CN102200594A

CN102200594A - 一种产生长距离无衍射贝塞尔光束的组合锥透镜

Info

Publication number: CN102200594A
Application number: CN2011101424229A
Authority: CN
Inventors: 吴逢铁; 张前安; 郑维涛; 程治明
Original assignee: Huaqiao University
Current assignee: Huaqiao University
Priority date: 2011-05-27
Filing date: 2011-05-27
Publication date: 2011-09-28

Abstract

本发明公开一种产生长距离无衍射贝塞尔光束的组合锥透镜，其为一正轴棱锥和一负轴棱锥的两个锥面紧密胶合而成的结构，且该正轴棱锥和负轴棱锥的锥面底角相等，正轴棱锥的折射率略大于负轴棱锥的折射率。本发明能够利用两种折射率具有微小差别的常用光学玻璃制成正、负轴棱锥并进行组合，通过组合后的单一元件即可获得长距离无衍射贝塞尔光束，克服了传统轴棱锥锥角小而加工难的问题，具有元件加工相对容易、结构简单、转换效率高、光损伤阈值高的优点，为获取长距离无衍射Bessel光束提供了一种简洁、有效的新途径；另外，通过调节入射光束的半径和正负轴棱锥折射率的差值，即可调节无衍射Bessel光束的无衍射距离，在高精度准直、大尺度线性测量、装备制造业和激光通信等领域具有很高的实用价值。

Description

一种产生长距离无衍射贝塞尔光束的组合锥透镜

技术领域

本发明涉及一种可产生长距离无衍射贝塞尔光束的组合锥透镜，可用于长距离高精度准直、大尺度线性测量、空间激光通信系统和大气激光通信系统等的工具，在装备制造业和激光通信中有重要应用。

背景技术

高斯激光束与普通光束相比，具有方向性好、能量集中的优点，在工程应用中经常被作为直线基准来进行直线度、同轴度、平面度、平行度等的测量。但是，由于大气湍流的扰动，在利用高斯光束进行大尺寸、长距离准直测量时测量精度一直都很难得到提高。美国Rochester大学的J.Durnin于1987年首次提出无衍射贝塞尔光束的概念，这种光束的特点是中心光斑极小，且在传输中光场不发散。贝塞尔光束的另外一个重要特性-光束自再现，即光束被障碍物遮挡后可以自重建。近年来研究还发现，贝塞尔光束在空间中传输时受到大气湍流的扰动和在非均匀介质中受到的散射影响比高斯激光束要小得多。无衍射贝塞尔光束的这些特点，使其更适合空间大尺度准直和线性测量、空间和大气激光通信。

目前，产生贝塞尔光束的光学元件有多种：如光学全息图、透镜轴棱锥、贝塞尔-高斯谐振腔和轴棱锥等；其中光学全息图的抗损伤阈值比较低，限制了贝塞尔光束的强度；透镜轴棱锥产生贝塞尔光束时中心需要遮挡，能量利用率不高，且产生的贝塞尔光束质量也不高；贝塞尔-高斯谐振腔可以直接产生贝塞尔光束，但是获得的贝塞尔光束由于受到谐振腔长度的限制无衍射距离比较短，而长距离准直测量和通信系统中往往需要长距离的无衍射距离；轴棱锥由于其高损伤阈值、高能量利用率和结构简单的特点成为获取贝塞尔光束最常用的光学元件，其产生无衍射贝塞尔光束的无衍射距离可表示为

即在光束半径a固定的情况下，无衍射距离与轴棱锥锥面的底角γ和轴棱锥与真空折射率差值n-1近似成反比关系，所以要获取长距离无衍射贝塞尔光束，一是可以选用锥面底角很小的轴棱锥，但是小的锥面底角在加工上是很困难的，目前市场上最小可以加工到0.5°，且价格不菲。另一种方案是选用折射率较小的材料加工轴棱锥，但是常用光学玻璃材料的折射率变化范围并不大，具有较小折射率的材料是稀少且昂贵的。

有鉴于此，本发明人对轴棱锥的光学特性进行了深入研究，本案由此产生。

发明内容

本发明的目的在于提供一种产生长距离无衍射贝塞尔光束的组合锥透镜，其能够通过组合后的单一元件即可获得长距离无衍射贝塞尔光束，并具有结构简单、元件容易加工、转换效率高、光损伤阈值高的优点。

为了达成上述目的，本发明的解决方案是：

一种产生长距离无衍射贝塞尔光束的组合锥透镜，其包括一正轴棱锥和一负轴棱锥，此正轴棱锥和负轴棱锥的锥面紧密胶合在一起，上述正轴棱锥和负轴棱锥的锥面底角相等，上述正轴棱锥的折射率略大于负轴棱锥的折射率。

上述正轴棱锥的材料折射率比上述负轴棱锥的材料折射率大0.00067～0.26435。

采用上述方案后，本发明的组合锥透镜在光束传输特性上等效为一个具有相同锥面底角的正轴棱锥，但是其等效折射率由组合的正轴棱锥和负轴棱锥折射率差值决定。因此，采用具有极小折射率差值的正、负轴棱锥组合，即可得到极小等效折射率的组合锥透镜，在入射光束半径和锥面底角不变的下，轴棱锥产生无衍射贝塞尔光束的无衍射距离和轴棱锥与真空折射率差值近似呈反比关系，因此，利用组合锥透镜可以得到相当长距离的无衍射贝塞尔光束。

本发明通过组合后的单一元件即可获得长距离无衍射贝塞尔光束。因为两种折射率相差极小的光学玻璃材料是很常见的，且价格便宜，因此本发明具有元件加工相对容易、成本低廉的突出优点，为获取长距离无衍射光束提供了一种简洁、有效的新途径；另外，通过调节入射光束的半径和组合正、负轴棱锥折射率差值，即可实现对无衍射距离的可调作用，在实际应用中，特别是对于大尺度准直、线性测量和激光通信具有特殊意义。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的光路示意图；

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明组合锥透镜的结构和原理作进一步详细的说明。

本发明一种产生长距离无衍射贝塞尔光束的组合锥透镜，如图1-2所示，沿z轴呈旋转对称结构，其包括采用常用光学玻璃材料制成的正轴棱锥1和负轴棱锥2，正轴棱锥1和负轴棱锥2的锥面紧密胶合在一起，该正轴棱锥1的锥面底角和该负轴棱锥2的锥面底角相等，且该正轴棱锥1的材料折射率略大于该负轴棱锥2的材料折射率，具体地，正轴棱锥1的材料折射率比负轴棱锥2的材料折射率大0.00067～0.26435。

如图2所示，设置正、负轴棱锥的锥面底角为γ，正轴棱锥1的折射率为n₁，负轴棱锥2的折射率为n₂，且n₁＞n₂。

由几何光学和矩阵光学分析可知，该组锥透镜的光束传输特性等效为一个锥面底角为γ，折射率为n₁-n₂+1的正轴棱锥。

如图2所示，左边入射的为平面波，通过本发明的组合锥透镜后转换为无衍射贝塞尔光束，无衍射区域如图2所示的ABCD菱形区域。

由最大无衍射距离公式

可知当入射光束的半径a和相互胶合的锥面底角γ固定时，组合锥透镜产生的贝塞尔光束最大无衍射距离由正轴棱锥1和负轴棱锥2的材料折射率差值n₁-n₂决定，且折射率差值越小，无衍射距离越大。

作为一个实施例，我们选择正、负轴棱锥的锥面底角γ＝1°，正轴棱锥1的材料为SCHOTT公司的N-BAK2玻璃(折射率n₁＝1.53806)，负轴棱锥2的材料为SCHOTT公司的N-BK7玻璃(折射率n₂＝1.51509)，入射光为光束半径a＝10mm的He-Ne激光束(波长λ＝632.8nm)。则组合锥透镜等效为一个锥面底角γ＝1°，折射率n＝1.02297的正轴棱锥，利用无衍射距离公式计算得最大无衍射距离为24.944m。作为对比，我们可以算出利用SCHOTT公司的N-BAK2玻璃制成的锥面底角也为1°的传统正轴棱锥，在光束半径也为10mm时产生的无衍射光束最大无衍射距离为1.065m。组合锥透镜产生的贝塞尔光束最大无衍射距离约为相同参数情况下传统正轴棱锥的23.4倍。可见，组合锥透镜在提高无衍射距离方面具有明显的优势。

综上所述，本发明利用两种折射率具有微小差别的常用光学玻璃制成正、负轴棱锥并进行组合，通过组合后的单一元件即可获得长距离无衍射贝塞尔光束，具有元件加工相对容易、结构简单、转换效率高、光损伤阈值高的优点，为获取长距离无衍射光提供了一种简洁、有效的新途径；另外，通过调节入射光束半径a和正、负轴棱锥折射率差值n₁-n₂的大小，即可实现对无衍射距离Z_max的可调作用。本发明在实际应用中，对于大尺度准直、线性测量和激光通信具有特殊意义。

上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims

1.一种产生长距离无衍射贝塞尔光束的组合锥透镜，其特征在于：包括一正轴棱锥和一负轴棱锥，此正轴棱锥和负轴棱锥的锥面紧密胶合在一起，上述正轴棱锥和负轴棱锥的锥面底角相等，上述正轴棱锥的材料折射率略大于负轴棱锥的材料折射率。

2.根据权利要求1所述的一种产生长距离无衍射贝塞尔光束的组合锥透镜，其特征在于：上述正轴棱锥的材料折射率比上述负轴棱锥的材料折射率大0.00067～0.26435。