工程光学第九章

9 现代光学系统9.1 激光光学系统9.2 光纤光学系统9.3 红外光学系统本章教学要点知识要点掌握程度相关知识高斯光束及其透镜变换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薄透镜的近轴成像规律；透镜对入射光束的准直和聚焦光纤的传光原理和重要特性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的折射定律和反射定律；全反射原理红外光学系统的工作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大孔径、小视场光学系统的像差特点；平面镜原理9.1.1高斯光束的特性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激光光学系统高斯光束的截面分布A(z)A0(z)A0(z)/ew(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。高斯光束的截面半径：zw0w(z)R(z)图9.2高斯光束的传播zθ模拟效果图（9.4）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)高斯光束的位相因子基模高斯光束的位相因子可表述为波面一点(x,y,z)相对于原点(0,0,0)的相位滞后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。(9.6)(9.7)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）9.1.2高斯光束的透镜变换高斯光束的成像规律l'-l-R1C'C图9.3高斯光束的透镜变换R2(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，即由式（9.8）可得(9.12)（9.13）结合(9.11)式可得到（9.14）

高斯光束的复曲率半径也满足近轴成像关系。束腰的放大率为（9.24）高斯光束的聚焦和准直为了提高激光光束的光功率密度，需要对激光束聚焦；为了减小光束的发散角，需要对高斯光束进行准直。高斯光束能聚焦成极小的光斑，其尺寸可以达到波长的量级，因此功率密度极高。通常利用聚焦光束进行打孔、切割和焊接等多种加工；此外还可以利用聚焦光斑小、空间分辨率高的优势实现高密度信息储存。当物距足够大、焦距足够小时，激光束可以被聚焦为很小的光斑。激光束的准直实际上就是在发散角和光斑大小之间求得一个可满足要求的平衡。

在实际应用中的激光准直系统中，通常采用二次透镜变换的方法。-l图9.4高斯光束的准直纤芯n1包层n2保护套图9.5光纤的基本结构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。9.2光纤光学系统n1I’IU图9.6阶跃型光纤n29.2.1阶跃型光纤要求纤芯折射率n1>包层折射率n2。其二、入射孔径角U要小于一个临界值。阶跃光纤的导光原理(9.27)即要光线在光纤内发生全反射，则入射在光纤输入端面的光线最大入射角Um应满足上式。阶跃光纤的数值孔径我们定义为光纤的数值孔径NA，即(9.28)光纤的数值孔径代表着光纤的传光能力，即能传输多大立体角内的光线。3.光纤耦合系统使激光器发散角满足要求光纤图9.7半导体激光器与光纤的耦合光纤隔离器准直镜半导体激光器聚焦镜9.2.2梯度折射率光纤梯度折射率光纤的特点是光纤横截面内的折射率不是均匀分布，而是和位置有关。图9.8梯度折射率光纤中的光线传播zrU0OU'0U'从上式可以看出，径向梯度折射率光纤子午线的数值孔径与n(0)和n(R)有关。由于梯度折射率光纤在传播方向上呈现周期性的会聚和发散，可利用不同长度的梯度折射率光纤实现不同的成像功能，这时候梯度折射率光纤的作用类似于一个成像透镜，称为自聚焦透镜。图9.9不同长度的自聚焦透镜的成像规律9.3.1红外光学系统的特点红外辐射集中在波长大于1m的不可见光区域。(2)大多数红外光学系统需要配备红外探测器使用。9.3红外光学系统(3)红外探测器在像差校正时主要考虑轴上点、轴外点可少考虑。(4)有些红外热成像、红外跟踪成像系统要求在一个较大的视场范围内搜索目标或成像，因而需要配合光机扫描装置来扩大成像视场。扫描摆镜主镜次镜探测器图9.10带扫描摆镜的红外光学系统(5)常见红外波段的波长约为可见光的5-20倍，依据衍射受限的爱里斑角半径公式：1.22/D，波长越长、弥散斑越大，从而系统分辨率越差。为提高分辨率，需要提高系统的孔径D。9.3.2典型红外光学系统红外测温仪系统红外测温仪是用于测量目标物体的辐射温度或其他辐射特性的仪器。图9.11透射式红外测温仪

(a)透射式红外测温仪的光路系统 (b)调制盘L1L3分束镜分划板参考辐射源调制盘(a)(b)瞄准系统探测器控制系统红外热像仪系统12345678图9.12红外热成像系统光路示意图1—保护玻璃2—主镜3—次镜4—望远系统后