CN102419478B

CN102419478B - 长距离近似无衍射光束的产生装置

Info

Publication number: CN102419478B
Application number: CN201110390198.5A
Authority: CN
Inventors: 郑维涛; 吴逢铁; 张前安; 程治明
Original assignee: Huaqiao University
Current assignee: Huaqiao University
Priority date: 2011-11-30
Filing date: 2011-11-30
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2031-11-30
Also published as: CN102419478A

Abstract

本发明公开了一种长距离近似无衍射光束的产生装置，其包括在放置在光学导轨上的激光器，以及沿激光光路在此光学导轨上依次放置可调衰减器、望远镜准直扩束系统、光阑、第一轴棱锥、会聚透镜和第二轴棱锥，会聚透镜与第一轴棱锥之间的距离大于会聚透镜的焦距并小于第一轴棱锥产生的近似无衍射光束的传播距离；本发明利用会聚透镜聚焦第一轴棱锥产生的近似无衍射光束来形成具有发散角的环状光束，然后用具有发散角的环状光束照射第二轴棱锥，从而产生新的近似无衍射光束，此新的近似无衍射光束传播距离大大增加，而中心光斑发散相对较小。

Description

长距离近似无衍射光束的产生装置

技术领域

本发明涉及光学领域，具体是一种长距离近似无衍射光束的产生装置。

背景技术

无衍射光束具有在自由空间传播时保持光强分布不变、中心光斑小、光强高度集中以及自重建等一系列独特的性质。因此，自从它被提出以来，得到了广泛的研究。虽然受到不存在无限大能量的限制而得不到严格意义上的无衍射光束，但是，在实验室得到的近似无衍射光束几乎具备了无衍射光束应有的特性。早期的研究者指出无衍射光束可以应用于高精度定向、测距、准直、激光加工以及生物工程等多种领域。到目前，已经有多种方法可以产生近似无衍射光束，如轴棱锥法、计算机全息法、环逢-透镜法、透镜轴棱锥法、谐振腔法等。但是以上各种方法均因受到有限孔径等诸多因素的限制而不能得到传输距离很长的近似无衍射光束。如实验室最常用的轴棱锥法，其产生的近似无衍射光的理想传输距离为Z_max＝R/(n-1)γ(其中R是入射光束半径，n为轴棱锥材料折射率，γ是轴棱锥底角)。从上述表达式中可以看出，近似无衍射光的理想传输距离正比于入射光束半径，反比于轴棱锥底角，这就意味着用半径为5mm的光束照射一个底角为0.5度、折射率为1.516的轴棱锥，得到的近似无衍射光束的理想无衍射距离仅仅为1.11m左右。这使得近似无衍射光束在定向、测距、准直等方面的应用受到了很大的限制。因此，如何能获得传播距离长且光束质量好的近似无衍射光束就显得尤为重要。国内外也有一部分学者进行了一些相关研究，例如，赵斌等利用望远镜系统对轴棱锥产生的无衍射光进行扩束，从而得到较长距离的近似无衍射光，但是这种方法在扩大无衍射距离的同时也将近似无衍射光中心光斑放大了；Vladimir Belyi等人用经过会聚透镜聚焦后的球面波连续通过两个轴棱锥的方法将近似无衍射光的无衍射距离扩大到了几十米，然而这种方法产生的近似无衍射光的中心光斑发散同样相当厉害。

发明内容

本发明的目的在于提供一种长距离近似无衍射光束的产生装置，其能够使近似无衍射光束传播距离大大增加，而中心光斑发散相对较小。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

长距离近似无衍射光束的产生装置，包括：光学导轨、激光器、可调衰减器、望远镜准直扩束系统、光阑、第一轴棱锥、第二轴棱锥和会聚透镜，其中，第一轴棱锥的底角小于第二轴棱锥的底角；

在光学导轨上放置激光器，沿激光光路在此光学导轨上依次放置可调衰减器、望远镜准直扩束系统、光阑、第一轴棱锥、会聚透镜、第二轴棱锥；会聚透镜与第一轴棱锥之间的距离大于会聚透镜的焦距并小于第一轴棱锥产生的近似无衍射光束的传播距离。

上述激光器、上述可调衰减器、上述望远镜准直扩束系统、上述光阑、上述第一轴棱锥、上述会聚透镜和上述第二轴棱锥根据需要在上述光学导轨上任意滑动。

上述可调衰减器由两个偏振片组成，通过旋转此两个偏振片改变此两个偏振片的偏振方向之间的夹角来对透过的光强进行控制。

采用上述方案后，本发明长距离近似无衍射光束的产生装置，工作时，打开激光器，经衰减和扩束准直后的激光光束经过光阑，然后正入射第一轴棱锥，在第一轴棱锥后一定距离内形成近似无衍射区域。会聚透镜放置在此近似无衍射区域内，在会聚透镜的后焦面上形成一个聚焦环，在聚焦环后形成具有发散角的环形光束，此环形光束正入射到第二轴棱锥，在第二轴棱锥后将形成新的近似无衍射光束，该新的近似无衍射光束具有传播距离长，且中心光斑发散角较小的特点。而且，根据需要，可通过改变会聚透镜的焦距，会聚透镜与第二轴棱锥之间的距离以及第一、第二两个轴棱锥的底角差等参数来得到传播距离从几十米到上百米的近似无衍射光束。

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；

图3(a)、图3(b)为本发明的装置于不同距离处拍摄的光斑图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构和原理作进一步详细的说明。

本发明长距离近似无衍射光束的产生装置，如图1所示，包括光学导轨1、半导体激光器2、可调衰减器3、望远镜准直扩束系统4、光阑5、第一轴棱锥6、会聚透镜7和第二轴棱锥8，其中，第一轴棱锥6的底角小于第二轴棱锥8的底角；可调衰减器3由两个偏振片组成，通过旋转此两个偏振片改变此两个偏振片的偏振方向之间的夹角来对透过的光强进行控制。

半导体激光器2放置在光学导轨1上，沿激光光路在光学导轨1上依次放置可调衰减器3、望远镜准直扩束系统4、光阑5、第一轴棱锥6、会聚透镜7和第二轴棱锥8。其中，激光器2、可调衰减器3、望远镜准直扩束系统4、光阑5，第一轴棱锥6、会聚透镜7和第二轴棱锥8均可在光学导轨1上沿激光光路的方向任意滑动。

工作时，打开半导体激光器2，半导体激光器2产生激光光束，此激光光束经可调衰减器3衰减和望远镜准直扩束系统4扩束准直后经过半径为R的光阑5，然后正入射第一轴棱锥6，在第一轴棱锥6后约为Z_max1＝R/(n-1)γ₁的距离内形成近似无衍射区域，其中R是入射光束半径，n为轴棱锥材料折射率，γ₁为第一轴棱锥6的底角。沿激光光路的方向调节会聚透镜7的位置，使f＜d₁＜Z_max1，此时，在会聚透镜7的后焦面上将形成一个聚焦环9，其中，f为会聚透镜7的焦距，d₁为第一轴棱锥6与会聚透镜7于沿激光光路方向上的距离，聚焦环9后就会形成具有发散角θ的环形光束10，其中，环形光束10正入射到第二轴棱锥8，在第二轴棱锥8后就形成了新的近似无衍射光束11。近似无衍射光束11传播距离大大增加，而中心光斑发散相对较小。当取参数γ₁＝0.5°，γ₂＝1°，f＝150mm，d₁＝600mm，d₂＝800mm，第一轴棱锥6和第二轴棱锥8的折射率n＝1.516时，其中，γ₂为第二轴棱锥8的底角，d₂为会聚透镜7与第二轴棱锥8于沿激光光路方向上的距离，实验测得当近似无衍射光束传播到80米处时，其中心光斑半径约为10mm。实验拍得不同距离处光斑如图3(a)、图3(b)所示，图3(a)中最小刻度为20μm，图3(b)中最小刻度为1mm。而本实验所使用的半导体激光器2发出的高斯光传播到80米处时中心光斑半径达到35mm。由于本实验要求光束传播距离较大，因此需要的光源功率不能太小，本实验所采用的光源功率为90mW。

本发明的长距离近似无衍射光束的产生装置，主要是利用带有发散角θ的环形光束10入射到第二轴棱锥8来产生传播距离长的近似无衍射光束。因此可以利用改变环形光束10的发散角θ、环宽度S以及直接改变第二轴棱锥8后光束的发散角来调节所产生近似无衍射光束的传播距离。即利用改变会聚透镜7的焦距f来改变环形光束10的发散角θ；改变会聚透镜7与第二轴棱锥8之间的距离d₂来改变入射到第二轴棱锥8的环宽度S；改变第一轴棱锥6和第二轴棱锥8的底角差γ₂-γ₁来直接改变第二轴棱锥8后光束的发散角。

Claims

1.长距离近似无衍射光束的产生装置，包括激光器、第一轴棱锥、第二轴棱锥和会聚透镜，其中，第一轴棱锥的底角小于第二轴棱锥的底角；其特征在于：还包括光学导轨、可调衰减器、望远镜准直扩束系统和光阑，在光学导轨上放置激光器，沿激光光路在此光学导轨上依次放置可调衰减器、望远镜准直扩束系统、光阑、第一轴棱锥、会聚透镜、第二轴棱锥；会聚透镜与第一轴棱锥之间的距离大于会聚透镜的焦距并小于第一轴棱锥产生的近似无衍射光束的传播距离。

2.根据权利要求1所述的长距离近似无衍射光束的产生装置，其特征在于：上述激光器、上述可调衰减器、上述望远镜准直扩束系统、上述光阑、上述第一轴棱锥、上述会聚透镜和上述第二轴棱锥根据需要在上述光学导轨上任意滑动。

3.根据权利要求1所述的长距离近似无衍射光束的产生装置，其特征在于：上述可调衰减器由两个偏振片组成，通过旋转此两个偏振片改变此两个偏振片的偏振方向之间的夹角来对透过的光强进行控制。