多透镜高斯光束传播计算器(ABCD / q 参数)

多透镜高斯光束传播计算器(ABCD / q 参数)

多透镜高斯光束传播计算器
基于 ABCD 矩阵与复光束参数 q,计算高斯光束(TEM₀₀)经过任意「自由空间 + 薄透镜」序列后的束腰、光斑半径演化与波前曲率。支持多透镜串接、光束扩束与聚焦设计。
q′ = (A·q + B)/(C·q + D) , M = Mₙ···M₂M₁
快速预设
光学系统(按光路顺序)

主要结果
系统总 ABCD 矩阵
各界面光束参数
光斑半径演化 w(z)

核心公式与原理

复光束参数 q
1/q = 1/R − iλ/(πw²)
q = z + i·z_R 把束腰位置、光斑半径 w 与波前曲率 R 统一成一个复数;z 从束腰起算,z_R 为瑞利范围。
瑞利范围 z_R
z_R = π·w₀² / λ
束腰两侧光斑增大到 √2 倍 w₀ 的距离,衡量光束准直长度;z_R 越大越接近平行光。
光斑 / 曲率
w(z)=w₀√(1+(z/z_R)²)
R(z)=z(1+(z_R/z)²);z=0 时 w=w₀、R=∞(平面波前)。
ABCD 传播 q
q′ = (A·q + B)/(C·q + D)
系统矩阵 M=[[A,B],[C,D]] 作用于输入 q;自由空间 [[1,L],[0,1]]、薄透镜 [[1,0],[−1/f,1]]。
单透镜聚焦
w₀′ = w₀·f/√((z−f)²+z_R²)
输入束腰距透镜 z 时,新束腰大小;新腰位置 s′=f+f²(z−f)/((z−f)²+z_R²)(自透镜起算)。
总矩阵相乘
M = Mₙ ··· M₂ M₁
元件矩阵按光路顺序左乘;两透镜 f₁、f₂ 间距 d 构成望远镜,束腰放大率 ≈ |f₂/f₁|。

常见问题(FAQ)

什么是高斯光束的复光束参数 q?

q = z + i·z_R,或等价写成 1/q = 1/R − iλ/(π w²)。它把束腰位置、光斑半径 w 与波前曲率 R 统一成一个复数,是 ABCD 高斯光束分析的核心变量:只要知道某处的 q,就能立刻算出该处 w、R 与束腰信息。

什么是 ABCD 矩阵(光线传输矩阵)?

在近轴近似下,光线用向量 (r, θ) 表示(r 离轴高度,θ 倾角),每个光学元件用 2×2 矩阵 M=[[A,B],[C,D]] 描述其对光线的作用;系统总矩阵等于各元件矩阵按光路先后顺序相乘。

常用元件的 ABCD 矩阵有哪些?

自由空间长度 L:[[1, L],[0, 1]];薄透镜焦距 f:[[1, 0],[−1/f, 1]];此外折射球面、反射镜、介质板等也都有对应矩阵。本工具支持最常用、也最基础的自由空间与薄透镜两类元件。

如何用 ABCD 矩阵传播 q 参数?

给定系统矩阵 M=[[A,B],[C,D]] 与输入复光束参数 q_in,输出为 q_out = (A·q_in + B)/(C·q_in + D)。这就是高斯光束经过任意透镜组的统一传播公式,无需逐段展开。

瑞利范围(Rayleigh range)z_R 是什么?

z_R = π·w₀²/λ,是束腰两侧光斑增大到 √2 倍 w₀ 的距离。它衡量光束的「准直长度」:z_R 越大,光束在越长的距离内近似平行。

光斑半径 w(z) 与波前曲率 R(z) 怎么算?

w(z)=w₀√(1+(z/z_R)²),R(z)=z(1+(z_R/z)²),z 从束腰起算。z=0 时 w=w₀、R=∞(平面波前);远离束腰时 R→z、w 线性增大。

薄透镜如何改变高斯光束?单透镜聚焦公式是?

薄透镜只改变波前曲率、不改变该处的光斑大小。若输入束腰距透镜 z、瑞利范围 z_R,则新束腰 w₀′=w₀·f/√((z−f)²+z_R²),新腰位置 s′=f+f²(z−f)/((z−f)²+z_R²)(自透镜起算)。

多透镜系统(如光束扩束器)怎么分析?

把每个自由空间段与透镜依次用 ABCD 串接,再用 q_out=(Aq+B)/(Cq+D) 求末态。两片透镜 f₁、f₂ 间距适当可构成望远镜:角放大率 ≈ −f₁/f₂,束腰(光斑)放大率 ≈ |f₂/f₁|。

为什么自由空间段可以直接把 q 加上距离 L?

自由空间矩阵 [[1,L],[0,1]] 作用于 q 得到 q′=q+L(实部加 L、虚部不变),等价于沿光轴平移 L,因此逐段累加即可,无需反复套用分式。

输出束腰位置出现「元件前」是什么意思?

工具报告的束腰位置是相对最后一个元件界面的绝对坐标;若相对值小于 0,说明实际束腰位于最后一个元件之前(即在该元件上游已经形成会聚焦点),而非其下游。

能否考虑光束质量因子 M²?

本工具默认 M²=1(理想基模 TEM₀₀)。对多模或实际光束,可在公式中把 λ 替换为 M²·λ(等效波长法),即可近似得到 M² 退化后的光斑与瑞利范围。

哪些场景会用到这个工具?

激光聚焦光斑设计、光束扩束/缩束、透镜把光耦合进光纤或晶体、谐振腔模式分析、空间滤波与准直系统调试等——凡是涉及「高斯光束经过多个透镜如何演化」的场合。

怎么读 w(z) 曲线图?

横轴为沿光路距离 z(mm),纵轴为光斑半径 w(µm);红色虚线标出透镜位置,红点为输出束腰,绿点为输入束腰,曲线最低点即最小光斑(束腰)。

计算结果的单位约定?

波长 λ 用 nm,长度(L、f、z、z_R)用 mm,束腰与光斑 w 用 µm 显示;工具内部统一换算到 mm 计算,避免单位混乱。