准直光束

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定义:发散角很小的激光光束

准直光束是指具有很小光束发散角,因此光束半径在一定传播距离后不会发生显著变化的光束(通常为激光光束)。最简单也最常见的情形是高斯光束,这表示瑞利长度比设想的传播距离长。例如,一束1064 nm的光束,束腰处的光束半径为1 mm,其瑞利长度在空气中约为3 m,因此在普通实验室的装置中都可以实现准直。由于瑞利长度与束腰半径的平方成正比,因此大的束腰半径更利于光束长距离的传播。

对于光束质量非理想化的光束,瑞利长度会减小,其减小的程度由M2因子决定。因此相对于理想情况,若要实现光束的准直,束腰半径需要更大。

通过透镜或者曲面镜可以很方便的将发散光束变成准直光束,只需选择合适的焦距或者曲率半径使得原先弯曲的波前变平即可。(透镜处或者曲面镜处的光束半径应该足够大来得到比较小的发散角。)通过调整透镜或者曲面镜在光束方向上的位置可以消除残余的发散。采用Shack-Hartmann传感器或者特定的干涉仪可以测量光束自由空间中传播一段距离内的光束半径变化,从而可以检验光束是否准直。

光纤光学中,通常会采用光纤准直器。适用于裸光纤和需要连接起来的光纤,也就是需要与光纤连接器连接起来的光纤。

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图1:透镜可以使光纤中出射的光准直,或者将准直的光束射入光纤中。

准直光束在通常实验中是非常有用、,因为其光束半径在传播过程基本保持不变,因此不需要任何额外的光学器件就可以在实验中很方便的变化各个光学器件之间的距离,并且也不会使光束半径变大。大多数固体激光器的输出光束本身就是准直的,一个平面的输出耦合器可以得到波前为平面的输出,而且束腰半径也会足够大从而避免过大的发散角。然而对于激光二极管,其输出光束的发散程度很大,因此通常都需要采用准直器件(至少是一个快轴准直器,可以大幅的减少快轴方向的发散度)。而对与光纤输出的光,采用一个简单的光学透镜就可以得到准直光束,当然如果利用非球面透镜还可以提高光束质量,特别是对于大数值孔径单模光纤情况。


参阅:激光光束高斯光束光束发散角光束半径瑞利长度透镜光纤准直器