工程光学第9章课件.ppt

本章教学要点 目录 9.1 激光光学系统 9.2 光纤光学系统 9.3 红外光学系统 二、高斯光束的透镜变换 目录 9.1 激光光学系统 9.2 光纤光学系统 9.3 红外光学系统 光纤是由光纤预制棒拉伸而成的细长光学纤维，其基本结构如图9.5所示。由于能够将光信号约束在狭小的纤芯中传播较远的距离且衰减很小，光纤在通信、医学、工业、国防、传感等领域得到了重要应用。光纤根据其传光特性分为两种，一种是阶跃型光纤，即光纤的纤芯和包层分别为折射率不同的均匀透明介质，因此光线在阶跃型光纤内的传输是以全反射和直线传播的方式进行。另一种是梯度折射率光纤，即光纤的中心到边缘折射率呈梯度变化，因此光线在光纤内的传播轨迹呈曲线形式。本节主要介绍阶跃型光纤和渐变折射率光纤的传光原理和重要特性。 一、阶跃型光纤 阶跃光纤的剖面如图9.6所示。为使光线约束在纤芯层中传播，必须满足全反射条件：其一、要求纤芯折射率n1包层折射率n2；其二、入射孔径角U要小于一个临界值，使得进入光纤的光线到达纤芯和包层的光滑分界面时，入射角I大于临界角Im。依据折射定律，孔径角U与入射角I的关系可表示为 二、梯度折射率光纤 目录 9.1 激光光学系统 9.2 光纤光学系统 9.3 红外光学系统 一、红外光学系统的特点 一、红外光学系统的特点 二、典型红外光学系统 * 第9章 现代光学系统 大孔径、小视场光学系统的像差特点；平面镜原理 掌握红外光学系统的特点； 了解红外测温仪、红外热像仪、红外跟踪系统的工作原理 红外光学系统的工作原理 光的折射定律和反射定律；全反射原理 掌握阶跃型光纤和渐变折射率光纤的传光原理； 了解光纤耦合和自聚焦透镜的基本原理 光纤的传光原理和重要特性 薄透镜的近轴成像规律； 透镜对入射光束的准直和聚焦 熟悉高斯光束的特性及其表征；重点掌握高斯光束经透镜变换所满足的基本规律 高斯光束及其透镜变换 相关知识 掌握程度 知识要点 一、高斯光束的特性 1．高斯光束在空间的场分布函数 高斯光束传播中的三个重要参数： 高斯光束在位置z处的截面半径w(z)、波面曲率半径R(z)、相位因子?00(x,y,z)。 （9.1） 2．高斯光束的截面分布 A(z) A0(z) A0(z)/e w(z) 图9.1 高斯光束截面的振幅分布曲线 r 高斯光束的截面半径为振幅下降到中心振幅A0(z)的1/e时的光束半径 。 3．高斯光束的截面半径： z w0 w(z) R(z) 图9.2 高斯光束的传播 z θ 模拟效果图 （9.4） 4. 高斯光束的曲率半径 高斯光束在位置z处的曲率半径R(z)可表示为 可以看出，高斯光束在传播过程中，每一点处的光束波面的曲率半径均不一样，且经历了由无穷大开始逐渐减小，达到最小值后又开始增大，直到在无限远处又达到无穷大的过程。 对高斯光束截面半径和曲率半径分析可知，激光的传播与点光源发出的同心光束的传播不同，同心光束的传播可仅由一个参数曲率半径来表征，而激光的传播则需要两个参数：高斯光束的截面半径和波面曲率半径。 (9.5) 5. 高斯光束的位相因子 基模高斯光束的位相因子可表述为 相位因子描述了高斯光束传播过程中波面一点(x, y, z)相对于原点(0, 0, 0)的相位滞后 6. 高斯光束的远场发散角 发散角是激光光束的重要参量，它描述了光束的发散程度。从图9.2可以看出，高斯光束的发散角θ可以用光斑半径分布双曲线的渐近线与z轴的夹角来表示，则有 (9.6) (9.7) 7. 高斯光束传播的复参数表示——q参数 高斯光束的复曲率半径q(z)定义为 当z=0，由上式可以得到 将式(9.4)、(9.5)和(9.9)代入式(9.8)可得 同心球面波沿z轴传播时曲率半径满足：R=R0+z，对比上式，高斯光束的复曲率半径和同心球面波的波面曲率半径R的作用是相同的。 (9.8) （9.9） （9.10） 1. 高斯光束的成像规律 l -l -R1 C C 图9.3 高斯光束的透镜变换 R2 现分析高斯光束经过理想透镜后的成像规律。对于高斯光束的成像，其物面可看作物方束腰所在位置，像面可看作像方束腰所在位置。如图9.3所示，在紧贴透镜的前后面，曲率中心为C，曲率半径为-R1的高斯光束经焦距为f的透镜变换后，变成曲率中心为C，曲率半径为R2的高斯光束。在近轴区内可以将高斯光束的波面看成一个球面波，则透镜前后的球面波满足成像公式 (9.11) 当透镜为薄透镜的时候，高斯光束在透镜前后具有相同的通光口径，即 由图9.3可知，R1不等于l，R2不等于l，即虽然在近轴区内高斯光束可以近似看为球面波，但不同位置处的球面波的曲率半径不同，其球心也不与束腰重合。只有当高斯光束的传播距离较远、光束波面距束腰较远时，波面曲率半径中