CN103091736A - 一种产生长距离无衍射光的凹锥透镜 - Google Patents

一种产生长距离无衍射光的凹锥透镜 Download PDF

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方翔
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Abstract

本发明公开了一种产生长距离无衍射光的凹锥透镜，其具有锥角为γ、底面半径为a、折射率为n的轴棱锥，此轴棱锥沿其轴向划分为圆柱部分和圆锥部分，以圆柱部分与圆锥部分相邻接的一端为内，另一端为外，此圆柱部分的外底面呈以此轴棱锥的轴线为中心的曲率半径为R的凹球面状。本发明通过单一元件即可获得长距离无衍射光，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和凹锥透镜底面曲率半径的大小，即可调节无衍射光的无衍射距离。

Description

一种产生长距离无衍射光的凹锥透镜
技术领域
本发明涉及光学设计领域，具体是一种可产生产长距离无衍射光的凹锥透镜。可用于长距离高精度准直、大尺度线性测量、空间光通信等工具，在装备制造业和激光通信中有重要作用。
背景技术
美国Rochester大学的J.Durnin于1987年首次提出了无衍射光束，它在自由空间中传播无衍射，即传播过程中横向光场分布不随传播距离发生变化；光场能量集中，中心光斑小而且强度高。无衍射光束的这些特点，使其在精确测量和准直、空间光通信、精密加工切割、带电粒子和中性原子诱导，微操控和非线性光学等领域有着广泛的应用。
无衍射光的产生方法主要有环缝-透镜法、全息法、透镜轴棱锥法、轴棱锥法等。其中环缝-透镜法的转换效率特别低，只有15％左右；全息法的抗损伤阈值比较低，限制了无衍射光束的强度；透镜轴棱锥法产生无衍射光束时中心需要遮挡，能量利用率不高；轴棱锥法由于其高损伤阈值、高能量利用率和结构简单的特点成为获取无衍射光最常用的光学元件，其产生无衍射光的无衍射距离可表示为
Figure BDA00002822814400011
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和轴棱锥折射率n近似成反比关系，所以要获取长距离无衍光，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时是很困难的，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加工容易、结构简单的产生长距离无衍射光的凹锥透镜。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种产生长距离无衍射光的凹锥透镜，具有锥角为γ、底面半径为a、折射率为n的轴棱锥，此轴棱锥沿其轴向划分为圆柱部分和圆锥部分，以圆柱部分与圆锥部分相邻接的一端为内，另一端为外，此圆柱部分的外底面呈以此轴棱锥的轴线为中心的曲率半径为R的凹球面状。
上述凹球面状由上述轴棱锥的底部磨削而成。
采用上述方案后，本发明一种产生长距离无衍射光的凹锥透镜，沿其轴向划分为圆柱部分和圆锥部分，且圆柱部分的外底面呈以此轴棱锥的轴线为中心的曲率半径为R的内凹球面状，当平行光入射本发明的凹锥透镜时，按凹锥透镜轴向的不同区域对光线的折射效果可分为两部分：第一部分为曲率半径为R的凹球面区域，经过该区域的光线被凹球面发散；第二部分为锥角为γ的锥面区域，此时光线可等效于经过轴棱锥折射的情形，将形成长距离无衍射光。
与现有技术相比，本发明的凹锥透镜，其优点在于通过单一元件即可获得长距离无衍射光，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。在实际应用中，可作为长距离高精度准直、大尺度线性测量、空间光通信等的工具，在装备制造业和激光通信领域具有很高的实用价值。
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为本发明的凹锥透镜产生长距离无衍射光的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明的凹锥透镜的结构和原理作进一步详细的说明。
本发明的一种产生长距离无衍射光的凹锥透镜，如图1所示，具有锥角为γ、底面半径为a、折射率为n的轴棱锥，此轴棱锥沿其轴向划分为圆柱部分I和圆锥部分II，以圆柱部分I与圆锥部分II相邻接的一端为内，另一端为外，此圆柱部分I的外底面呈以此轴棱锥的轴线为中心的曲率半径为R的凹球面状。
本发明的凹锥透镜是在传统轴棱锥的基础上加工而成的。取一个锥角为γ、底面半径为a、折射率为n的传统轴棱锥，将轴棱锥沿其轴向划分为圆柱部分I和圆锥部分II，以轴棱锥的轴线为中心把圆柱部分I的外底面磨削成一个曲率半径为R的球面。圆柱部分I等效于一个焦距为f的凹透镜。锥角为γ的圆锥部分II仍可视为传统的轴棱锥。
由几何光学分析可知，当平行光束入射到本发明的凹锥透镜时，如图2所示，圆柱部分I的光线经其底部的凹球面的偏折形成焦距为
Figure BDA00002822814400041
的发散球面波，发散光线与轴线的夹角为
Figure BDA00002822814400042
圆锥部分II的光线经锥面的偏折形成锥面波，并线聚焦形成无衍射光，无衍射区域如图3所示的ABCD菱形区域。与传统轴棱锥不同，结合图2和图3来看，此时在菱形的无衍射区域内，各处光线倾斜角度
Figure BDA00002822814400043
其中，a为入射光束半径，
Figure BDA00002822814400044
为发散光线与轴线的夹角。当
Figure BDA00002822814400045
Figure BDA00002822814400046
取得最小值时，可求得经本发明的凹锥透镜产生的无衍射光的最大无衍射距离这与经传统轴棱锥产生的无衍射光的最大无衍射距离
Figure BDA00002822814400048
不同。当入射光束半径a、锥面底角γ、折射率n固定时，本发明的凹锥透镜产生的无衍射光的最大无衍射距离由凹球面的曲率半径R决定，且曲率半径越小，无衍射距离越大。
作为一个实施例，我们选择锥面底角γ＝10°，底面曲率半径R＝75mm，材料为SCHOTT公司N-BK7玻璃(n＝1.51509)，入射光为光束半径为a＝10mm的He-Ne激光束(波长λ＝632.8nm)。利用凹锥透镜的无衍射距离公式计算可得最大无衍射距离为471.220mm。作为对比，我们可以算出在光束半径也为10mm时相同底角、相同材料的传统轴棱锥产生的最大无衍射距离为111.235mm。本发明的凹锥透镜产生无衍射光最大无衍射距离比相同参数情况下的传统轴棱锥扩增了359.985mm。可见，凹锥透镜在提高无衍射距离方面具有明显的优势。
综上所述，本发明的可产生长距离无衍射光的凹锥透镜，其优点在于通过单一元件即可获得长距离无衍射光，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和凹锥透镜底面曲率半径R大小，即可实现对无衍射距离Zmax的可调作用。本发明在实际应用中，对于大尺度准直、线性测量和空间光通信具有特殊意义。

Claims (2)

1.一种产生长距离无衍射光的凹锥透镜，具有锥角为γ、底面半径为a、折射率为n的轴棱锥，此轴棱锥沿其轴向划分为圆柱部分和圆锥部分，其特征在于：以圆柱部分与圆锥部分相邻接的一端为内，另一端为外，此圆柱部分的外底面呈以此轴棱锥的轴线为中心的曲率半径为R的凹球面状。
2.根据权利要求1所述的一种产生长距离无衍射光的凹锥透镜，其特征在于：上述凹球面状由上述轴棱锥的底部磨削而成。
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CN110227884A (zh) * 2019-05-08 2019-09-13 桂林电子科技大学 基于无衍射光路设计的水导激光加工系统及方法

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