CN104570341B - 一种在圆锥透镜阴影区合成无衍射光束的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种在圆锥透镜阴影区合成无衍射光束的方法，包括如下步骤：（1）将平行激光束照射在圆锥透镜上；所述平行激光束与圆锥透镜的轴线平行；（2）将聚焦透镜组置于圆锥透镜的阴影区的截面上，并调整聚焦透镜组的焦距，使得圆锥透镜处在聚焦透镜组的焦平面上；（3）在聚焦透镜组后得到无衍射光束。本发明可以获得超长范围内的近似无衍射光束；消除了无衍射光束传播距离对圆锥透镜锥面与底面的锥角小难以加工的局限；结构简洁，安装便捷、实现方便。本发明还同时提供了一种在圆锥透镜阴影区无衍射光束合成装置。

Description

一种在圆锥透镜阴影区合成无衍射光束的方法和装置
技术领域
本发明属于光学衍射应用领域，特别涉及一种利用圆锥透镜阴影区合成无衍射光束的方法和装置。
背景技术
由于无衍射光束沿传播方向的截面光强分布恒定不变特性，被广泛应用于诸多领域，譬如在精密工程中常被作为理想空间直线基准。而合成近无衍射方式繁多，较为通用的方式有环缝法、法布里-珀罗干涉法与最简洁的圆锥透镜合成方法等。然而，传统的这些合成方式的无衍射范围都会受到光学器件或结构等参数限制，难以实现超长距离范围的无衍射；且环缝法与法布里-珀罗干涉法这两种方式光学实现较为复杂，而高质量小锥角大孔径圆锥透镜加工困难，妨碍了无衍射光束在超大尺度空间中的应用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种在圆锥透镜阴影区合成无衍射光束的方法，该方法可实现具有超长衍射范围的无衍射光束，可作为超大尺度空间中的理想的直线基准。本发明还同时提供了一种无衍射光束合成装置。
本发明的所采用的具体技术方案为：
一种在圆锥透镜阴影区合成无衍射光束的方法，包括如下步骤：
(1)将平行激光束照射在圆锥透镜上；所述平行激光束与圆锥透镜的轴线平行；
(2)将聚焦透镜组置于圆锥透镜的阴影区的截面上，并调整聚焦透镜组的焦距，使得圆锥透镜处在聚焦透镜组的焦平面上；
(3)在聚焦透镜组后得到无衍射光束。
本发明还同时提供了一种无衍射光束合成装置，包括平面波激光发射装置、圆锥透镜和聚焦透镜组，所述平面波激光发射装置发射出的平行激光束照射在圆锥透镜上，所述平行激光束与圆锥透镜的轴线平行；所述聚焦透镜组位于圆锥透镜的阴影区的截面上，圆锥透镜处在聚焦透镜组的焦平面上。
本发明所述的圆锥透镜阴影区合成无衍射光束的方法及装置具有以下有益效果：
1.由于本发明中合成的无衍射光束是将圆锥透镜阴影区的泊松衍射斑进行准直，其无衍射的传播距离Lmax等于聚焦透镜的焦距和聚焦透镜的有效孔径与圆锥透镜的孔径的比值的乘积，也即可表示为Lmax＝F×Rf/R，其中F为聚焦透镜的焦距，R、Rf分别为圆锥透镜与聚焦透镜的有效孔径。在圆锥透镜结构参数不变的情况下，通过调整聚焦透镜组的孔径便可实现对无衍射传播距离的线性放大。因此本发明可以获得超长范围内的近似无衍射光束；
2.由于该方式合成无衍射的传播距离Lmax由聚焦透镜的焦距F与孔径比值Rf/R共同决定，在合成特征范围的无衍射光束时，可通过调节孔径比值Rf/R来实现，因此消除了无衍射光束传播距离对圆锥透镜锥面与底面的锥角小难以加工的局限；
3.此种无衍射光束的实现方式，仅需一块圆锥透镜和满足条件的聚焦透镜组，仅通过镜筒便可安装固定。所以其结构简洁，安装便捷、实现方便。
附图说明
图1为本发明所述无衍射光束合成装置的结构图；
图2为圆锥透镜的结构图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明提供了一种无衍射光束合成装置，如图1所示，包括平面波激光发射装置1、圆锥透镜2和聚焦透镜组3，所述平面波激光发射装置1发射出的平行激光束照射在圆锥透镜2上，所述平行激光束与圆锥透镜的轴线平行；所述聚焦透镜组3位于圆锥透镜2的阴影区S的截面上，圆锥透镜2处在聚焦透镜组3的焦平面上。
所述平面波激光发射装置1是具备激光产生以及能对激光束准直扩束功能的可直接发射出平行激光束的装置，圆锥透镜2是能被光束透射的且侧面为圆锥面的透镜，其结构简图如图2所示；聚焦透镜组3为具有对光束聚焦功能的透镜组。
图1、2中f为聚焦透镜组的焦距，Zmax≈R/[(n-1)θ]为圆锥透镜2的最大无衍射距离，其中R为圆锥透镜2的有效半径，θ为锥面与底面的夹角，n为折射率。
采用上述无衍射光束合成装置合成无衍射光束的方法包括如下步骤：
(1)平面波激光发射装置1发射出平行激光束，照射在圆锥透镜2上，并保持平行激光束与圆锥透镜2的轴线平行；圆锥透镜2后的阴影区S产生光强呈零阶贝塞尔分布，相位近似呈球面波的泊松衍射斑；
(2)将聚焦透镜组3置于圆锥透镜2的阴影区的截面上，并调整焦距使得圆锥透镜2刚好处在聚焦透镜组3的焦平面上；
(3)在聚焦透镜组3其后便可实现无衍射光束的合成。泊松衍射斑经聚焦透镜组3准直后，截屏面上的球面波便转换为平面波，且其强度分布仍然服从零界贝塞尔函数。也即在其后近轴区域内的泊松衍射斑光斑直径大小与传播距离无关，截面上光强分布保持不变。本发明可以大大提高近似无衍射光束的无衍射距离，则可理论上合成无穷远距空间中的无衍射光束。
实施例：
本实施例采用功率为0.8毫瓦、波长为632.8nm以及光束半径为30mm的平面波氦氖激光发射装置1；直径为25.4mm,夹角θ为0.5°的圆锥透镜2，和由焦距分别为+400mm与-400mm，直径均为50.8mm的平凸透镜和平凹透镜组合构成焦距为+6m的聚焦透镜组3来构成无衍射光束合成装置。并将聚焦透镜组3置于距圆锥透镜2的锥面顶点6m处的光轴截面处，激光发射装置1发出的平面波照射于圆锥透镜2上，并确保平面波激光发射装置1、圆锥透镜2和聚焦透镜组3同轴，则在聚焦透镜组3后的近轴域内便形成了传播距离达12m无衍射光束，而采用直径为25.4mm,锥面夹角θ为0.5°圆锥透镜2合成的无衍射光束的传播距离仅为2.91m。通过调节聚焦透镜组3的焦距大小与其相对圆锥透镜2的相应位置关系，和圆锥透镜2与聚焦透镜组3的有效孔径比，可实现更大尺度范围的无衍射光束的合成。
以上所述为本发明的较佳实施例而已，但本发明不应该局限于该实施例和附图所公开的内容。所以凡是不脱离本发明所公开的精神下完成的等效或修改，都落入本发明保护的范围。

Claims (2)

1.一种在圆锥透镜阴影区合成无衍射光束的方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将平行激光束照射在圆锥透镜上；所述平行激光束与圆锥透镜的轴线平行；
(2)将聚焦透镜组置于圆锥透镜的阴影区的截面上，并调整聚焦透镜组的焦距，使得圆锥透镜处在聚焦透镜组的焦平面上；
(3)在聚焦透镜组后得到无衍射光束，该无衍射光束将所述圆锥透镜阴影区的泊松衍射斑进行准直，其无衍射的传播距离Lmax等于聚焦透镜的焦距F和聚焦透镜的有效孔径与圆锥透镜的孔径的比值Rf/R的乘积，即表示为Lmax＝F×Rf/R，其中F为聚焦透镜的焦距，R、Rf分别为圆锥透镜与聚焦透镜的有效孔径，在圆锥透镜结构参数不变的情况下，通过调整聚焦透镜组的孔径便能够实现对无衍射传播距离的线性放大，无衍射的传播距离Lmax由聚焦透镜的焦距F与孔径比值Rf/R共同决定，在合成特征范围的无衍射光束时，能够通过调节孔径比值Rf/R来实现，以消除无衍射光束传播距离对圆锥透镜锥面与底面的锥角小难以加工的局限。
2.一种无衍射光束合成装置，其特征在于，包括平面波激光发射装置(1)、圆锥透镜(2)和聚焦透镜组(3)，所述平面波激光发射装置(1)发射出的平行激光束照射在圆锥透镜(2)上，所述平行激光束与圆锥透镜的轴线平行；所述聚焦透镜组(3)位于圆锥透镜(2)的阴影区的截面上，圆锥透镜(2)处在聚焦透镜组(3)的焦平面上；
该装置工作时，将平行激光束照射在圆锥透镜上，在聚焦透镜组后得到无衍射光束，该无衍射光束将所述圆锥透镜阴影区的泊松衍射斑进行准直，其无衍射的传播距离Lmax等于聚焦透镜的焦距F和聚焦透镜的有效孔径与圆锥透镜的孔径的比值Rf/R的乘积，即表示为Lmax＝F×Rf/R，其中F为聚焦透镜的焦距，R、Rf分别为圆锥透镜与聚焦透镜的有效孔径，在圆锥透镜结构参数不变的情况下，通过调整聚焦透镜组的孔径便能够实现对无衍射传播距离的线性放大，无衍射的传播距离Lmax由聚焦透镜的焦距F与孔径比值Rf/R共同决定，在合成特征范围的无衍射光束时，能够通过调节孔径比值Rf/R来实现，以消除无衍射光束传播距离对圆锥透镜锥面与底面的锥角小难以加工的局限。
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