 , M²因子是一个不变量 。因此 ,使用 M²因子比之仅用聚 焦 光斑尺寸或发散角衡量光束质量更为全面一些 。
衍射极限倍数因子( β)的定义及确定
▪ 1、定义式
▪ 2、（如何确定）参考光束的选择
▪ 衍射极限倍数因子定义为
▪ 对于同一实际光束,选取不同的参考
β=θ/θ0。
光束会得到不同的β值,这样就给β 因子的测定带来了不确定性和混乱,
▪ 式中,θ为被测实际光束的远场 因此必须统一和规范参考光束的选
发散角, θ0为理想光束(也称参 择。
物理光学等，通常只研究远离 于近场光学原理可以提高显微成像
光源或者远离物体的光场分布， 与其它光学应用时的光学分辨率。
激光光束质量评价及测量方法研究
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）（博士学位论文题目）国防科学技术大学研究生院Study of Evaluating and Measuring LaserBeam QualityCandidate：He YuanxingSupervisor：Prof. Jiang WenhanProf. Li XinyangA dissertationSubmitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Engineeringin Optics EngineeringGraduate School of National University of Defense Technology Changsha，Hunan，P.R.ChinaOctober，2012目录目录 (I)表目录 (VI)图目录 ................................................................................................................... V II 摘要 . (i)Abstract (iii)第一章绪论 (1)1.1 研究背景 (1)1.2 常见的激光光束质量评价指标 (3)1.2.1聚焦光斑尺寸和远场发散角 (4)1.2.2光束传播因子M2 (4)1.2.3峰值斯特列尔比 (4)1.2.4环围能量斯特列尔比 (5)1.2.5环围能量比 (5)1.2.6光束传输因子 (5)1.2.7光束质量β因子 (6)1.2.8评价指标小结 (6)1.3 激光光束质量测量的主要方法 (7)1.3.1扫描法 (7)1.3.2感光法 (10)1.3.3烧蚀法 (10)1.3.4阵列探测法 (10)1.3.5近场反演远场方法 (11)1.4 论文研究内容及研究意义 (12)第二章基础理论介绍 (14)2.1 经典标量衍射理论 (14)2.1.2柯林斯公式 (16)2.1.3圆环形平面光束的夫朗和费衍射 (17)2.1.4方环形平面光束的夫朗和费衍射 (19)2.2 畸变光束波像差的描述方法 (20)2.2.1波像差的泽尼克多项式描述 (20)2.2.2大气湍流随机相屏的产生方法 (23)2.3 本章小结 (24)第三章激光光束质量评价方法研究 (25)3.1 光束传输因子M2适用性分析 (25)3.1.1稳定腔高斯光束 (25)3.1.2非稳定腔环形光束 (27)3.1.3多路高斯光束的合成光束 (27)3.2 激光光束质量评价指标关键问题分析 (29)3.2.1理想参考光束和规范桶（规范能量比）的惯用取法 (29)3.2.2理想参考光束的选择问题探讨 (30)3.2.3规范桶（规范能量比）的选择问题探讨 (34)3.3 激光系统性能评判的核心特征量 (35)3.3.1现有评价激光远场能量集中度指标存在的问题 (35)3.3.2激光系统核心特征量 (37)3.3.3不同激光系统间性能优劣评判 (37)3.4 本章小结 (44)第四章激光通过大气湍流介质的远场传输计算方法 (45)4.1 激光通过大气湍流介质远场传输问题的理论计算 (45)4.1.1激光传输系统调制传递函数及远场光强分布模型 (45)4.1.2截断高斯光束通过大气湍流的远场传输计算 (48)4.1.3圆环形光束通过大气湍流的远场传输计算 (49)4.2.1残留相位结构函数 (53)4.2.2截断高斯光束的相位补偿效果分析 (55)4.2.3圆环形光束的相位补偿效果分析 (58)4.2.4圆环形光束的远场长曝光和短曝光光斑质量的定标关系 (61)4.3 高斯光束通过大气湍流远场传输的最优截断分析 (64)4.4 总系统与分系统间光束质量关系的一点讨论 (68)4.4.1总系统与分系统间光束质量的关系 (68)4.4.2一个简单的验证例子 (71)4.5 本章小结 (72)第五章基于CCD相机测量激光光束质量的误差分析 (74)5.1 光束质量评价参数计算公式 (74)5.2 光束质量评价参数测量误差源 (76)5.3 光束质量评价参数测量误差公式 (76)5.3.1光束质量评价参数测量系统误差 (77)5.3.2光束质量评价参数测量随机性误差 (78)5.3.3光束质量评价参数测量总误差 (79)5.4 计算光束质量评价参数的阈值方法 (80)5.5 计算结果及阈值选取 (82)5.5.1光束质量评价参数测量误差仿真计算模型 (82)5.5.2理论和仿真计算结果 (85)5.5.3阈值的选择 (88)5.6 本章小结 (91)第六章CCD光电响应非线性特性的标定方法及其对远场测量的影响分析 (93)6.1 标定方法理论依据 (94)6.2 CCD光电响应特性的实验标定 (95)6.2.1光栅标定系统结构 (95)6.2.3标定方法和步骤 (97)6.2.4实验标定结果及分析 (98)6.3 CCD光电响应非线性特性对激光远场参数测量的影响 (100)6.3.1仿真模型建立 (101)6.3.2 CCD光电响应非线性饱和效应的影响分析 (103)6.3.2 CCD存在响应“死区”的影响分析 (105)6.3.4 CCD存在响应“死区”和不存在“死区”的比较 (106)6.3.5消除和减小CCD非线性响应影响的方法 (108)6.4 本章小节 (109)第七章基于多焦斑重构原理的激光远场测量方法研究 (112)7.1 拓展CCD测量动态范围的方法概述 (112)7.2 基于衍射光栅分光特性的激光远场测量方法研究 (114)7.2.1方法基本原理 (114)7.2.2方法适用性分析 (117)7.2.3泽尼克像差对应远场光斑的重构仿真 (123)7.2.4测量方法的实验验证 (129)7.3 基于正交光楔分光特性的激光远场测量方法研究 (135)7.3.1方法基本原理 (135)7.3.2方法验证模型 (137)7.3.3测量方法的实验验证 (138)7.4 拓展CCD测量动态范围上限的讨论 (144)7.5 本章小结 (145)第八章总结与展望 (147)8.1 本论文的主要研究内容和结论 (147)8.2 本论文的主要创新点 (149)8.3 后续工作展望 (150)参考文献 (153)作者在学期间取得的学术成果 (161)表目录表2. 1零级衍射角半径 (18)表2. 2一级衍射环角半径 (18)表2. 3二级衍射环角半径 (19)表2. 4中心衍射暗环角半径 (20)表2. 5泽尼克多项式排布方式（n≤10） (21)表3. 1 v=0时不同发射环数相干合成光束BPF值 (34)表3. 2 不同理想光束在规范桶半径及规范能量比 (35)表3. 3影响激光系统最终性能的因素 (36)表5. 1 CCD探测噪声源及其统计特性 (76)表5. 2不同环境背景光噪声对应的最优阈值 (89)表5. 3不同CCD背景暗电平对应的最优阈值 (89)表5. 4不同CCD读出噪声对应的最优阈值 (90)表6. 1光栅参数 (97)表7. 1仿真参数 (124)表7. 2两套激光远场测量系统参数对比 (131)图目录图2. 1平面光瞳的衍射示意图 (14)图2. 2圆环形平面光束的夫朗和费衍射花样沿径向的分布 (18)图2. 3方环形平面光束的夫朗和费衍射花样沿x方向的分布 (20)图2. 4各阶泽尼克像差示意图（n≤7） (22)图3. 1低阶拉盖尔-高斯光束所对应的远场PIB曲线 (26)图3. 2六路基模高斯光束合成光束的近场和远场光强分布 (28)图3. 3相干合成和非相干合成光束远场PIB曲线比较 (28)图3. 4不同类型单路激光束的远场环围能量（PIB）曲线 (31)图3. 5相同孔径大小的截断高斯光束和均强平面光束的远场PIB曲线比较 (31)图3. 6截断高斯光束T BPF随截断系数的变化 (32)图3. 7截断高斯光束远场PIB曲线 (32)图3. 8合成激光的空间布局 (33)图3. 9相干合成光束与均强平面光束远场PIB曲线比较 (33)图3. 10不同类型理想光束的远场环围能量曲线及环围平均能量密度曲线。
成像器件法测量光束质量原理
成像器件法测量光束质量原理一、成像器件法测量光束质量原理的基础概念成像器件法测量光束质量呢，其实就是利用成像器件来对光束进行一些操作和分析。
成像器件就像是一个小侦探，专门去探索光束的各种特性。
比如说，它可以探测光束的光斑大小、形状还有能量分布这些情况。
你可以把光束想象成一群调皮的小精灵，成像器件就是要把这些小精灵的行踪和特点都给摸清楚。
我们先从光斑大小说起。
成像器件能精准地“看”到光束打在上面形成的光斑到底有多大。
这个光斑大小可不是随便看看的，它能反映出光束的发散程度呢。
就像你扔一颗小石子到水里，会形成一圈圈的涟漪，光斑的大小就有点像这涟漪的范围。
如果光斑大，可能意味着光束比较发散；要是光斑小，那这光束就相对比较集中啦。
再说说形状。
成像器件会像一个严格的检查员一样，检查光束的形状是不是规则的。
有时候光束可能是圆形的，就像一个完美的小太阳散发出来的光线；但有时候也可能是椭圆形或者其他奇奇怪怪的形状呢。
这形状可也藏着光束质量的秘密哦。
如果形状不规则，可能在一些需要精准光束的地方就不太好用啦，比如说激光切割的时候，要是光束形状不规则，切割出来的边缘可能就不那么整齐光滑啦。
还有能量分布这个重要的部分。
成像器件可以清楚地告诉我们光束的能量是怎么分布在这个光斑上的。
是均匀分布的呢，还是中间能量高、边缘能量低，就像一个小山包一样。
均匀的能量分布在很多应用里都是非常理想的，比如在光学治疗中，如果能量不均匀，可能就会有的地方治疗过度，有的地方又没治疗到。
二、成像器件在测量中的工作方式成像器件在测量光束质量的时候有自己独特的工作方式。
它就像一个有着超能力的小助手。
首先呢，成像器件要对光束非常敏感。
当光束照射到它上面的时候，它能迅速地做出反应，把光束的信息转化为可以被我们识别和分析的数据。
这就好比我们的眼睛看到东西后，大脑会把看到的画面信息进行处理一样。
然后，成像器件要能够准确地定位光束的中心。
这个中心的确定很关键哦，就像确定一个圆的圆心一样。
第八章激光光束质量评价
由光强二阶矩定义的光束宽度满足ABCD传输定律，可用 来计算激光束传输到其它位置时的光束宽度。
2012，高春清
功率通量法定义的束宽
功率(或能量)通量法：也是一种ISO推荐的定义光束宽度 （光斑半径或直径）的方法，在实际应用中具有非常重 要的意义。 定义：对于圆对称光束，在垂直于光轴的平面内，定义 包含u%（一般u%取1－1/e2(86.5%)）激光束总功率(或 能量)的圆的半径为光斑半径
f d 1.22 D
聚焦光斑尺寸方法虽较为简单，但尚存在一些问题，主 要是聚焦光斑尺寸不是一个不变量，而是随着所用光学 系统的不同而发生改变，只用聚焦光斑尺寸一个参数作 为光束质量判据是不够的。
2012，高春清
激光光束质量的常用评价参数
远场发散角：指高斯光束的光束宽度在远场增大形成的渐 进锥面所构成的全角度； 激光束的远场发散角也称作激光的束散角，在实际应用中 也常以其半角表示 ； 激光束的远场发散角可由无穷远处光束宽度d(z)与传输距 离之比定义
d2 d 2
可求得拐点坐标为
w0 2 exp 2 0 w ( z ) w( z )
2 w( z ) 0.707 w( z ) 2
拐点法定义的光斑半径比振幅临界值定义法定义的光斑半 径略小。
2012，高春清
几种方法定义的束宽的比较
2012，高春清
激光光束质量的常用评价参数
文献中还常用值表示光束质量 值的定义
实际光束的远场发散角 理想光束的远场发散角
值一般大于1 ，值越接近1，光束质量 越高，＝1为衍射极限
2012，高春清
激光光束质量的常用评价参数
斯特列尔比 ：在大气光学中常用斯特列尔比作为 评价激光光束质量的参数
2012，高春清
功率通量法定义的束宽
功率(或能量)通量法：也是一种ISO推荐的定义光束宽度 （光斑半径或直径）的方法，在实际应用中具有非常重 要的意义。 定义：对于圆对称光束，在垂直于光轴的平面内，定义 包含u%（一般u%取1－1/e2(86.5%)）激光束总功率(或 能量)的圆的半径为光斑半径
f d 1.22 D
聚焦光斑尺寸方法虽较为简单，但尚存在一些问题，主 要是聚焦光斑尺寸不是一个不变量，而是随着所用光学 系统的不同而发生改变，只用聚焦光斑尺寸一个参数作 为光束质量判据是不够的。
2012，高春清
激光光束质量的常用评价参数
远场发散角：指高斯光束的光束宽度在远场增大形成的渐 进锥面所构成的全角度； 激光束的远场发散角也称作激光的束散角，在实际应用中 也常以其半角表示 ； 激光束的远场发散角可由无穷远处光束宽度d(z)与传输距 离之比定义
d2 d 2
可求得拐点坐标为
w0 2 exp 2 0 w ( z ) w( z )
2 w( z ) 0.707 w( z ) 2
拐点法定义的光斑半径比振幅临界值定义法定义的光斑半 径略小。
2012，高春清
几种方法定义的束宽的比较
2012，高春清
激光光束质量的常用评价参数
文献中还常用值表示光束质量 值的定义
实际光束的远场发散角 理想光束的远场发散角
值一般大于1 ，值越接近1，光束质量 越高，＝1为衍射极限
2012，高春清
激光光束质量的常用评价参数
斯特列尔比 ：在大气光学中常用斯特列尔比作为 评价激光光束质量的参数