关于强激光技术领域中光束聚焦特性的研究

马学军　牟世娟

摘要：光束聚焦特性的研究可以使人们更深地认识光束的聚焦光强分布和聚焦过程中产生的其他现象，为实际工作中光束聚焦的应用以及光学系统设计等方面提供充分的理论依据。目前已经实现了将激光光束整形成平顶光束或局域空心光束，并且可以把高空间相干激光变成部分相干光。

关键词：强激光技术；光束聚焦；焦移

中图分类号：TN248

文献标识码：A

文章编号：1009-2374(2009)04-0100-02

1960年第一台红宝石激光器的问世使高功率密度的光束成为现实。在一些实际应用中，如激光加工、惯性约束聚变等，要求功率密度更高、光斑更小的光束。对光束聚焦是提高光束功率密度、减小光束光斑的重要手段之一，在实际工作中得到广泛使用。因而强激光技术领域中对光束聚焦特性的研究成为很热门的课题。在惠更斯一菲涅尔(衍射积分)原理(Huygens-Fresnel principle)或德拜积分表达式(Debye integral representation)基础上，早期Lommel用Lommel函数计算衍射积分研究了会聚球面波焦点附近的三维光强分布情况，并作出了圆孔衍射会聚球面波子午面上焦点附近的等照线图。得出强度分布关于焦平面是对称的，光束的光强主极大处于几何焦点位置的结论。

光束聚焦特性的研究可以使人们更深地认识光束的聚焦光强分布和聚焦过程中产生的其他现象，为实际工作中光束聚焦的应用以及光学系统设计等方面提供充分的理论依据。目前，人们已对多类光束，例如球面波、高斯光束、高阶高斯光束、高斯一谢尔模型光束、相干高斯光束和矢量贝塞尔一高斯光束等的聚焦特性进行了详细的研究，得出了对实际应用具有参考意义的结果。早期对光束聚焦特性的研究主要是光束的聚焦光强分布。自1981年Li和Wolf明确提出焦移的概念后，聚焦光束的焦移成为目前人们在研究光束聚焦特性中主要关注的内容。复光学系统的菲涅尔数一般非常大(达到约1000的数量级)时大多数应用中的焦移可以忽略，显然实际中用一个数量级的菲涅尔数来描述的激光光腔则不属于这种情况，因而研究多类光束的焦移对激光光腔的研究和设计有很大的作用。例如Li和Wolf对会聚高斯光束研究得出光束的菲涅尔数和截断参数是影响焦移的两个重要参数的结论，他们发现光束菲涅尔数和截断参数的减小都引起焦移(绝对值)增加。而对于部分相干光，相干度也成为影响焦移的参数，Lu和Zhang以及Friberg等人发现相干度减小使部分相干光的焦移(绝对值)增大。在对焦移的研究工作中，大多考虑的是空间完全相干光，对部分相干光的聚焦所产生的焦移却很少。由于在某些实际应用中，部分相干光比完全相干光更具优越性。例如，部分相干光在大气中传输时发散程度要比完全相干光小得多；并且部分相干光束具有光强比较均匀，对散斑低灵敏等优点而被应用于激光核聚变等领域。此外，多横模的高功率激光光束可用部分相干光束描述。因此，对部分相干光束的聚焦所产生的焦移的研究变得十分重要。

随着激光技术的发展，光束整形技术也随之成为人们研究的热门课题。迄今为止，已经实现了将激光光束整形成平顶光束或局域空心光束等。局域空心光束是一种在聚焦区域出现的中心光强较小，四周被光强较高的区域所包围一种特殊光束。近几年，有关局域空心光束的产生和应用的研究已经成为一个很重要的课题，这种光束在原子引导、原子囚禁，以及光学镊子等方面都有广泛的应用。例如，光学偶极子陷阱，即局域空心光束，在远失谐的辐射场中依赖于作用在原子上的力。冷原子可以被很浅的陷阱所储存。那么，陷阱的势能起源于远场原子标准能级引导的光的移动。蓝失谐则利用辐射场失谐原子跃迁到高频的一边，实现原子被限制在低强度的区域。在蓝失谐光学偶极子陷阱中，长限制的相干性和非常低的扰乱在超精细原子级别中可以获得。蓝失谐陷阱的主要问题是实现被光环绕着的暗斑区域的激光光束的对称性。有关局域空心光束(蓝失谐光学陷阱)原子囚禁方面的理论计算和实验测量国内外已经做了不少研究。因此，在实际生活中找到一种产生局域空心光束的方法是非常有趣而且重要的。

1971年，Ashkin等人发展了一种囚禁微米粒子的光学技术，简称光学镊子(或光钳)。其主要是利用强聚焦的高斯光束在焦点附近产生了很高的电场梯度，并且对激光束中的介质粒子施加一个指向焦点的作用力，使得介质粒子被三维囚禁在高斯光束的焦点附近。光学镊子为精确操控微观粒子提供了一种非接触无损管、光学镊子和光学扳手，空心光束在微观粒子(如微米粒子、纳米粒子、自由电子、生物细胞等)的精确、无接触操纵和控制中有着广泛的应用。因此，空心光束的产生及其传输成为很热门的研究课题。

在强激光技术中，很难遇到理想的完全相干基横模高斯光束，大多数发出的是部分相干多横模激光，比较合乎实际情况的是采用高斯一谢尔模型(GSM)光束描述部分相干的多模激光，在一定条件下可得到比较好的模拟结果。GSM光束不仅能相对容易地做理论分析，而且在实际中很容易实现，也可由高斯光束进行转换。与高斯光束类似，GSM光束也是波动方程的近轴近似解，它具有良好的方向性但却只有部分相干性。由于部分相干性的有效方法，近几年，有些研究者采用空心光束来构成光镊。因为作为激光导的GSM光束在某些方面比完全相干的高斯光束优越，因此如何把高斯光束转换成GSM光束就是一项很重要的研究工作。迄今为止，已有几种方法能把高斯光束转换成GSM光束。随着激光核聚变研究的深入，为了减少高空间相干光所引起的有害效应(如散斑等)，常采用去相干的办法把高空间相干激光变成部分相干光。既然部分相干光具有如此多的特性和优点。那么对部分相干光聚焦特性的研究显得十分必要。