通常情形,激光諧振腔發出的基模輻射場,其橫截面的振幅分布遵守高斯函數,故稱高斯光束。推薦閱讀:激光諧振腔的作用
我們常常會收到客戶關于光斑大小的查詢,其實問的就是光斑的束腰直徑或束腰半徑。束腰,是指高斯光絕對平行傳輸的地方。半徑,是指在高斯光的橫截面考察,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,各處的半徑的包絡線是一個雙曲面,該雙曲面有漸近線。高斯光束的傳輸特性,是在遠處沿傳播方向成特定角度擴散,該角度即是光束的遠場發散角,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,光斑發散越快;束腰半徑越大,光斑發散越慢。光斑描述如下圖
我們用感光片可以看到,在近距離時,準直器發出的光在一定范圍內近似成平行光,距離稍遠,光斑逐漸發散,亮點變弱變大;可是從光纖出來的光,很快就發散;這是因為,準直器的光斑直徑大約有400 微米,而光纖的光斑直徑不到10 微米。同時,對于準直器最大工作距離的定義,往往可理解為該準直器輸出光斑的共焦參數,該參數與光斑束腰半徑平方成正比,與波長成反比,計算式是:3.1415926*束腰半徑*束腰半徑/波長。所以要做成長工作距離(意味著在更長的傳輸距離里高斯光束仍近似成平行光)的準直器,必然要把光斑做大,透鏡相應要加長加粗。
我們對于準直系統的計算,理論根據就是高斯光束的傳輸特性計算式。對于線度遠大于輸入光斑的透鏡來講,該輸入光可視為點光源,其遠場發散角就是該點光源的“邊沿線”夾角;于是我們可根據透鏡的具體參數,簡單的用幾何光學的方法計算該準直系統的光斑大小和最大工作距離。
而從高斯函數,我們可以計算當通光孔徑多大時,光能的損失是多少。并不是通光區直徑等于或略大于光斑直徑時,光能就可以完全通過,事實上,此時的損耗高達0.6dB。簡單的估計,是讓通光直徑是光斑的2 倍或以上。
轉載請注明出處。