激光光束透镜变化

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1、激光光束透镜变化【关键词】激光光束质量m2因子透镜变化一、引言 激光光束质量测量实验是激光原理与激光技术类课程常规配套的一项实验内容，可以利用高级的光束质量分析仪器对激光器出光光束的各类参数进行标定。在实际教学中易受到实验设备和实验环境的限制而无法开设，或仅对研究生等高年级学生开设。然而，该实验项目对于光学、光电科学相关专业学生的培养具有非常重要的理论意义与现实意义。它不但能帮助学生深入理解激光光束、直观认识激光光源与普通光源的差异，而且能培养和锻炼学生测试激光束相关参数的基本技能，使学生掌握简单实用的激光测试手段。激光光束透镜变化【关键词】激光光束质量m2因子透镜变化一、引言

2、 激光光束质量测量实验是激光原理与激光技术类课程常规配套的一项实验内容，可以利用高级的光束质量分析仪器对激光器出光光束的各类参数进行标定。在实际教学中易受到实验设备和实验环境的限制而无法开设，或仅对研究生等高年级学生开设。然而，该实验项目对于光学、光电科学相关专业学生的培养具有非常重要的理论意义与现实意义。它不但能帮助学生深入理解激光光束、直观认识激光光源与普通光源的差异，而且能培养和锻炼学生测试激光束相关参数的基本技能，使学生掌握简单实用的激光测试手段。鉴于以上原因，该实验在激光类相关课程中的开设十分必要，并且其在本科教学中的推广和普及也是不容忽视的。具体如何克服设备及实验环

3、境的限制，使实验的开始更具有可操作性，还需要结合各学校的实际情况。下面以激光光束质量m2因子的测量为例，介绍一种测量激光光束质量参数的简单方法。实验中使用的仪器及设备都是光学基础类实验仪器，获取难度相对不高。避免了对高级光束质量分析仪的依赖。二、实验原理了解激光束特性是应用的前提，概括的说，光束强度、光束束宽、光束发散角以及瑞利长度等参数从不同方面表征了激光束的基本特性。1．光束强度通常所说的光强度（简称光强）是指单位面积上的平均光功率，或者说，是指光的平均能流密度，即单位时间内通过垂直于波传播方向的单位面积上的平均能量。光的最简单形式是单色的线偏振平面波，在均匀、无吸收的介质

4、中，光强的横向分布一般是柱面对称的gauss（高斯）分布：（1）式中，i0表示光轴（r＝0）处的强度，w定义为光束半径。2．光束宽度（束宽）在空间域中，光束宽度的常用定义有1/n定义、环围功率定义和二阶矩定义三种，［1］其中“1/n定义”，对旋转对称光束，是以在柱坐标系中光强分布曲线i（r）上最大值imax的1/n处两点间距离之半为束宽（半径）w。（2）而对矩形对称的光束，则是在直角坐标系中x、y方向各自光强分布曲线上最大值1/n处两点距离之半为对应方向上的束宽wx、wy，满足：（3）（4）常用的n值有e2和2，通常称为光束的1/e2束宽（we）和半峰值全宽（full－widt

5、h－at－half－maximum－fwhm）（2wfwhm）。对高斯光束而言，其光束传播方向上，光束截面最小时的光束宽度为高斯光束的束腰。3．光束远场发散角激光远场发散角的大小决定了激光束可传输多远距离而不显著发散，它与可聚焦能量（功率）有关。设激光束沿z轴传输，不同位置的光束宽度为w（z），定义远场发散角半角θ。（5）与光束宽度定义一致，光束发散角也由1/n定义得到，对应于角度空间中光强下降至峰值1/n处两点之间的角度的一半。常用的是光强下降至1/e2时的远场发散角θ1/e2，或光强下降至峰值一半（1/2）时光束的远场发散角θfwhm。4．瑞利（rayleigh）长度瑞利长

6、度zr表示：沿光束传播方向光束直径（或半径）增长为束腰直径（或半径）的倍处距束腰位置的距离。基模高斯光束的瑞利长度为：（6）5．激光光束质量m2因子1988年，a.e.siegman提出的m2因子这一参数克服了常用光束质量评价方法的局限，对激光光束的评价具有重要意义，其定义为：［2～3］（7）由于光束的束腰宽度和远场发散角的乘积也称为光束参数积，所以m2因子的物理意义为实际光束参数积与理想高斯光束光束参数积之比。从（7）式可以看出，对于同一波长的激光，其m2因子和光束参数积成线性关系。m2因子最小值为1，对应于基膜（tem00模）高斯光束。实际激光光束的m2因子（m2≥1）越接

7、近于1，光束质量越好。三、实验设计与内容观察m2因子的定义，并将理想光束的光束参数积bpp0＝w0θ0＝λ/π代入定义式，可得：（8）式中，wm0为实际光束的束腰半径，θm为光束远场发散角半角。可见我们实验需要测得的量有两个，即光束的束腰宽度（半宽）wm0与远场发散角（半角）θm。1．透镜变换实际中，由于激光器光束束腰位置与激光器构造有关，往往不能进行直接测量得到wm0和θm的值。考虑到在激光光束传输的过程中，m2因子经过光学系统前后的数值不会发生任何变化，通常可以采用无畸变透镜变换的方式（