通常情形,激光諧振腔發(fā)出的基模輻射場,其橫截面的振幅分布遵守高斯函數(shù),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(guān)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?shù)牡胤?。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(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,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,是在遠處沿傳播方向成特定角度擴散,該角度即是光束的遠場發(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。光斑描述如下圖
我們用感光片可以看到,在近距離時,準(zhǔn)直器發(fā)出的光在一定范圍內(nèi)近似成平行光,距離稍遠,光斑逐漸發(fā)散,亮點變?nèi)踝兇螅豢墒菑墓饫w出來的光,很快就發(fā)散;這是因為,準(zhǔn)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(zhǔn)直器最大工作距離的定義,往往可理解為該準(zhǔn)直器輸出光斑的共焦參數(shù),該參數(shù)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(zhǔn)直器,必然要把光斑做大,透鏡相應(yīng)要加長加粗。
我們對于準(zhǔn)直系統(tǒng)的計算,理論根據(jù)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(fā)散角就是該點光源的“邊沿線”夾角;于是我們可根據(jù)透鏡的具體參數(shù),簡單的用幾何光學(xué)的方法計算該準(zhǔn)直系統(tǒng)的光斑大小和最大工作距離。
而從高斯函數(shù),我們可以計算當(dāng)通光孔徑多大時,光能的損失是多少。并不是通光區(qū)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。
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