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高斯光束

1960
光学实验室中利用高斯光束的激光切割机。

(图片仅供参考)

高斯光束是一种电磁辐射光束,其横向电场和强度分布可以用高斯函数描述。它是工作在基横模(TEM00)的激光器最常见的输出光束形状。这种光束形状使得光束能够在长距离上保持高度聚焦,是实现高光束质量的理想情况。

高斯光束是近轴亥姆霍兹方程的解,该方程是对麦克斯韦方程组在光束发散速度不快的情况下的近似。高斯光束的强度 I(r, z) 作为距光束中心径向距离 r 和距其最窄点(“光束腰”)轴向距离 z 的函数,由下式给出:I(r, z) = I_0 left(frac{w_0}{w(z)}right)^2 expleft(frac{-2r^2}{w(z)^2}right)[/latex]。这里,[latex]I_0[/latex]是光束腰处的峰值强度,[latex]w_0[/latex]是光束腰半径(强度下降到其轴向值的[latex]1/e^2[/latex]处),[latex]w(z)[/latex]是距离[latex]z[/latex]处的光束半径。

描述高斯光束的关键参数包括光束腰(w₀)、瑞利范围(zₖ),即光束保持相对准直的距离,以及光束发散角(θ),它描述了光束在远场扩散的速度。这些参数相互关联。较小的光束腰会导致较大的发散角,这是衍射的结果。实际激光束的质量通常用M²因子来描述,该因子将实际光束的参数乘积(光束腰半径乘以远场发散角)与理想高斯光束的参数乘积进行比较,理想高斯光束的M²=1。高斯光束轮廓的优势在于,对于给定的波长,它可以聚焦到尽可能小的光斑尺寸,从而最大化光强。

UNESCO Nomenclature: 2210
- 光学

类型

抽象系统

中断

基础

用法

广泛使用

前体

  • 麦克斯韦电磁学方程
  • 惠更斯-菲涅耳衍射原理
  • 开发能够自然支持基模的激光谐振器

应用程序

  • 激光切割和焊接
  • 光纤耦合
  • 激光指示器
  • 条形码扫描器
  • 光镊(或称光捕获)
  • 激光通信系统

专利:

NA

潜在创新理念

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相关术语:高斯光束、激光光束轮廓、EM00、光束腰、瑞利范围、光束发散角、M平方、近轴近似、衍射、光束质量。

历史背景

高斯光束

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1960-05-16
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1964

(如果日期未知或不相关,例如“流体力学”,则提供其显著出现的近似估计)

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