高斯光束傳輸
關注創建者：匿名 創建時間：2026-01-04
高斯光束傳輸的實例教程
概述
與相同頻率的平面波相比，聚焦高斯光束傳輸時會產生額外的相移。這種相移是由德國科學家Gouy發現的，故稱為古伊相移。其定義為：
其中zR為高斯光束的瑞利長度，z=0對應高斯光束的束腰位置。高斯光束傳輸經過束腰位置前后時對應的古伊相移為?。高斯光束聚焦傳輸過程中會產生古伊相移的根本原因在于：高斯光束可以視為一系列不同空間頻率分量的平面波的集合。那些傳輸方向與光軸方向存在一定角度的平面波分量在傳輸過程中經歷了一些相移。這些分量的綜合作用使得高斯光束相對于沿光軸方向傳輸的平面波產生了古伊相移。
系統描述
本例介紹了球面高斯光束的相位移動。高斯光束在束腰處的表達式為：
一個球面高斯光波添加了一個二次相位因子之后表達式為：
k為波數，R為相位面的半徑。在束腰處R=∞，相位因子消失。
為了精確量化菲涅耳衍射，高斯光束的傳輸需要按照下面的公式進行：
分別考慮上表中的每一項，在瑞利長度中，振幅下降到原來的，相位偏轉-45°，得到的值為(0.5,-0.5)，在1e9位置處，相位偏轉-90°。從束腰處負的傳播導致正的相位偏轉因子。在1e9位置處，振幅大小為2.946e-6。
展開 概述
與相同頻率的平面波相比，聚焦高斯光束傳輸時會產生額外的相移。這種相移是由德國科學家Gouy發現的，故稱為古伊相移。其定義為：
其中zR為高斯光束的瑞利長度，z=0對應高斯光束的束腰位置。高斯光束傳輸經過束腰位置前后時對應的古伊相移為?。高斯光束聚焦傳輸過程中會產生古伊相移的根本原因在于：高斯光束可以視為一系列不同空間頻率分量的平面波的集合。那些傳輸方向與光軸方向存在一定角度的平面波分量在傳輸過程中經歷了一些相移。這些分量的綜合作用使得高斯光束相對于沿光軸方向傳輸的平面波產生了古伊相移。
系統描述
本例介紹了球面高斯光束的相位移動。高斯光束在束腰處的表達式為：
一個球面高斯光波添加了一個二次相位因子之后表達式為：
k為波數，R為相位面的半徑。在束腰處R=∞，相位因子消失。
為了精確量化菲涅耳衍射，高斯光束的傳輸需要按照下面的公式進行：
分別考慮上表中的每一項，在瑞利長度中，振幅下降到原來的，相位偏轉-45°，得到的值為(0.5,-0.5)，在1e9位置處，相位偏轉-90°。從束腰處負的傳播導致正的相位偏轉因子。在1e9位置處，振幅大小為2.946e-6。
展開 有以下三種工具可在 OpticStudio 的序列模式中模擬高斯光束傳播：
基于光線的方式
近軸高斯光束分析
物理光學傳播
本系列的三篇文章旨在介紹如何創建一個高斯激光光源、如何分析光束通過光學系統時的傳播和如何使用上述三種方式優化至最小光斑。上周我們講到了本系列文章的第一篇：ZEMAX | 如何在 OpticStudio 中模擬激光光束傳播：第一部分-高斯光束理論和基于光線的方式。
本文也會介紹適用于特定情況的最佳模擬方式，是系列文章的第二篇，重點介紹如何使用近軸高斯光束分析工具對高斯光束建模。聯系我們下載文章中的附件。
介紹
OpticStudio 序列模式提供了三種模擬高斯光束傳播的工具：基于光線的方式、近軸高斯光束和物理光學傳播 (POP)。基于光線的方式利用幾何光線追跡來建模光束傳播。近軸高斯光束計算高斯光束通過近軸光學系統傳播時的各種光束數據，包括光束尺寸和束腰位置。而 POP 通過傳播相干波前來模擬激光光束，能對任意相干光束進行詳細的研究。本系列的三篇文章討論了如何使用這三種方法來建模高斯光束。本文將介紹方法2 - 用近軸高斯光束模擬激光光束傳播。
近軸高斯光線分析
該工具在分析 (Analyze)... 激光和光纖 (Lasers and Fibers)... 高斯光束 (Gaussian Beams)…近軸高斯光束 (Paraxial Gaussian Beam) 中。近軸高斯光束分析是一種交互式功能，可以作為一個“計算器”快速計算高斯光束的特性。該功能需要定義初始輸入光束的屬性及其M2值，來模擬理想模式和混合模式的高斯光束。它的優點是允許您輸入理想模式和混合模式 (M2>1) 兩種狀態的高斯光束，并顯示光束傳播至光學系統每個表面時的光束數據。
展開 文件：Launching light into a single-mode fiber .fpw
研究非理想的入射條件下，單模光纖內多光束的傳輸特性。設定入射光為高斯型（不完全匹配光纖的導波模式），離軸入射，并具有一定的入射角。根據以上計算的光纖模式，用戶還需計算入射效率，采用多個光束傳輸，即可分析光纖內的傳輸特性。
圖1為yz平面的場振幅分布，可觀察到入射光如何進入包層的過程。
圖2為入射效率與初始光束半徑的函數關系。
來自武漢墨光微信公眾號
研究非理想的入射條件下，單模光纖內多光束的傳輸特性。設定入射光為高斯型（不完全匹配光纖的導波模式），離軸入射，并具有一定的入射角。根據以上計算的光纖模式，用戶還需計算入射效率，采用多個光束傳輸，即可分析光纖內的傳輸特性。
圖1為yz平面的場振幅分布，可觀察到入射光如何進入包層的過程。
圖2為入射效率與初始光束半徑的函數關系。
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概述
當一束強激光入射到介質中后，由于強光場與介質的非線性作用，使得介質的線性折射率上會疊加與入射光強相關的非線性折射率。當入射光束的光強呈現空間上的非均勻分布時，由此引入的非線性折射率也是非均勻的，這將使不同空間位置的光所經歷的光程長度不同，即介質對入射光束的作用等價于光學透鏡，從而導致光束的自行聚焦效果。
特別地，當入射光束強度沿垂直光軸的界面內呈高斯形時，且強度足夠產生非線性效應的情況下
光鑷是一種科學儀器，它利用高度聚焦的光束在亞微觀水平上操縱物體，可以用來抓取單個細胞或分子，因此在生物學、醫學和納米化學中有許多應用。
為了確保這些設置的正常功能，所用光束在整個聚焦過程中需要具有穩定的結構。雖然多種不同的基本高斯模式，Hermite或Laguerre高斯模式是該任務的良好選擇，但Chu等人首先提出的設置[Opt. Express 16, 19934-19949(2008)]使用了
建模任務
熱透鏡效應描述了由高功率入射激光束的熱力梯度引起的介質折射率的不均勻性。對于具有特定參數的高斯光束，折射率在數學上表示為溫度和輸入功率的函數[W. Koechener, Appl. Opt. 9, 2548-2553 (1970)]。這個案例展示了當輸入功率變化時，熱透鏡焦距以及聚焦光束直徑的變化。這個例子發表在
摘要
熱透鏡效應描述了由高功率入射激光束的熱力梯度引起的介質折射率的不均勻性。對于具有特定參數的高斯光束，折射率在數學上表示為溫度和輸入功率的函數[W. Koechener, Appl. Opt. 9, 2548-2553 (1970)]。這個案例展示了當輸入功率變化時，熱透鏡焦距以及聚焦光束直徑的變化。這個例子發表在[H. Zhong
圖1.模擬示意圖
模擬結果
圖2.初始理想高斯光束光強分布
圖3.理想高斯光束的成像切片
圖4 介質中存在吸收時理想高斯光束的成像切片
應用一個熱透鏡對高斯光束聚焦8個月前
摘要
熱透鏡效應描述了由高功率入射激光束的熱力梯度引起的介質折射率的不均勻性。對于具有特定參數的高斯光束，折射率在數學上表示為溫度和輸入功率的函數[W. Koechener, Appl. Opt. 9, 2548-2553 (1970)]。這個案例展示了當輸入功率變化時，熱透鏡焦距以及聚焦光束直徑的變化。這個例子發表在[H. Zhong, J. Opt. Soc. Am.
應用一個熱透鏡對高斯光束聚焦9個月前
摘要
熱透鏡效應描述了由高功率入射激光束的熱力梯度引起的介質折射率的不均勻性。對于具有特定參數的高斯光束，折射率在數學上表示為溫度和輸入功率的函數[W. Koechener, Appl. Opt. 9, 2548-2553 (1970)]。這個案例展示了當輸入功率變化時，熱透鏡焦距以及聚焦光束直徑的變化。這個例子發表在
概述
當一束強激光入射到介質中后，由于強光場與介質的非線性作用，使得介質的線性折射率上會疊加與入射光強相關的非線性折射率。當入射光束的光強呈現空間上的非均勻分布時，由此引入的非線性折射率也是非均勻的，這將使不同空間位置的光所經歷的光程長度不同，即介質對入射光束的作用等價于光學透鏡，從而導致光束的自行聚焦效果。
特別地，當入射光束強度沿垂直光軸的界面內呈高斯形時，且強度足夠產生非線性效應的情況下
平頂光束整形案例分析
簡介
在材料加工、激光手術等前沿領域，高斯光束因具有獨特的能量分布特性而被廣泛應用。然而，其中心強度過高的特性卻成為限制應用效果的關鍵因素。在材料加工中，過高的中心強度易導致材料局部過度燒蝕，造成加工精度下降、表面質量受損；于激光手術場景下，高強度的光束中心可能對周圍健康組織產生不可逆的損傷，影響手術安全性與治療效果。因此，將高斯光束整形為強度分布均勻的平頂光束
熱透鏡效應描述了高功率激光束熱梯度引起的介質折射率的不均勻性。對于具有特定參數的高斯光束，折射率在數學上表現為溫度和輸入功率的函數。[W. Koechner, Appl. Opt. 9,2548–2553(1970)]。這個使用案例顯示了熱透鏡焦距的變化，以及當輸入功率改變時聚焦光束直徑的變化。這個使用案例發表在[H. Zhong, J. Opt. Soc. Am. A35]。
