单模高斯光束在自聚焦光纤中的传播分析
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高斯光束的特点
高斯光束的特点高斯光束是一种常见的光束形式，它具有一些独特的特征和性质。
在这篇文章中，我将详细介绍高斯光束的特点和应用。
高斯光束的产生首先，让我们了解高斯光束的产生机制。
高斯光束是由激光器产生的，其中的光源是一个能够将能量转换为光的物质。
在激光器内部，光被引导通过透镜并被聚焦在一个非常小的点上。
这个非常小的点就是所谓的高斯光束。
高斯光束的特性接下来是高斯光束的一些重要特性：1. 对称性：高斯光束在垂直和水平方向上具有相同的亮度分布，呈现完美的对称性。
2. 聚焦性：高斯光束能够通过透镜聚焦到一个非常小的点上，这使得它在许多领域都具有广泛的应用。
3. 窄束宽：高斯光束的光束宽度非常窄，这意味着它能够将光精确地聚焦在一个非常小的区域内。
这使其在制造领域中应用越来越广泛，比如在半导体微处理器和纳米加工中使用。
4. 相位一致性：高斯光束中的光波具有相位一致性。
这意味着高斯光束中的光波可以相互干涉，并且具有非常大的干涉强度，使其在干涉仪和光学器件中应用广泛。
5. 光束稳定性：高斯光束的光束是稳定的，它不会像其他类型的光束一样发生绕射或扩散。
这使得它在通信和传输领域中应用广泛。
应用领域高斯光束在许多领域中都得到了广泛应用，以下是其中一些领域：1. 通信和传输：在光纤通信和光学传输系统中使用高斯光束可以提供更好的性能和可靠性。
高斯光束产生的光束非常窄，可以提供更高的传输速率和更少的数据丢失。
2. 制造和加工：高斯光束的光束聚焦非常精确，因此它在制造和加工领域中使用越来越广泛。
例如，它可以用于微加工、纳米加工、刻蚀和切割。
3. 治疗和医学：高斯光束已被用于医学成像和激光治疗。
它可以用于照射和去除组织中的癌细胞。
4. 科学研究：高斯光束在科学研究领域中应用广泛。
它可以用于干涉仪、单光子实验、冷却原子、微分析和高分辨率成像等。
总结在本文中，我详细介绍了高斯光束的特点和应用领域。
高斯光束通过激光器产生，具有对称性、聚焦性、窄束宽、相位一致性和光束稳定性等特点，其应用领域包括通信和传输、制造和加工、治疗和医学和科学研究等。
§2.7+高斯光束及其传输规律
§2.7 高斯光束及其传输规律
第二章 开放式光腔与高斯光束／§2.7 高斯光束及其传输规律
r2 r2 −1 z −ik z+ −tan − 2 2R( z) f w ( z)
c 自由空间的基 Ψ x, y, z) = e 模 高 斯 光 束 00 ( w( z)
• 情况1：已知w0, w'0, 确定透镜焦距(F)及透镜的距离 l, l'
( l − F ) F2 l′ = F + 2 l − F) + f 2 (
′ w =
2 0
w0 l −F =± F2 − f02 ′ w0 ′ w0 l′ − F = ± F2 − f02 ′ w0
( F −l )
w2 F2 0
1 1 λ = −i 2 定义q 参数 q z R z 高斯光束的复曲率半径) ( ) ( ) πw ( z) (高斯光束的复曲率半径
若已知高斯光束在某一位置的q参数 若已知高斯光束在某一位置的 参数 → w(z), R(z), θ
1 1 = Re , R( z ) q ( z )
3. 光学系统(元件)
r2 A B r 1 球面波 = θ2 C Dθ1
r2 = Ar + Bθ1 1
r2 ≈ R2θ2
r ≈ Rθ1 1 1
θ2 = Cr + D 1 θ 1
R2 =
θ2
r2
=
AR + B 1 CR + D 1
参数通过光学系统的变换与球面波R的变换相同 高斯光束 q参数通过光学系统的变换与球面波 的变换相同 参数通过光学系统的变换与球面波
两式相减
第二章 开放式光腔与高斯光束／§2.7 高斯光束及其传输规律
r2 r2 −1 z −ik z+ −tan − 2 2R( z) f w ( z)
c 自由空间的基 Ψ x, y, z) = e 模 高 斯 光 束 00 ( w( z)
• 情况1：已知w0, w'0, 确定透镜焦距(F)及透镜的距离 l, l'
( l − F ) F2 l′ = F + 2 l − F) + f 2 (
′ w =
2 0
w0 l −F =± F2 − f02 ′ w0 ′ w0 l′ − F = ± F2 − f02 ′ w0
( F −l )
w2 F2 0
1 1 λ = −i 2 定义q 参数 q z R z 高斯光束的复曲率半径) ( ) ( ) πw ( z) (高斯光束的复曲率半径
若已知高斯光束在某一位置的q参数 若已知高斯光束在某一位置的 参数 → w(z), R(z), θ
1 1 = Re , R( z ) q ( z )
3. 光学系统(元件)
r2 A B r 1 球面波 = θ2 C Dθ1
r2 = Ar + Bθ1 1
r2 ≈ R2θ2
r ≈ Rθ1 1 1
θ2 = Cr + D 1 θ 1
R2 =
θ2
r2
=
AR + B 1 CR + D 1
参数通过光学系统的变换与球面波R的变换相同 高斯光束 q参数通过光学系统的变换与球面波 的变换相同 参数通过光学系统的变换与球面波
两式相减
高斯光束衍射极限
高斯光束衍射极限引言在现代光学中，高斯光束是一种重要的光学现象。
高斯光束是指在空间中传播的电磁波的一种特殊形式，它具有高度集中的能量分布和自聚焦特性。
高斯光束的衍射极限是指在特定条件下，高斯光束经过衍射后的最小尺寸限制。
本文将详细探讨高斯光束的衍射极限及其相关内容。
高斯光束的特点高斯光束具有以下几个重要特点：1.高度集中的能量分布：高斯光束的能量在空间中呈现出高度集中的分布，大部分能量集中在光束的中心区域。
这使得高斯光束在很多应用中具有重要的作用，比如激光器、光纤通信等。
2.自聚焦特性：高斯光束在传播过程中会出现自聚焦的现象。
这是由于高斯光束的折射率与光强度之间存在非线性关系，使得光束在传播过程中会自动聚焦在一个点上。
这种自聚焦现象在激光切割、激光打孔等领域得到了广泛应用。
3.良好的相干性：高斯光束具有良好的相干性，即波前的相位关系在空间中保持稳定。
这使得高斯光束在干涉、衍射等现象中表现出优越的性能。
高斯光束的衍射极限高斯光束经过衍射后会出现一定的扩散现象，其衍射极限即为高斯光束经过衍射后的最小尺寸限制。
衍射极限的大小与光束的波长、光束直径和衍射距离等因素有关。
衍射极限的计算方法衍射极限可以通过一些数学模型进行计算。
其中，最常用的是菲涅尔衍射和夫琅禾费衍射模型。
菲涅尔衍射模型菲涅尔衍射模型适用于光源到衍射屏的距离与衍射屏到观察点的距离相近的情况。
在菲涅尔衍射模型中，衍射极限的计算公式为：D=2λL d其中，D为衍射极限的直径，λ为光束的波长，L为光源到衍射屏的距离，d为光束的直径。
夫琅禾费衍射模型夫琅禾费衍射模型适用于光源到衍射屏的距离远大于衍射屏到观察点的距离的情况。
在夫琅禾费衍射模型中，衍射极限的计算公式为：D=2λf d其中，D为衍射极限的直径，λ为光束的波长，f为焦距，d为光束的直径。
影响衍射极限的因素衍射极限的大小受到多种因素的影响，主要包括：1.波长：波长越短，衍射极限越小。
这是由于波长与衍射极限的计算公式中呈反比关系。
光学谐振腔理论-第8节-高斯光束的传输
05 高斯光束的未来发展与应 用
高斯光束在光学通信中的应用
高速光通信
高斯光束在光学通信中具有较高的传输速度和较低的信号衰减，有助于实现高 速、大容量的光通信系统。
远程通信
高斯光束具有较好的光束质量和传输稳定性，适用于长距离的光纤通信，有助 于实现远程、稳定的通信连接。
高斯光束在光学传感中的应用
03 高斯光束的调制与控制
高斯光束的相位调制
01
相位调制是指通过改变高斯光束的相位分布来改变其波前的状 态。
02
常见的相位调制方法包括利用液晶空间光调制器、光栅或其他
光学元件对高斯光束进行相位调制。
相位调制在光学通信、光学传感和光学计算等领域有广泛应用，
03
可以实现光束的聚焦、散焦、波形转换等功能。
高斯光束的波前测量
波前测量概述
波前是描述光束相位变化的物理量，高斯光束的波前测量有助于 了解光束的传播特性和干涉、衍射等光学现象。
波前测量方法
常用的波前测量方法有干涉法、散斑法、剪切干涉法等，可以根据 高斯光束的特点和测量精度要求选择合适的方法。
测量误差来源
波前测量误差主要来源于光束的聚焦、光束截面分布、光学元件的 误差等因素。
高斯光束的聚焦特性
聚焦原理
高斯光束经过透镜聚焦后，其横截面 上的强度分布会发生变化，形成明暗 相间的干涉条纹。
干涉条纹
干涉条纹的形状取决于透镜的焦距和 光束的束腰半径。当透镜焦距一定时 ，束腰半径越小，干涉条纹越密集； 反之，则越稀疏。
02 高斯光束在光学谐振腔中 的应用
光学谐振腔对高斯光束的影响
偏振态调制是指通过改变高斯光 束的偏振状态来改变其电磁场分
布。
常见的偏振态调制方法包括利用 偏振片、电光晶体或液晶等对高
第二讲光线的传播与高斯光束 PPT
第二讲光线的传播与高斯光束
§2.1光线的传播
研究激光在光学媒质中的传输特性
一.光线矩阵 讨论近轴（傍轴）光线
规定： r 朝上为正、下为负
指向上方为正、下方为负
sin tg (mrad ) dr r' (z)
dzrin'
ro'ut rin'
d n dr n ds ds
4、在类透镜介质中得传播
考虑近轴光线 ds dx2 dy2 dz2 dz
dn dz
dr dz
n
d 2r d2z
n
在二次折射率介质(或类透镜介质)中,折射率没有轴向分布,
仅有径向分布
n
d d
2
r
2z
n
n
i
n
x y
j
n x
k
K 2 n0
五、光线在类透镜介质中得传播
1、 薄透镜得聚焦机理
AB
AB AO BO f 2 x2 y2 f
r
f
1
x2 y2 f2
f
C
Oz
f (1
1 2
x2 y2 f2
)
f
f
x2 y2
离轴距离为r得相位提前量为
2f
2 n x2 y2 k x2 y2 k r 2
0
2f
2f
rM rM'
1 0
d 1
rs rs'
rN rN'
1 1
f2
0 1
rM rM'
S MN
S+1 f1
d
f1
f2
因此:
rN rN'
1 1
f2
§2.1光线的传播
研究激光在光学媒质中的传输特性
一.光线矩阵 讨论近轴（傍轴）光线
规定： r 朝上为正、下为负
指向上方为正、下方为负
sin tg (mrad ) dr r' (z)
dzrin'
ro'ut rin'
d n dr n ds ds
4、在类透镜介质中得传播
考虑近轴光线 ds dx2 dy2 dz2 dz
dn dz
dr dz
n
d 2r d2z
n
在二次折射率介质(或类透镜介质)中,折射率没有轴向分布,
仅有径向分布
n
d d
2
r
2z
n
n
i
n
x y
j
n x
k
K 2 n0
五、光线在类透镜介质中得传播
1、 薄透镜得聚焦机理
AB
AB AO BO f 2 x2 y2 f
r
f
1
x2 y2 f2
f
C
Oz
f (1
1 2
x2 y2 f2
)
f
f
x2 y2
离轴距离为r得相位提前量为
2f
2 n x2 y2 k x2 y2 k r 2
0
2f
2f
rM rM'
1 0
d 1
rs rs'
rN rN'
1 1
f2
0 1
rM rM'
S MN
S+1 f1
d
f1
f2
因此:
rN rN'
1 1
f2
第三章 高斯光束及其特性
§3.1 基模高斯光束
高斯光束在其传输轴线附近 可近似看作是一种非均匀球面波 曲率中心随着传输过程而不断改变 振幅和强度在横截面内始终保持高斯分布特性 等相位面始终保持为球面 强度集中在轴线及其附近
§3.1 基模高斯光束
3）基模高斯光束的特征参数： ➢ 用参数0（或f）及束腰位置表征高斯光束
f
2 2
2 F
q
(1
l F
)q (l q (1
l l
)
ll F
)
F
F
0
(l
F F )2
f
2 0
§3.1 基模高斯光束
出射光束的束腰位置和尺寸 随入射光束的变化：
l
l(l F ) (l F )2
f f
2 2
F
0
(l
F F )2
f
2 0
§3.1 基模高斯光束
0
(l
第三章 高斯光束及其特性
本章大纲
§3.1 基模高斯光束 掌握高斯光束q参数的表达 高斯光束在线性光学系统中的变换 高斯光束的自再现变换与稳定球面腔模式的关系
§3.2 高阶高斯光束 了解高阶高斯光束的特性。
§3.3 高斯光束的准直与聚焦 了解高斯光束的准直的与聚焦特点。
§3.1 基模高斯光束
1）沿z轴方向传播的基模高斯光束
z f
]}
u00 ( x,
y, z) c00
0 exp{ik (z)
x2
2
y2 1
[ R(z) i 2(z)]}exp[i(kz arctg
z f
)]
引入一个新的参数q(z)，定义为
11
q(z)
R( z )
高斯光束的传播
如何借助透镜改善高斯光束的方向性？
4.3.3 高斯光束的准直
实际应用中，为了减小光束发散角，从而能量不会随距离很快散开，需 要对高斯光束准直。
一、核心问题：改善光束的方向性，即压缩光束的发散角
二、方法：①用单透镜；② 用望远镜。
①用单透镜
高斯光束发散角:
2
2 0
通过透镜后，像高斯光束发散角：2 ' 2
(02
)2
]
)2
s
02
1
1
R
(
R 2
)2
2
(2 )2 R
经透镜变换后的束腰位置、腰斑大小由以上两式决定.
已知高斯光束的腰斑大小和位置，整条高斯光束传输规律就确定了。
4.3.2 高斯光束的聚焦 0' 0
实际应用中，为了提高激光的光功率密度， 需要对高斯光束进行聚焦。
图4-16 高斯光束通过薄透镜的变换
0
1
s
(
2 0
)
2
2 2 0
用凹透镜直接加大发散角
用两个凸透镜聚焦
束腰半径越小,发散角越大,从而加大,达到缩小聚焦光斑的目的.
高斯光束聚焦的腰斑放大率：
0
f
0
1 (
s
)2
2 0
0 0
f 1 (s02 )2
如果 s 足够大,满足条件:
s
(
2 0
)2
则 1:
又 s f
0 f s' 0 s s
通过第一个短焦距（f 1）透镜聚焦，获得极小的腰斑：
核心问题：由
02
1
2 2 (
)2
R
、和
s
1
高斯光束的聚焦和准直
0 F1 f
八、高斯光束的自再现变换与稳定球面腔
• 利用透镜实现自再现变换
当透镜的焦距等于高斯光束入射在透镜表面上的波 面曲率半径的一半时，透镜对该高斯光束作自再现 变换。
• 球面反射镜对高斯光束的自再现变换
当球面镜的曲率半径与高斯光束入射在球面镜表面 上的波前曲率半径相等时，球面镜对该高斯光束作 自再现变换。
基模高斯光束的特征参数 用参数0（或f）及束腰位置表征高斯光束 用参数(z)和R(z)表征高斯光束 高斯光束的q参数 • 高阶高斯光束（厄米特－高斯光束和拉盖尔高 斯光束，存在于什么腔型中？）
六、高斯光束q参数变换规律
• 高斯光束的q参数与点光源发出光波的等 相位面半径R在光学系统中的变换规律相 A B 同。当高斯光束经过一个变换矩阵为 C D 的光学系统时，若入射及出射的q参数分 别为q1和q2，则遵循以下变换规律
主要内容： • 概述－光腔理论的一般问题 • 共轴球面腔的稳定性条件 • 开腔模式和衍射理论分析方法 • 稳定球面腔中的模结构 • 高斯光束的基本性质及特征参数 • 高斯光束q参数变换规律 • 高斯光束的聚焦和准直 • 高斯光束的自再现变换与稳定球面腔 • 光束衍射倍率因子M2 • 非稳腔
本章总结
2
2 0 (F l) ( )2 2
2 F 2 0
(1)若F一定， 当l<F时， 0随l的减小而减小； 当l=0时， 0达到最小值；当l>F时， 0随l的 增大而减小； 当l时， 00， l F ；当 l= F时， 0达到极大值， 0＝(F/0)。
d1 d2
R1=∞
F
R2=∞
第二章作业（二） • 基本题：书本98－100页10、15、17、23、 27 • 附加题： 26、24（主镜口径改为10cm）
八、高斯光束的自再现变换与稳定球面腔
• 利用透镜实现自再现变换
当透镜的焦距等于高斯光束入射在透镜表面上的波 面曲率半径的一半时，透镜对该高斯光束作自再现 变换。
• 球面反射镜对高斯光束的自再现变换
当球面镜的曲率半径与高斯光束入射在球面镜表面 上的波前曲率半径相等时，球面镜对该高斯光束作 自再现变换。
基模高斯光束的特征参数 用参数0（或f）及束腰位置表征高斯光束 用参数(z)和R(z)表征高斯光束 高斯光束的q参数 • 高阶高斯光束（厄米特－高斯光束和拉盖尔高 斯光束，存在于什么腔型中？）
六、高斯光束q参数变换规律
• 高斯光束的q参数与点光源发出光波的等 相位面半径R在光学系统中的变换规律相 A B 同。当高斯光束经过一个变换矩阵为 C D 的光学系统时，若入射及出射的q参数分 别为q1和q2，则遵循以下变换规律
主要内容： • 概述－光腔理论的一般问题 • 共轴球面腔的稳定性条件 • 开腔模式和衍射理论分析方法 • 稳定球面腔中的模结构 • 高斯光束的基本性质及特征参数 • 高斯光束q参数变换规律 • 高斯光束的聚焦和准直 • 高斯光束的自再现变换与稳定球面腔 • 光束衍射倍率因子M2 • 非稳腔
本章总结
2
2 0 (F l) ( )2 2
2 F 2 0
(1)若F一定， 当l<F时， 0随l的减小而减小； 当l=0时， 0达到最小值；当l>F时， 0随l的 增大而减小； 当l时， 00， l F ；当 l= F时， 0达到极大值， 0＝(F/0)。
d1 d2
R1=∞
F
R2=∞
第二章作业（二） • 基本题：书本98－100页10、15、17、23、 27 • 附加题： 26、24（主镜口径改为10cm）
高斯光束焦深探析
高斯光束焦深探析
高斯光束追踪（Gaussian Beam Tracing，GBT）技术以及其在焦深探测中的重
要作用，其实是由实验物理学家高斯在19的十九世纪中叶的大本头作出思维突破
而开发起来的光学成像技术。
高斯光束追踪，它能够有效的模拟复杂光路，并精确计算出最终到达感官器官的光束文结构，使得一种图像或者光学影像的获得成为可能。
从焦深（Focal Depth）来看，高斯光束追踪法有助于模拟光的衰减和变形，
给焦深的探测提供了很大的帮助。
当光线经由传输介质，如水、镜等时，光束在介质中会传输一段距离并衰减，
其衰减衰减率与焦深大小有关。
使用高斯光束追踪，可以精确模拟光在介质中的衰减，并且可以准确计算出最终到达感官器官的光束文结构，由此可以有效推断焦深大小。
也就是说，可以将高斯光束追踪应用于光传感器系统中，用以计算光束在传输介质中衰减后最终能够到达光传感器的能量值，从而评估出焦深的值，进而精确地控制系统的表表现。
此外，高斯光束追踪的优势在于参数的灵活性，操作起来相当便利，建模和仿
真能够以较低的时间占用以及计算代价来完成。
因而高斯光束追踪技术的广泛应用，在焦深的检测中一直处于技术的领先水平。
总而言之，随着物联网和智能系统的发展，高斯光束追踪将会进一步发挥其重
要作用，将有助于精确控制系统，在体积小、质量轻、高效精准的情况下，准确探测出焦深，实现对光学成像系统的全面控制。
高斯光束的聚焦和准直
l)2
2 0
/
2
7.1 高斯光束通过薄透镜的变换
高斯光束束腰的变换规律
RC
,
Re
1 qC
0
lC
F
l(F
l)
2 0
/
2
(F
l)2
2 0
/
2
0
qC
i
(F
F
2
2 0
/
l
)2
2 0
/
2
L
0
0'
A BC
l
lC
q(0) q(A) q(B) q(C)
束腰位置
l
'
lC
F
(l
(l F )F 2
1
'
2 0
1
2 0
1
l F
2
1 F2
0
2
'0 F l ' k 0 l F l
几何光学薄透 镜成像垂轴放
大率公式
7.1 高斯光束通过薄透镜的变换
•
7.1 高斯光束通过薄透镜的变换
不满足以上条件时，则不能套用几何光学的结论
•当 l F时，可以求出 l ' F， 此时物方、像方高斯光束 的束腰都位于焦点处。
71高斯光束通过薄透镜的变换高斯光束束腰的变换规律1re0ccrq?????????????????220222022022200cclfllfflfqifl????????????????????????????????2222022022200111im11cclffllflflqff????????????????????????????????????????lcl0?0?q0abqaqbqclc高斯光束束腰的变换关系式束腰位置束腰半径文档仅供参考如有不当之处请联系本人改正
光束自聚焦
光束自聚焦什么是光束自聚焦？光束自聚焦是指在透明介质中，由于非线性效应的作用，光束在传播过程中会发生自聚焦现象。
当激光束传播到一定距离后，其横截面会逐渐变小，并最终形成一个非常强烈的光点。
光束自聚焦是一种重要的物理现象，具有广泛的应用。
它不仅可以用于激光加工和材料处理，还可以应用于医学、通信、生物学等领域。
光束自聚焦的原理光束自聚焦的原理主要有两个方面：衍射和非线性效应。
衍射当一个平面波通过一个孔洞或者通过两个相邻的孔洞时，会发生衍射现象。
衍射现象使得入射波前变得不规则，并且在传播过程中发生弯曲。
这种弯曲使得光束在传播过程中会逐渐变窄。
非线性效应介质中存在着一些非线性效应，如克尔效应、拉曼散射等。
这些非线性效应会使得光的折射率与光强度相关。
当光束的强度超过一定阈值时，非线性效应会导致折射率呈现出自聚焦的特性。
光束自聚焦的应用激光加工和材料处理光束自聚焦可以用于激光加工和材料处理。
通过控制激光束的参数，如波长、功率、聚焦距离等，可以实现对材料进行高精度、高效率的加工和处理。
例如，在微电子制造中，可以利用光束自聚焦来实现对微芯片的刻蚀和雕刻。
医学应用在医学领域，光束自聚焦被广泛应用于激光手术和激光治疗。
通过控制激光束的参数，可以实现对肿瘤、血管疾病等病变组织的精确治疗。
同时，由于光束自聚焦具有高能量密度和高单脉冲峰值功率等特点，还可以用于眼科手术和皮肤美容等领域。
其他领域应用光束自聚焦还可以应用于光通信、生物学研究等领域。
在光通信中，通过光束自聚焦可以实现高速、高带宽的数据传输。
在生物学研究中，可以利用光束自聚焦来观察细胞内部的微观结构和过程。
光束自聚焦的挑战和发展趋势尽管光束自聚焦具有广泛的应用前景，但其实现仍面临一些挑战。
首先，光束自聚焦过程中会产生较高的能量密度和温度，可能会对介质造成损伤。
因此，在应用中需要考虑如何控制能量密度和温度，以保证安全性和稳定性。
其次，光束自聚焦还需要较长的传播距离才能实现明显的聚焦效果。
高斯光束传输方程及其解法
高斯光束传输方程及其解法光学是研究光的物理现象和规律的科学，光在自然界中广泛存在并起到重要作用，对于现代科技的发展也有着不可替代的作用。
高斯光束是一种常见的光束形式，其具有良好的传输性质和应用前景，因此得到广泛应用。
一、高斯光束的定义和特性高斯光束是指在自由空间中横向至少二次可微、纵向一次可微的光束，其光强分布和相位分布都可用高斯函数表征。
高斯光束具有如下的重要特性：1. 具有良好的射程特性，能够在传输过程中保持约束的形态；2. 横向光强分布呈高斯分布，纵向呈指数分布，能够满足许多光学应用中对于光束形态和光强的要求；3. 光束通过透镜进行聚焦后，仍然是高斯光束，具有良好的自聚焦能力；4. 具有相干性，能够满足干涉、衍射等光学现象的要求。
二、高斯光束传输方程的推导在光学应用中，高斯光束的传输是一个重要的问题，需要准确描述其传输过程。
高斯光束传输方程可以描述高斯光束在自由空间中传输的过程，其推导如下：设高斯光束的累计相位为φ(x,y,z)，其横向强度分布为I(x,y)，则光强的分布可以表示为：I(x,y,z)=|A(x,y,z)|^2其中，A(x,y,z)是高斯光束的复振幅，其表示为：A(x,y,z)=u(x,y,z)exp(jφ(x,y,z))其中u(x,y,z)表示高斯光束的复场，根据标量波动方程可以得到：△u+k^2u=0其中k=2π/λ为波数，λ为波长。
将复场u分解为实部和虚部，可得到：u=u1+ju2则标量波动方程可以分解为实部和虚部的两个方程：△u1+k^2u1=-△u2-k^2u2△u2+k^2u2=△u1-k^2u1再利用高斯光束的对称性和横向可微性，可以得到：▽^2u1+k^2u1=0▽^2u2+k^2u2=0则高斯光束的传输方程可以写为：∂A(x,y,z)/∂z+iβ(x,y,z)A(x,y,z)=0其中β(x,y,z)为传输因子，可以表示为：β(x,y,z)=k/2n[∂^2φ(x,y,z)/∂x^2+∂^2φ(x,y,z)/∂y^2]则高斯光束的累计相位和传输因子分别代表了光束的位相和弯曲程度，通过方程可以描述光束在自由空间中传输时的演化形态。
第六章高斯光束详解
4.高斯光束的远场发散角
基模远场发散角: Z为无穷大时，强度为中心的 1/e2点所夹角的全宽度。双曲线的两条渐近线之间 的夹角。
lim z
2(z) 2 z 0
1.128
F
腰斑越小， 发散角越大。
z
0 , 0 ,
【例】某共焦腔氦氖激光器，L=30cm,波长 λ =0.6328μ m;某共焦腔二氧化碳激光器， L=1m, 波长λ =10.3μ m,求发散角。
本章讨论高斯激光束的传输和通过光学系 统的变换规律。
§1 高斯光束简介
高斯光束不同于点光源所发出的球面波和平 行光束的平面波，是一种特殊形式的光束。
高斯光束与一般光束比较，具有： 光束截面内的强度分布不均匀
波峰
1.1 均匀平行光束
E( x, y, z) A0eikz
k 2
A0
k
k
光束特点：
共焦腔的反射镜面是两个等 相位面，与场的两个等相位 面重合,且曲率半径达到最小 值。
高斯光束等相位面的分布以及曲率 中心的移动
曲率半径极小 值
在榜轴近似下，高斯光束可看作是一种曲率中 心与曲率半径都随传播过程而不断改变的非均匀 球面波。等相位面是球形的，但等相位面上的光 场振幅分布却是非均匀的高斯分布。
中心处和无穷远处的波阵面是平面，平面上各 点的相位相同，等相面是一个平面。其它地方 波阵面是球面，球面上各点的相位相同。
波阵面上振幅分布不均匀，即每个平面或球面 上的各点振幅呈高斯分布函数。
对于一个共焦腔，其基模高斯光束解析表达为：
E r, z cz e e E r, z
A0
e e
r
2
2
方形镜共焦腔：镜面上的场分布为厄米-高斯函数。 圆形镜共焦腔：镜面上的场分布为拉盖尔-高斯函数。
高斯光束
物理与光电信息科技学院
《激光原理与技术》
Lasers Principles and Technologies
主讲教师：陈 建 新 、朱莉莉、陈荣
福建师范大学物理与光电信息科技学院
（第三章）
物理与光电信息科技学院
《激光原理与技术》
第三章 高斯光束
赫姆霍兹方程在缓慢振幅近似下的一个特解，对应着具有 圆对称光学谐振腔的振荡模式。
（第三章）
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《激光原理与技术》
在垂直于光束的任意一个横截面上，振幅的分布为:
2 r l l 2r 2 r 2 cosl Apl r , , z [ ] L p [ 2 ] exp 2 sin l w( z ) w z w z
（第三章）
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《激光原理与技术》
高斯光束的基本性质
波动方程的基模解 在标量近似下稳态传播的电磁场满足的赫姆霍茨方程：
u0 k u0 0
2
在z的缓变振幅近似下（忽略 解出上式微分方程的一个特解：
2 z 2
），利用“试探法”
此特解叫做基模高斯光束
光斑半径随z的变化规律为：wz w 0 当
z z 1 w 1 0 z w 2 0 0
2 2
z z0 时 wz0 2w0
从最小光斑面 积增大到它的 二倍的范围是 瑞利范围， 从最小光斑处 算起的这个长 度叫瑞利长度
（第三章）
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w0 r2 z r2 u0 x , y , z { exp i kz arctan( 2 ) exp[i ] w 2 z exp w z 2 R ( z ) w 0
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主讲教师：陈 建 新 、朱莉莉、陈荣
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（第三章）
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第三章 高斯光束
赫姆霍兹方程在缓慢振幅近似下的一个特解，对应着具有 圆对称光学谐振腔的振荡模式。
（第三章）
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在垂直于光束的任意一个横截面上，振幅的分布为:
2 r l l 2r 2 r 2 cosl Apl r , , z [ ] L p [ 2 ] exp 2 sin l w( z ) w z w z
（第三章）
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高斯光束的基本性质
波动方程的基模解 在标量近似下稳态传播的电磁场满足的赫姆霍茨方程：
u0 k u0 0
2
在z的缓变振幅近似下（忽略 解出上式微分方程的一个特解：
2 z 2
），利用“试探法”
此特解叫做基模高斯光束
光斑半径随z的变化规律为：wz w 0 当
z z 1 w 1 0 z w 2 0 0
2 2
z z0 时 wz0 2w0
从最小光斑面 积增大到它的 二倍的范围是 瑞利范围， 从最小光斑处 算起的这个长 度叫瑞利长度
（第三章）
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w0 r2 z r2 u0 x , y , z { exp i kz arctan( 2 ) exp[i ] w 2 z exp w z 2 R ( z ) w 0
高斯光束
若有解
( x, y, z) 则为一个正确的波束解，这个解与
x, y有关部分完全含于高斯函数中，其他因子仅为z的函数。
解第一式：
1 f ( z) 2i z k
积分常数
2 f 2 ikf 比较 两式 2 fg ikg
因此，得解
g c f
(c const )
g ( z)
讨论内容：
一、高斯光束的定义 二、高斯光束波函数的解（亥姆霍兹方程的波束解）
1.高斯光束的纵向相位因子
三、高斯光束的传播特性
2.高斯光束的等相面曲率半径
3.高斯光束的束宽与远场发射角
高斯光束
定义：在光学中，高斯光束（Gaussian
分布近似满足高斯函数的电磁波光束。 beam）是横向电场以及辐照度
基本应用：许多激光都近似满足高斯光束的条件，在这种情况里，激光
在光谐振腔里以TEM00波模传播。当它在镜片发生衍射，高斯光束会变换成 另一种高斯光束，这时若干参数会发生变化。这解释了高斯光束是激光光学 里一种方便、广泛应用的原因。
描述：高斯光束的数学函数是亥姆霍兹方程的一个近轴近似解（属于小角
近似的一种）。这个解具有高斯函数的形式，表示电磁场的复振幅。电磁波 的传播包括电场和磁场两部分。研究其中任一个场，就可以描述波在传播时 的性质。
2 0
2i (1 z) k
令
4z 2 2z 2 2 ( z ) (1 2 2 ) 0 [1 ( 2 ) ] k k0
2
f ( z)
同理，可得
1 2iz (1 ) 2 2 ( z) k0
g ( z)
0
2z 1 ( 2 ) k0
e
( x, y, z) 则为一个正确的波束解，这个解与
x, y有关部分完全含于高斯函数中，其他因子仅为z的函数。
解第一式：
1 f ( z) 2i z k
积分常数
2 f 2 ikf 比较 两式 2 fg ikg
因此，得解
g c f
(c const )
g ( z)
讨论内容：
一、高斯光束的定义 二、高斯光束波函数的解（亥姆霍兹方程的波束解）
1.高斯光束的纵向相位因子
三、高斯光束的传播特性
2.高斯光束的等相面曲率半径
3.高斯光束的束宽与远场发射角
高斯光束
定义：在光学中，高斯光束（Gaussian
分布近似满足高斯函数的电磁波光束。 beam）是横向电场以及辐照度
基本应用：许多激光都近似满足高斯光束的条件，在这种情况里，激光
在光谐振腔里以TEM00波模传播。当它在镜片发生衍射，高斯光束会变换成 另一种高斯光束，这时若干参数会发生变化。这解释了高斯光束是激光光学 里一种方便、广泛应用的原因。
描述：高斯光束的数学函数是亥姆霍兹方程的一个近轴近似解（属于小角
近似的一种）。这个解具有高斯函数的形式，表示电磁场的复振幅。电磁波 的传播包括电场和磁场两部分。研究其中任一个场，就可以描述波在传播时 的性质。
2 0
2i (1 z) k
令
4z 2 2z 2 2 ( z ) (1 2 2 ) 0 [1 ( 2 ) ] k k0
2
f ( z)
同理，可得
1 2iz (1 ) 2 2 ( z) k0
g ( z)
0
2z 1 ( 2 ) k0
e
超高斯脉冲在常规单模光纤中的传输特性分析
对于具有线性啁啾的超高斯脉冲,可设其表达式为：U (0,T ) = exp[− 1+ Ci ( T )2m ] 。 2 T0
取 C = ±4 ， m = 3 ， S = 5km 。图 6 给出了输入功率P3=140 mw， β2 = -20，C=4 的 超高斯脉冲入射时，脉冲波形的演变过程。图 7 给出了输入功率P3=140 mw， β2 = -20，
由图 2，3 得出结论：自相位调制必须通过色散的作用才能导致脉冲畸变；在正色散区 对脉冲有展宽作用，并且是加剧了脉冲的展宽；在负色散区对脉冲有压缩作用。
3.2 输入功率变化时脉冲演变情况
改变输入功率，可以发现负色散区的脉冲演变情况如下图4，5所示。
图4 红线P1= 100 mw，绿线P2=200 mw
-4-
参考文献
[1]方绍强 等“超高斯光脉冲在单模光纤中的传输特性分析”陕西工学院学报 第20卷第2期 2004.6.20 [2]Govind P.Agrawal “ Nonlinear Fiber Optics，Third Edition” 2002.12.1 [3]李均 等 “光纤传输模型的数值计算研究” 光电子技术与信息 第16 卷第2 期 2003年4月 [4] 余华清“色散和非线性效应的数值研究” 孝感学院学报 第23 卷第6 期 2003 年11月 [5] 郑宏军 “初始啁啾对双曲正割光脉冲线性传输特性的影响”物理学报 第56卷第4期 2007年4月
第一步求解非线性算子：
∂U ' ∂z
=
NˆU '
=
iγ
P0
U'
2U'
此方程是常微分方程，设初值为U (0,T ) ，方程的解为：
U ′(z,T ) = U (0,T ) exp[iγ P0 U (0,T ) 2 z]
取 C = ±4 ， m = 3 ， S = 5km 。图 6 给出了输入功率P3=140 mw， β2 = -20，C=4 的 超高斯脉冲入射时，脉冲波形的演变过程。图 7 给出了输入功率P3=140 mw， β2 = -20，
由图 2，3 得出结论：自相位调制必须通过色散的作用才能导致脉冲畸变；在正色散区 对脉冲有展宽作用，并且是加剧了脉冲的展宽；在负色散区对脉冲有压缩作用。
3.2 输入功率变化时脉冲演变情况
改变输入功率，可以发现负色散区的脉冲演变情况如下图4，5所示。
图4 红线P1= 100 mw，绿线P2=200 mw
-4-
参考文献
[1]方绍强 等“超高斯光脉冲在单模光纤中的传输特性分析”陕西工学院学报 第20卷第2期 2004.6.20 [2]Govind P.Agrawal “ Nonlinear Fiber Optics，Third Edition” 2002.12.1 [3]李均 等 “光纤传输模型的数值计算研究” 光电子技术与信息 第16 卷第2 期 2003年4月 [4] 余华清“色散和非线性效应的数值研究” 孝感学院学报 第23 卷第6 期 2003 年11月 [5] 郑宏军 “初始啁啾对双曲正割光脉冲线性传输特性的影响”物理学报 第56卷第4期 2007年4月
第一步求解非线性算子：
∂U ' ∂z
=
NˆU '
=
iγ
P0
U'
2U'
此方程是常微分方程，设初值为U (0,T ) ，方程的解为：
U ′(z,T ) = U (0,T ) exp[iγ P0 U (0,T ) 2 z]