準(zhǔn)直光束是指具有很小光束發(fā)散角,因此光束半徑在一定傳播距離后不會(huì)發(fā)生顯著變化的光束(通常為激光光束)。
簡(jiǎn)單也常見(jiàn)的情形是高斯光束,這表示瑞利長(zhǎng)度比設(shè)想的傳播距離長(zhǎng)。例如,一束1064 nm的光束,束腰處的光束半徑為1 mm,其瑞利長(zhǎng)度在空氣中約為3 m,因此在普通實(shí)驗(yàn)室的裝置中都可以實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直。
由于瑞利長(zhǎng)度與束腰半徑的平方成正比,因此大的束腰半徑更利于光束長(zhǎng)距離的傳播。
對(duì)于光束質(zhì)量非理想化的光束,瑞利長(zhǎng)度會(huì)減小,其減小的程度由M2因子決定。因此相對(duì)于理想情況,若要實(shí)現(xiàn)光束的準(zhǔn)直,束腰半徑需要更大。
通過(guò)透鏡或者曲面鏡可以很方便的將發(fā)散光束變成準(zhǔn)直光束,只需選擇合適的焦距或者曲率半徑使得原先彎曲的波前變平即可。(透鏡處或者曲面鏡處的光束半徑應(yīng)該足夠大來(lái)得到比較小的發(fā)散角。)通過(guò)調(diào)整透鏡或者曲面鏡在光束方向上的位置可以消除殘余的發(fā)散。采用Shack-Hartmann傳感器或者特定的干涉儀可以測(cè)量光束自由空間中傳播一段距離內(nèi)的光束半徑變化,從而可以檢驗(yàn)光束是否準(zhǔn)直。
光纖光學(xué)中,通常會(huì)采用光纖準(zhǔn)直器。適用于裸光纖和需要連接起來(lái)的光纖,也就是需要與光纖連接器連接起來(lái)的光纖。
圖1:透鏡可以使光纖中出射的光準(zhǔn)直,或者將準(zhǔn)直的光束射入光纖中。
準(zhǔn)直光束在通常實(shí)驗(yàn)中是非常有用、,因?yàn)槠涔馐霃皆趥鞑ミ^(guò)程基本保持不變,因此不需要任何額外的光學(xué)器件就可以在實(shí)驗(yàn)中很方便的變化各個(gè)光學(xué)器件之間的距離,并且也不會(huì)使光束半徑變大。
大多數(shù)固體激光器的輸出光束本身就是準(zhǔn)直的,一個(gè)平面的輸出耦合器可以得到波前為平面的輸出,而且束腰半徑也會(huì)足夠大從而避免過(guò)大的發(fā)散角。
然而對(duì)于激光二極管,其輸出光束的發(fā)散程度很大,因此通常都需要采用準(zhǔn)直器件(至少是一個(gè)快軸準(zhǔn)直器,可以大幅的減少快軸方向的發(fā)散度)。
而對(duì)與光纖輸出的光,采用一個(gè)簡(jiǎn)單的光學(xué)透鏡就可以得到準(zhǔn)直光束,當(dāng)然如果利用非球面透鏡還可以提高光束質(zhì)量,特別是對(duì)于大數(shù)值孔徑的單模光纖情況。
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