激光光束变换.pdf

分类号 密级 U D C 激光光束变换及其应用  高明伟 魏光辉（教授） 导师姓名(职称)高春清（教授）答辩委员会主席 霍玉晶教授 申请学科门类 工 学 论文答辩日期 申请学位专业 物理电子学 2004 年 8 月 27 日 Laser beam transformation And its application Dissertation Submitted to Beijing Institute of Technology For the degree of Doctorate of Philosophy By Gao Mingwei Supervisor: Prof. Wei Guanghui Prof. Gao Chunqing Aug,2004 摘 要 本论文围绕相干和部分相干的激光光束变换，重点研究了以下内容： 1. 激光束参数的表征与测量的理论 2. 光束的角动量以及利用光束变换的方法获得具有轨道角动量的拉盖尔环形高斯 光束的方法及其应用 3. 利用光束变换的方法实现部分相干的大功率半导体激光器阵列的光束整形。 很早人们就认识到光束具有线动量和角动量，Poynting 首先从理论上阐述了光束角动 量的力学特性，1936 年Beth 首先用实验证明了光束具有角动量。后来人们逐渐认识到光 束还可以具有与光束横截面相位分布有关的角动量，称之为轨道角动量。1992 年L.Allen 等首先在实验中证明了拉盖尔高斯光束具有轨道角动量。由于拉盖尔环形高斯光束的具有 螺旋型的特殊相位分布，目前在生物科学、材料科学以及光通信等领域具有很好的应用前 景。 大功率半导体激光器具有体积小、重量轻、转换效率高、工作寿命长等优点，被广泛 应用于材料加工、泵浦固体激光器、激光医疗、通信以及军事等领域，在许多方面已经取 代传统的固体和气体激光器。但是由于半导体激光器输出光束存在严重的像散，为获得泵 浦固体激光器等技术应用要求的旋转对称光束，常常采用光束变换的方法进行光束的对称 化，我们称其为光束整形。 本论文在详细阐述前人已经进行研究的多种光束整形方案的基础上提出了一种适用 于相干和部分相干光束的整形方案。实现了： 1.像散光束的旋转对称化 2.获得具有角动量的拉盖尔高斯光束，并制成光学扳手作用于水溶液中的介电微 粒，使其旋转运动，宏观上显示出光束的角动量 要实现准确光束变换的前提是准确了解光束的各种参数。激光光束参数主要包括光束 的偏振，波长，与光束相干性有关参数，以及与光束光强分布有关的参数。本论文中主要 讨论与光束相干性有关参数以及光束光强分布有关参数的定义和测量方法。论文首先讨论 了各种光束参数的定义以及测量方法，实际测量了模式发生器产生的单一横模和混合模式 的厄米高斯光束的光束参数。论文第二部分主要讨论了光束的角动量及其应用。利用 Maxwell 方程组，在慢变近似的条件下详细推导了准单色平面波的角动量表达式，由表达 式可以看出光束的角动量分为两部分：一部分是与光束横截面上的相位分布有关的角动 量，称为轨道角动量；另一部分是与光束偏振特性有关的自旋角动量。论文中重点研究了 拉盖尔高斯光束的轨道角动量，以及通过光束变换产生拉盖尔高斯光束的方法和光束变换 过程中的动量传递。讨论了具有轨道角动量的拉盖