高斯光束通过光学系统的变换理论及仿真开题报告

1. 研究目的与意义（文献综述）

对于使用稳定腔的激光器，其所发出的激光光束将以高斯光束的形式在空间传输。因此，研究高斯光束在空间的传输规律，以及光学系统对高斯光束的变换规律，也就成为激光传输在理论上和实际应用中的重要问题。

由衍射理论得出，对于采用方形镜和圆形镜的谐振腔，镜面上的光场分布可以分别用hermite高斯函数和laguerre高斯函数描述，腔内外的光场可以分别在直角坐标系和柱坐标系下表示为hennite高斯光束和laguerre高斯光束的形式。1997年，美国casperson和tovar等人证明了正弦类高斯函数也是傍轴波动方程的解，在此基础上提出了一类新的光束，即正弦类高斯光束。次年，他们又进一步提出了更为一般化的hermite正弦类高斯光束，并研究了该类光束的产生方法和传输特性。在此基础上，国内学者吕百达、郭弘、赵道木、周南润等人与其科研小组分别研究了cosh高斯光束、herrnite-cosh高斯光束、离轴herrnite-cosh高斯光束、hennite-cosine高斯光束、离轴hermite-cosine高斯光束通过多种复杂光学系统的传输特性。土耳其学者eyyuboglu和baykal研究了正弦类高斯光束以及hermite正弦类高斯光束通过湍流大气的传输特性。

在激光加工中，常要对激光器输出的高斯光束进行传输和变换，以获得较好的光束质量和较小的光斑尺寸。为了获得光束质量较好、光斑尺寸较小、功率密度较高的、适合激光加工的激光束，对激光加工中的高斯光束进行传输与变换.先对高斯光束的特性及其传输变换进行了理论分析，而后在实际中加以验证。结果表明，经过这种传输变换后可获得光斑直径较小的、功率密度较高的、可用于激光加工的激光束，说明这种传输变换是可行有效的。利用激光作光源解决不同问题时，一般情况下都要使用光学系统对激光束(即高斯光束)进行变换，光学系统对高斯光束变换与常规(几何)光束变换是不同的。如果在光学上仍然用常规方法去处理高斯光束显然是不妥的，并可能导致实验结果不准确。因此在激光系统中光学系统的作用不仅取决于其光学特性，而且还取决于激光束参数和光学系统在激光系统中的位置。

2. 研究的基本内容与方案

基本内容：研究高斯光束的特点，如高斯光束横截面内的场强分布，高斯光束在均匀介质中的传播特性以及高斯光束的束腰半径。在此基础上研究高斯光束通过单一透镜的变换和经过凹面镜反射的变换。根据研究结果设计出高斯光束的准直聚焦系统，对高斯光束通过该光学系统的变换进行仿真，分析仿真结果并研究各参量对高斯光束质量的影响，调整参量，设计出高斯光束聚焦准直系统。

目标：高斯光束通过光学系统的变换理论分析结果与仿真结果吻合，得到准直的高斯光束。

拟采用的技术方案及措施：根据高斯光束的传播特性，对其进行矩阵变换分析，研究高斯光束通过各种单一光学系统的矩阵变换理论及仿真。如：高斯光束通过凸透镜的矩阵变换理论及仿真，高斯光束通过凹透镜的矩阵变换理论及仿真以及高斯光束通过厚玻璃板的矩阵变换及仿真。根据以上实验结果设计出高斯光束的聚焦准直系统，最后对高斯光束通过该光学系统的变换进行matlab仿真。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，明确研究内容，查阅高斯光束的相关知识以及高斯光束通过光学系统的变换理论。确定方案，完成开题报告。

第4－8周：研读国内外有关高斯光束的文献，明确高斯光束理论，掌握高斯光束通过光学系统的矩阵变换理论并完成高斯光束通过光学系统的变换理论建模。

第9－13周：利用matlab仿真软件完成高斯光束通过光学系统的变换理论仿真，给出仿真结果并对仿真结果进行分析。

4. 参考文献（12篇以上）

[1]吴从均，颜昌翔，高志良.空间激光通信发展概述[j].中国光学,2013,6(5):670-680.

[2]李艳华，胡黎明. 半导体激光器在医疗领域的新应用与进展[j].光机电信息,2010,27(7):27-34.

[3]刘晓东，王松，赵凯华等.激光切割技术国内外研究现状[j]. 金属铸锻焊技术,2012,41(09):214-216.