高斯光束与光束光学

高斯光束是激光的基本模式，具有横向强度呈钟形曲线分布、最小束腰和特征发散角。

Definition

将激光束描述为高斯模式，其横向振幅分布呈高斯形，其特征在于束腰、光斑尺寸、发散角和波前曲率，这些参数根据傍轴波动方程沿传播方向演变。

Scope

本主题涵盖了激光束的传播，激光束通过傍轴波动方程的高斯光束解可以很好地描述。它包括束腰和光斑尺寸、标志着从近场到远场过渡的瑞利长度、远场发散角及其与束腰尺寸的逆关系、波前曲率半径、古依相移、复光束参数及其通过ABCD定律经透镜的变换、光束的聚焦和准直，以及比较实际光束与理想光束的光束质量因子。它提供了激光应用的实用光学知识。

Core questions

• 高斯光束的宽度和波前在传播过程中如何变化？
• 束腰尺寸、瑞利长度和发散角之间有什么关系？
• 透镜如何变换高斯光束？
• 如何量化实际激光束的质量？

Key concepts

• 高斯光束
• 束腰
• 光斑尺寸
• 瑞利长度
• 光束发散角
• 波前曲率
• 复光束参数
• 光束质量因子

Key theories

高斯光束传播

基本光束保持高斯横向分布，其光斑尺寸从最小束腰开始增大，瑞利长度设定了焦深，远场发散角与束腰成反比。

复光束参数的ABCD定律

高斯光束由一个结合了光斑尺寸和波前曲率的单一复参数表示，该参数通过任何傍轴系统，按照几何光学中使用的相同ABCD射线矩阵元素进行变换。

Clinical relevance

高斯光束光学决定了外科和眼科激光如何聚焦到组织上受控的光斑和焦深，从而决定了切割、消融和光凝的精度以及激光能量的安全传递。

History

高斯光束和稳定谐振腔模式的理论在20世纪60年代早期被提出，特别是Kogelnik和Li，他们推导出了至今仍是标准的传播定律和射线矩阵描述。Siegman后来将该领域系统化，并引入了用于表征实际光束的光束质量因子。

Key figures

• Anthony E. Siegman
• Herwig Kogelnik
• Tingye Li

Seminal works

• salehteich2019
• siegman1986

Frequently asked questions

为什么激光束看起来是平行的，但实际上会扩散？

衍射使任何有限光束都会发散；高斯光束在其瑞利长度内保持近似准直，但超出该范围后会以与其束腰尺寸成反比的角度扩散，因此聚焦越紧密的光束发散越快。

激光能否聚焦到任意小的光斑？

不能；最小焦斑受衍射和光束质量的限制，更小的光斑需要更大的聚焦孔径和更短的波长，并且更紧密的聚焦会以更短的焦深为代价。