高斯光束

                     

贡献者: addis

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预备知识 电场波动方程

   Wave Eq.

(1)2E1c22Et2=0 .
assume propagation within small angle of z axis
(2)E=ϵ^E(r,t)=2ϵ^U(x,y,z)ei(kzωt) ,
U(x,y,z) is the envelope. Plug in, use ‘slowly varying envelope approximation’
(3)2ikUz=2Ux2+2Uy2 .
The general solution is a linear combination of the following basis
(4)Umn(x,y,z)=Cw(z)exp[r2w2(z)]exp[ikr22R(z)]Hm[2xw(z)]Hn[2yw(z)]eiϕmn(z) .
(5)ϕmn(z)=(m+n+1)tan1(z/zR) ,
(6)w(z)=w01+z2/zR2 ,R(z)=z+zR2/z ,zR=πw02/λ ,
(7)H0=1 ,H1=2x ,H2=4x21 .
This is called the Hermite-Gauss mode, denoted TEMmn. H are Hermite polynomials and ϕ is the Gouy phase-shift, zR is the Rayleigh length. The second exp factor makes the wave front a spherical wave with curvature R(z), because
(8)lR=R2+z2Rr22R .

图
图 1:triangle

   TEM00 is the fundamental Gaussian mode.

   In cylindrical coordinates, the basis change to Laguerre-Gauss modes TEMlm

(9)Ulm(r,θ,z)=Cw(z)[2rw(z)]|m|exp[r2w2(z)]exp[ir22R(z)]Ll|m|[2r2w2(z)]eimθeiϕlm(z) ,
(10)ϕlm(z)=(2l+|m|+1)tan1(z/zR) .
This is analogous to solving SHO in polar coordiantes while Hermite-Gauss modes are in Cartesian coordinates.


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