高斯光束特性分析及其应用

第４３卷　第１期２０１９年１月

激 光 技 术ＬＡＳＥＲＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ

Ｖｏｌ．４３，Ｎｏ．１Ｊａｎｕａｒｙ，２０１９

文章编号：１００１-３８０６（２０１９）０１-０１４２-０５

高斯光束特性分析及其应用

叶大华

（西南技术物理研究所，成都６１００４１）

摘要：为了在实际应用过程中更好地理解和应用高斯光束的特性，采用理论计算公式推导了桶中功率、到靶功率密度、亮度的公式，对几种特殊情况的归一化参量进行了计算和对比，并对实际使用中容易产生混淆的问题进行了分析。结果表明，该研究对于激光系统的设计和使用具有一定的参考价值。

关键词：激光物理；高斯光束；桶中功率；到靶功率密度；亮度

中图分类号：ＴＮ２４１ 文献标志码：Ａ ｄｏｉ：１０．７５１０/jｇjｓ．ｉｓｓｎ．１００１-３８０６．２０１９．０１．０２８

ＡｎａｌｙｓｉｓｏｆｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＧａｕｓｓｉａｎｂｅａｍａｎｄｉｔｓａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ

ＹＥＤａｈｕａ

（ＳｏｕｔｈｗｅｓｔＩｎｓｔｉｔｕｔｅｏｆＴｅｃｈｎｉｃａｌＰｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｅｎｇｄｕ６１００４１，Ｃｈｉｎａ）

Ａｂｓｔｒａｃｔ：ＩｎｏｒｄｅｒｔｏｂｅｔｔｅｒｕｎｄｅｒｓｔａｎｄｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓａｎｄｔｏｅｘｔｅｎｄｔｈｅａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆＧａｕｓｓｉａｎｂｅａｍｓ，ｂａｓｅｄｏｎｔｈｅｂａｓｉｃｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆＧａｕｓｓｉａｎｂｅａｍ，ｔｈｅｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎｓｆｏｒｐｏｗｅｒｉｎｂｕｃｋｅｔ，ｐｏｗｅｒｄｅｎｓｉｔｙｏｎｔｈｅｔａｒｇｅｔａｎｄｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓｗｅｒｅｄｅｄｕｃｅｄ．Ｔｈｅｎｏｒｍａｌｉｚｅｄｐａｒａｍｅｔｅｒｓｗｅｒｅｃａｌｃｕｌａｔｅｄａｎｄｃｏｍｐａｒｅｄｆｏｒｓｏｍｅｓｐｅｃｉｆｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｖａｒｉｏｕｓｑｕｅｓｔｉｏｎｓｉｎｔｅｎｄｉｎｇｔｏｂｅｍｉｘｅｄｉｎａｃｔｕａｌａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｗｅｒｅａｎａｌｙｚｅｄ．Ｔｈｅａｎａｌｙｔｉｃａｌｒｅｓｕｌｔｓａｒｅｈｅｌｐｆｕｌｆｏｒｔｈｅｄｅｓｉｇｎａｎｄａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓｏｆｌａｓｅｒｓｙｓｔｅｍｓ．

Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｌａｓｅｒｐｈｙｓｉｃｓ；Ｇａｕｓｓｉａｎｂｅａｍ；ｐｏｗｅｒｉｎｂｕｃｋｅｔ；ｐｏｗｅｒｄｅｎｓｉｔｙｏｎｔｈｅｔａｒｇｅｔ；ｂｒｉｇｈｔｎｅｓｓ

作者简介：叶大华（１９６８-），男，研究员，主要从事激光技术的研究。

Ｅ-ｍａｉｌ：ｙｅｄａｈｕａ@ｓｉｎａ．ｃｏｍ

收稿日期：２０１７-０８-０８；收到修改稿日期：２０１７-１０-２７

引　言

稳定激光腔输出的激光束属于各种类型的高斯光束，非稳腔输出的基模光束经准直后，在远场的强度分

布也接近高斯分布[

１]

。高能激光大都采用非稳腔结构，因此研究高斯光束的特性对激光谐振腔和激光系统的设计和实际使用都具有十分重要的意义。

针对高斯光束，目前的研究主要侧重于其传输特

性[１-５]

。参考文献[１]中分析了完全相干和非相干平

顶高斯光束的传输特性。参考文献[３]中分析了近海面大气湍流中的光斑扩展半径的影响因素。参考文献[４]中分析了扩束系统参量对高斯光束传输特性的影响。参考文献[５]中分析了高斯光束光谱经自由空间和湍流大气传输的特性。另外，参考文献[６]中分析了高斯光束合成的相对峰值强度和光束质量随合成光束的束数与间距的影响。

而在工程实践中，需要了解高斯光束的基本特性。

在研究激光与物质相互作用的过程中，更关心激光束的桶中功率、到靶功率密度、亮度等强度特性参量。本文中对上述参量进行了公式推导。并推导了损伤阈值的公式，对实际设计过程中光学口径的要求提出了建议。同时，对教科书与国际标准不一致的概念做了说明，对实际使用容易产生混淆的几个问题进行了分析。

１　高斯光束的特征

１．１　高斯光束的基本性质

根据定义，高斯光束是指光束横截面的电场振幅或者光强分布是高斯函数的光束，如图１所示。图中，ｗ０为光束束腰半径；θ为光束的远场发散角；λ为激光

波长；ｗ（ｚ）为电场振幅为轴上幅值的１/ｅ时的半径，

Ｆｉｇ．１　ＣｏｎｔｏｕｒｏｆａＧａｕｓｓｉａｎｂｅａｍｎｅａｒｚ=０ｉｎｔｈｅｖｉｃｉｎｉｔｙｏｆｔｈｅｃｏｎｆｏｃａｌ

ｒｅｇｉｏｎｂ=２ｚＲ

万方数据