DOE光學(xué)元件之高斯光束的傳播

理論和實踐已證明，在可能存在的激光束形式中，最重要且最具典型意義的就是基模高斯光束。無論是方形鏡腔還是圓形鏡腔，基模在橫截面上的光強分布為一圓斑，中心處光強最強，向邊緣方向光強逐漸減弱，呈高斯分布。因此，將基模激光束稱為高斯光束。

激光束腰和分布

為了獲得高斯光束光學(xué)的精確原理和限制，有必要理解激光束輸出的特性。在TEM（橫模和縱模為0）模式下，光是從激光開始輻射，就像一個含有高斯橫截發(fā)光剖面的完美平面波，高斯形狀被激光內(nèi)部的尺寸或者某種光學(xué)序列的限制光圈在某個直徑處被截斷。為了指定和論述激光光束的傳播特性，我們必須給它的直徑下一些定義。普遍被采用的定義是光束發(fā)光（最強烈）峰值，軸向或者數(shù)值的地方的直徑衰減1/e2（13.5%）。

束腰，是指高斯光絕對平行傳輸?shù)牡胤健０霃剑侵冈诟咚构獾臋M截面考察，以最大振幅處為原點，振幅下降到原點處的0.36788 倍，也就是1/e*e 倍的地方，由于高斯光關(guān)于原點對稱，所以1/e*e 的地方形成一個圓，該圓的半徑，就是光斑在此橫截面的半徑；如果取束腰處的橫截面來考察，此時的半徑，即是束腰半徑。沿著光斑前進(jìn)，各處的半徑的包絡(luò)線是一個雙曲面，該雙曲面有漸近線。高斯光束的傳輸特性，是在遠(yuǎn)處沿傳播方向成特定角度擴散，該角度即是光束的遠(yuǎn)場發(fā)散角，也就是一對漸近線的夾角，它與波長成正比，與其束腰半徑成反比，計算式是：2*波長/ 3.1415926*束腰半徑），故而，束腰半徑越小，光斑發(fā)散越快；束腰半徑越大，光斑發(fā)散越慢。

衍射效應(yīng)使光在傳播過程中向橫向傳播。因此它不可能有一個被精確校準(zhǔn)的光束。激光光束的傳播可以被純衍射理論精確地預(yù)測。異?，F(xiàn)象小到在這里可以統(tǒng)統(tǒng)不用去考慮。在非常平常的情況下，光束傳播可以小到被忽略。下面的方程精確地描述了光束的傳播，由此可以很容易地看出激光光束的能力和限制。

近場和遠(yuǎn)場的分別

不像常規(guī)的光束一樣，高斯光束不是線性的分布。靠近激光的時候，分布角度是非常的小的。遠(yuǎn)離激光的時候，分布角如上描述接近漸進(jìn)的限制。定義為光束半徑通過2的平方根因素傳播的距離，在下面式中給出

在光束腰（z=0）的地方，波陣面更加平坦。同樣地，在z=∞處，波陣面也更加平坦(R（∞）= ∞)。隨著光束從腰部傳播，波陣面的曲率因此必須增加到最大值并且緊接著開始下降，如下圖所示。Raleigh范圍，考慮到在近場分布和中波段分布之間的區(qū)分線，是從波陣面曲率最大值腰部的距離。遠(yuǎn)場分布（數(shù)值查詢激光器說明）必須在遠(yuǎn)大于ZR（通常大于10nbsp即足夠）的時刻才能別測量。這是非常重要的區(qū)別，因為在一個光學(xué)序列中對點大小和其它參數(shù)的計算會在近場或者中場分布被使用時變得不準(zhǔn)確。對于一個緊緊被聚焦的光束，從腰部（聚焦點）到遠(yuǎn)場的距離僅僅是幾毫米或者更小。對于從激光直射光束，遠(yuǎn)場距離可以按米的數(shù)量級來測量。