工程光學(xué)第九章

9 現(xiàn)代光學(xué)系統(tǒng)9.1 激光光學(xué)系統(tǒng)9.2 光纖光學(xué)系統(tǒng)9.3 紅外光學(xué)系統(tǒng)本章教學(xué)要點知識要點掌握程度相關(guān)知識高斯光束及其透鏡變換熟悉高斯光束的特性及其表征；重點掌握高斯光束經(jīng)透鏡變換所滿足的基本規(guī)律薄透鏡的近軸成像規(guī)律；透鏡對入射光束的準直和聚焦光纖的傳光原理和重要特性掌握階躍型光纖和漸變折射率光纖的傳光原理；了解光纖耦合和自聚焦透鏡的基本原理光的折射定律和反射定律；全反射原理紅外光學(xué)系統(tǒng)的工作原理掌握紅外光學(xué)系統(tǒng)的特點；了解紅外測溫儀、紅外熱像儀、紅外跟蹤系統(tǒng)的工作原理大孔徑、小視場光學(xué)系統(tǒng)的像差特點；平面鏡原理9.1.1高斯光束的特性高斯光束在空間的場分布函數(shù)高斯光束傳播中的三個重要參數(shù)：高斯光束在位置z處的截面半徑w(z)、波面曲率半徑R(z)、相位因子00(x,y,z)。9.1激光光學(xué)系統(tǒng)高斯光束的截面分布A(z)A0(z)A0(z)/ew(z)圖9.1高斯光束截面的振幅分布曲線r高斯光束的截面半徑為振幅下降到中心振幅A0(z)的1/e時的光束半徑。高斯光束的截面半徑：zw0w(z)R(z)圖9.2高斯光束的傳播zθ模擬效果圖（9.4）高斯光束的曲率半徑高斯光束在位置z處的曲率半徑R(z)可表示為而激光的傳播則需要兩個參數(shù)：高斯光束的截面半徑和波面曲率半徑。(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為波面一點(x,y,z)相對于原點(0,0,0)的相位滯后高斯光束的遠場發(fā)散角發(fā)散角是激光光束的重要參量，它描述了光束的發(fā)散程度。(9.6)(9.7)高斯光束傳播的復(fù)參數(shù)表示——q參數(shù)高斯光束的復(fù)曲率半徑q(z)定義為當z=0，由上式可以得到將式(9.4)、(9.5)和(9.9)代入式(9.8)可得高斯光束的復(fù)曲率半徑和同心球面波的波面曲率半徑R的作用是相同的。

(9.8)

（9.9）（9.10）9.1.2高斯光束的透鏡變換高斯光束的成像規(guī)律l'-l-R1C'C圖9.3高斯光束的透鏡變換R2(9.11)當透鏡為薄透鏡的時候，高斯光束在透鏡前后具有相同的通光口徑，即由式（9.8）可得(9.12)（9.13）結(jié)合(9.11)式可得到（9.14）

高斯光束的復(fù)曲率半徑也滿足近軸成像關(guān)系。束腰的放大率為（9.24）高斯光束的聚焦和準直為了提高激光光束的光功率密度，需要對激光束聚焦；為了減小光束的發(fā)散角，需要對高斯光束進行準直。高斯光束能聚焦成極小的光斑，其尺寸可以達到波長的量級，因此功率密度極高。通常利用聚焦光束進行打孔、切割和焊接等多種加工；此外還可以利用聚焦光斑小、空間分辨率高的優(yōu)勢實現(xiàn)高密度信息儲存。當物距足夠大、焦距足夠小時，激光束可以被聚焦為很小的光斑。激光束的準直實際上就是在發(fā)散角和光斑大小之間求得一個可滿足要求的平衡。

在實際應(yīng)用中的激光準直系統(tǒng)中，通常采用二次透鏡變換的方法。-l圖9.4高斯光束的準直纖芯n1包層n2保護套圖9.5光纖的基本結(jié)構(gòu)光纖是由光纖預(yù)制棒拉伸而成的細長光學(xué)纖維，其基本結(jié)構(gòu)如圖9.5所示。由于能夠?qū)⒐庑盘柤s束在狹小的纖芯中傳播較遠的距離且衰減很小，光纖在通信、醫(yī)學(xué)、工業(yè)、國防、傳感等領(lǐng)域得到了重要應(yīng)用。9.2光纖光學(xué)系統(tǒng)n1I’IU圖9.6階躍型光纖n29.2.1階躍型光纖要求纖芯折射率n1>包層折射率n2。其二、入射孔徑角U要小于一個臨界值。階躍光纖的導(dǎo)光原理(9.27)即要光線在光纖內(nèi)發(fā)生全反射，則入射在光纖輸入端面的光線最大入射角Um應(yīng)滿足上式。階躍光纖的數(shù)值孔徑我們定義為光纖的數(shù)值孔徑NA，即(9.28)光纖的數(shù)值孔徑代表著光纖的傳光能力，即能傳輸多大立體角內(nèi)的光線。3.光纖耦合系統(tǒng)使激光器發(fā)散角滿足要求光纖圖9.7半導(dǎo)體激光器與光纖的耦合光纖隔離器準直鏡半導(dǎo)體激光器聚焦鏡9.2.2梯度折射率光纖梯度折射率光纖的特點是光纖橫截面內(nèi)的折射率不是均勻分布，而是和位置有關(guān)。圖9.8梯度折射率光纖中的光線傳播zrU0OU'0U'從上式可以看出，徑向梯度折射率光纖子午線的數(shù)值孔徑與n(0)和n(R)有關(guān)。由于梯度折射率光纖在傳播方向上呈現(xiàn)周期性的會聚和發(fā)散，可利用不同長度的梯度折射率光纖實現(xiàn)不同的成像功能，這時候梯度折射率光纖的作用類似于一個成像透鏡，稱為自聚焦透鏡。圖9.9不同長度的自聚焦透鏡的成像規(guī)律9.3.1紅外光學(xué)系統(tǒng)的特點紅外輻射集中在波長大于1m的不可見光區(qū)域。(2)大多數(shù)紅外光學(xué)系統(tǒng)需要配備紅外探測器使用。9.3紅外光學(xué)系統(tǒng)(3)紅外探測器在像差校正時主要考慮軸上點、軸外點可少考慮。(4)有些紅外熱成像、紅外跟蹤成像系統(tǒng)要求在一個較大的視場范圍內(nèi)搜索目標或成像，因而需要配合光機掃描裝置來擴大成像視場。掃描擺鏡主鏡次鏡探測器圖9.10帶掃描擺鏡的紅外光學(xué)系統(tǒng)(5)常見紅外波段的波長約為可見光的5-20倍，依據(jù)衍射受限的愛里斑角半徑公式：1.22/D，波長越長、彌散斑越大，從而系統(tǒng)分辨率越差。為提高分辨率，需要提高系統(tǒng)的孔徑D。9.3.2典型紅外光學(xué)系統(tǒng)紅外測溫儀系統(tǒng)紅外測溫儀是用于測量目標物體的輻射溫度或其他輻射特性的儀器。圖9.11透射式紅外測溫儀

(a)透射式紅外測溫儀的光路系統(tǒng) (b)調(diào)制盤L1L3分束鏡分劃板參考輻射源調(diào)制盤(a)(b)瞄準系統(tǒng)探測器控制系統(tǒng)紅外熱像儀系統(tǒng)12345678圖9.12紅外熱成像系統(tǒng)光路示意圖1—保護玻璃2—主鏡3—次鏡4—望遠系統(tǒng)后