CN107247297B - 一种组合式轴棱锥装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种组合式轴棱锥装置，采用负轴棱锥和正轴棱锥构成组合式轴棱锥装置，并且通过正负轴棱锥间填充介质的更换或正负轴棱锥间距的变化，使传统组合式轴棱锥突破受单轴棱锥底角的限制，产生高质量、长距离的无衍射光束，改变正、负轴棱锥之间的光学介质折射率，即可改变组合式轴棱锥装置的最大无衍射距离，有利于进行无衍射距离等参数的调谐；同时本发明采用组合式轴棱锥装置有利于降低单个元件的加工难度，从而降低加工成本，扩展了无衍射光束的应用。

Description

一种组合式轴棱锥装置

技术领域

本发明属于激光技术领域，尤其涉及一种组合式轴棱锥装置。

背景技术

轴棱锥(axicon)是McLeod于1954年提出的光学元件，所谓轴棱锥就是可以产生空心激光束的一个折射或衍射成像轴对称光学元件，经过其轴棱锥的光线沿其中心轴会不断扩大，在一定范围内可产生近似的无衍射光束。它在光学领域有着极其重要的应用。现在存在各种各样的轴棱锥，根据作用不同可分为正轴棱锥和负轴棱锥。光束通过轴棱锥时，经过反射和透射，光束会聚或者发散，但是共同的一点是它们都是一个圆锥形的透镜，都构成一个圆锥聚焦系统。

自Dumin提出无衍射贝塞尔(Bessel)光之后，因为采用轴棱锥产生贝塞尔光束的实验装置比较简单，转换效率也比较高，所以一个比较重要应用就是用它可产生近似无衍射贝塞尔光。但是，由于轴棱锥的锥体结构特性，利用其产生无衍射光束受到轴棱锥底角的限制，要产生高质量、长距离的无衍射光束要求轴棱锥的底角越小越好，这就增加了元件的加工难度，提高加工成本，从而限制了无衍射光束的应用。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供一种组合式轴棱锥装置，在一定程度上实现了平行光束经过组合式轴棱锥获得高质量参数可调的无衍射光束，即将组合轴棱锥浸入折射率相匹配的液体中(液体的折射率必须小于轴棱锥的折射率)通过改变液体的折射率来调节无衍射光束的参数。当液体的折射率接近轴棱锥的折射率时，可以产生焦深很长的无衍射光束。此方法简单易操作，光学元件较少，避免了边缘衍射；且浸入液体的轴棱锥可以调换，大大提高了轴棱锥的利用率，为无衍射光束进一步的工程应用提供了技术支撑。

一种组合式轴棱锥装置，其特征在于，包括负轴棱锥2、正轴棱锥4以及位于负轴棱锥2和正轴棱锥4之间、且与负轴棱锥2和正轴棱锥4的形状相匹配的光学介质；所述光学介质为折射率匹配液或光胶；所述光学介质的折射率取值区间为1至1.5；

所述负轴棱锥2的凹锥面与正轴棱锥4的凸锥面相对；

所述负轴棱锥2和正轴棱锥4的折射率均大于光学介质的折射率；其中，如果所述负轴棱锥2与正轴棱锥4材料不相同，则负轴棱锥2的折射率不小于正轴棱锥4的折射率，此时，最大无衍射距离Z_max计算公式可表示为：

如果所述负轴棱锥2与正轴棱锥4材料相同，则正轴棱锥4的底角大于负轴棱锥2的底角，此时，最大无衍射距离Z_max计算公式可表示为：

其中，R为入射光束的半径，n₁为负轴棱锥(2)折射率，n₂为填充匹配液介质折射率，n₃为正轴棱锥(4)折射率，γ₁为负轴棱锥(2)底角，γ₂为正轴棱锥(4)底角，正轴棱锥4的底角为凸锥面与底面的夹角，负轴棱锥2的底角为凹锥面与底面的夹角；

所述负轴棱锥2的底面作为入射面，正轴棱锥4的底面作为出射面。

进一步地，还包括镜筒3；

所述负轴棱锥2和正轴棱锥4分别固定在镜筒3的两端，且两者之间填充光学介质。

进一步地，还包括压盖、螺母、密封堵头以及垫片，所述负轴棱锥2和正轴棱锥4通过压盖和螺母分别固定在镜筒3中，且负轴棱锥2和正轴棱锥4与镜筒3的接触面设有垫片，同时镜筒3的筒身上设有开口，并用与开口匹配的密封堵头进行封堵。

进一步地，还包括镜筒3和滑筒8；

所述滑筒8匹配嵌套在镜筒3中，并与镜筒3形成滑动配套；

所述负轴棱锥2固定在滑筒8内，正轴棱锥4固定在镜筒3内；

所述负轴棱锥2和正轴棱锥4之间填充光学介质。

进一步地，还包括压盖、螺母、密封堵头以及垫片，所述负轴棱锥2和正轴棱锥4通过压盖和螺母分别固定在滑筒8和镜筒3中；

所述负轴棱锥2与滑筒8的接触面、正轴棱锥4与镜筒3的接触面均设有垫片，同时镜筒3的筒身上设有开口，并用与开口匹配的密封堵头进行封堵。

进一步地，所述负轴棱锥2和正轴棱锥4的材料均为N－BK7。

进一步地，所述负轴棱锥2材料为N－BAK2，所述正轴棱锥4材料为N－BK7。

进一步地，所述负轴棱锥2底角γ₁为10°，且负轴棱锥2和正轴棱锥4的底角差为0.1°至1.0°。

有益效果：

本发明采用负轴棱锥和正轴棱锥构成组合式轴棱锥装置，并且通过正负轴棱锥间填充介质的更换或正负轴棱锥间距的变化，使传统组合式轴棱锥突破受单轴棱锥底角的限制，产生高质量、长距离的无衍射光束，改变正、负轴棱锥之间的光学介质折射率，即可改变组合式轴棱锥装置的最大无衍射距离，有利于进行无衍射距离等参数的调谐；

同时本发明采用组合式轴棱锥装置有利于降低单个元件的加工难度，从而降低加工成本，扩展了无衍射光束的应用。

附图说明

图1(a)为本发明的负轴棱锥结构示意图；

图1(b)为本发明的正轴棱锥结构示意图；

图2为本发明浸液式固定组合轴棱锥装置结构示意图；

图3为本发明浸液式滑动组合轴棱锥装置结构示意图；

图4为本发明浸液式固定组合轴棱锥装置三维结构示意图；

图5为本发明浸液式滑动组合轴棱锥装置三维结构示意图；

图6(a)为模拟得到的平面波经负轴棱锥的光线追迹图；

图6(b)为模拟得到的平面波经正轴棱锥的光线追迹图；

图7为本发明设计的浸液式组合轴棱锥结构及光线追迹示意图；

图8(a)为同种材料不同锥面底角的组合轴棱锥结构示意图；

图8(b)为同锥面底角不同材料的组合轴棱锥结构示意图；

1－压盖、2－负轴棱锥、3－镜筒、4－正轴棱锥、5－密封堵头、6－螺母、7－垫片、8－滑筒。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细叙述。

实施例一：

如图2和图4所示，本实施例的组合式轴棱锥装置结构，包括压盖1、负轴棱锥2、正轴棱锥4、位于负轴棱锥2和正轴棱锥4之间、且与负轴棱锥2和正轴棱锥4的形状相匹配的光学介质、镜筒3、密封堵头5、螺母6以及垫片7；

所述负轴棱锥2的凹锥面与正轴棱锥4的凸锥面相对；其中图1(a)为本发明的负轴棱锥结构示意图；图1(b)为本发明的正轴棱锥结构示意图；

所述负轴棱锥2和正轴棱锥4分别固定在镜筒3的两端，且负轴棱锥2和正轴棱锥4与镜筒3的接触面设有垫片7；

所述镜筒3中，即负轴棱锥2和正轴棱锥4之间填充光学介质，且筒身上设有开口，并用与开口匹配的密封堵头进行封堵。

所述负轴棱锥2通过压盖1和螺母6固定在镜筒3的一端，正轴棱锥4通过压盖1和螺母6固定在镜筒3的另一端。

当入射光束半径为10mm，正、负轴棱锥材料均为N－BK7(折射率为1.51509)，负轴棱锥2底角γ₁为10°时，最大无衍射距离随n₂及正负轴棱锥底角差γ₂－γ₁变化情况，负轴棱锥2和正轴棱锥4结构如图1(a)、图1(b)所示。考虑到加工误差，计算中底角差取值区间为0.1°至1.0°，匹配液折射率取值区间为1至1.5。通过分析可以得出，最大无衍射距离随匹配液折射率的增加而增大，随底角差γ₂－γ₁的增大而减小。当轴棱锥间介质折射率1.458≤n₂＜1.5，底角差0.1°＜γ₂－γ₁≤0.37°时，最大无衍射距离可达100米以上。

实施例二：

如图3和图5所示，本实施例的组合式轴棱锥装置结构设计成可滑动式结构，包括压盖1、负轴棱锥2、正轴棱锥4、位于负轴棱锥2和正轴棱锥4之间、且与负轴棱锥2和正轴棱锥4的形状相匹配的光学介质、镜筒3、密封堵头5、螺母6、垫片7以及滑筒8；

所述负轴棱锥2的凹锥面与正轴棱锥4的凸锥面相对；其中图1(a)为本发明的负轴棱锥结构示意图；图1(b)为本发明的正轴棱锥结构示意图；

所述滑筒8匹配嵌套在镜筒3中；

所述负轴棱锥2固定在滑筒8与镜筒3的嵌套端，正轴棱锥4固定在镜筒3远离所述嵌套端的另一端；

所述负轴棱锥2与滑筒8的接触面、正轴棱锥4与镜筒3的接触面均设有垫片7；

所述镜筒3中，即负轴棱锥2和正轴棱锥4之间填充光学介质，且筒身上设有开口，并用与开口匹配的密封堵头进行封堵。

所述负轴棱锥2通过压盖1和螺母6固定在滑筒8与镜筒3的嵌套端，正轴棱锥4通过压盖1和螺母6固定在镜筒3远离所述嵌套端的另一端。

取负轴棱锥2的材料为N－BAK2(折射率为1.53806)、正轴棱锥4的材料为N－BK7(折射率为1.51509)，则可以分析得到最大无衍射距离Z_max与轴棱锥间介质折射率n₂及负轴棱锥底角γ₁之间的关系。当折射率n₂取样范围为1至1.45，取样间隔为0.001，底角γ₁取样范围为0.01°至2°，取样间隔为0.01°。最大无衍射距离对角度加工偏差和折射率变化非常敏感；为实现较大的无衍射距离，当介质折射率n₂较大时，应减小正、负轴棱锥的底角γ₂和γ₁。当无法继续减小正、负轴棱锥底角时，可以通过改变正、负轴棱锥之间的距离L来进行增大无衍射距离和调整输出空心光束的大小。

下面对实施例一和实施例二进行效果的推导和模拟。

平面波经过正(负)轴棱锥转换为会聚(发散)的锥面波，锥面波相干叠加区域产生无衍射贝塞尔光。图6(a)、图6(b)分别为模拟得到的平面波经负、正轴棱锥的光线追迹图。在平行光入射情况下，最大无衍射距离由式(1)决定。

Z_max≈R/θ＝R/[(n-1)γ] (1)

式中R为光束半径，θ为出射光线的会聚角或发散角，n为轴棱锥的折射率，γ为轴棱锥的底角。

如图8(a)、图8(b)分别为传统的同种材料不同锥面底角的组合轴棱锥结构示意图和同锥面底角不同材料的组合轴棱锥结构示意图；其中，同种材料不同锥面底角组合轴棱锥的最大无衍射距离分别由式(2)决定，同锥面底角不同材料组合轴棱锥的最大无衍射距离由式(3)决定。

Z_max≈R/[(n-1)(γ₁-γ₂)] (2)

Z_max≈R/[(n₀-n'₀)γ] (3)

式中γ₁、γ₂分别为同种材料不同锥面底角的负、正轴棱锥的底角，且γ₂>γ₁，γ为同锥面底角不同材料的正、负轴棱锥的底角，n₀是正轴棱锥的折射率，n'₀为负轴棱锥的折射率，且正、负轴棱锥的底角相同，即均为γ，且n₀>n'₀；其中，正轴棱锥4的底角为凸锥面与底面的夹角，负轴棱锥2的底角为凹锥面与底面的夹角；

图7是本发明设计的浸液式组合轴棱锥结构及光线追迹示意图。图中A₁B₁C₁D₁E₁区域为负轴棱锥，折射率为n₁，底角为γ₁；A₂B₂C₂D₂E₂区域为正轴棱锥，折射率为n₃，底角为γ₂；正负轴棱锥之间为折射率n₂的介质，该介质可以是折射率匹配液、光胶或其它光学介质，其中n₂<n₃≤n₁；点虚线为入射光线轨迹。

建立图7所示的直角坐标系，x轴与正、负轴棱锥的轴线重合，y轴与负轴棱锥的底面平行，坐标原点位于负轴棱锥底面的中心。假设负轴棱锥顶点至底面的距离为d₁，正轴棱锥顶点至底面的距离为d₂，正、负轴棱锥顶点间的间距B₁B₂为L。

将正轴棱锥顶点由B₂点移动到B₃点，增加正负轴棱锥之间的距离L，从而，由图2可以看出，出射光线与x轴的会聚交点也发生了后移，增大了无衍射长度。因此，当无法继续减小正、负轴棱锥底角及匹配液折射率时，可以通过改变正、负轴棱锥之间的距离L来进行增大无衍射距离。

根据几何光学原理易知，自(0,y₀)点平行入射光线传输至正轴棱锥底面D₂E₂时，光线在底面D₂E₂处发射折射，

为出射光线入射角，出射光线的会聚角θ为：

θ＝sin^-1[n₃sin(φ₂)] (4)

当轴棱锥的底角γ₁、γ₂很小时，采用小角度近似，可得会聚角θ计算公式为

θ＝(n₃-n₂)γ₂-(n₁-n₂)γ₁ (7)

θ＝(n₃-n₂)(γ₂-γ₁)+(n₃-n₁)γ₁ (8)

此时，最大无衍射距离Z_max计算公式可表示为：

当n₃＝n₁时，最大无衍射距离计算公式可表示为：

其中，R为入射光束的半径，n₁为负轴棱锥折射率，n₂为填充匹配液介质折射率，n₃为正轴棱锥折射率，γ₁为负轴棱锥底角，γ₂为正轴棱锥底角。

由上述公式可知：最大无衍射距离不仅与正、负轴棱锥的折射率有关外，还与中间的光学介质折射率n₂有关，改变n₂即可改变该系统的最大无衍射距离。同时，最大无衍射距离与正、负轴棱锥顶点间的间距L相关，调整L可改变最大无衍射距离，在一定范围内随着正、负轴棱锥顶点间的间距L的增大无衍射距离也将增大。

当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种组合式轴棱锥装置，其特征在于，包括负轴棱锥(2)、正轴棱锥(4)以及位于负轴棱锥(2)和正轴棱锥(4)之间、且与负轴棱锥(2)和正轴棱锥(4)的形状相匹配的光学介质；所述光学介质为折射率匹配液；所述光学介质的折射率取值区间为1至1.5；

所述负轴棱锥(2)的凹锥面与正轴棱锥(4)的凸锥面相对；

所述负轴棱锥(2)和正轴棱锥(4)的折射率均大于光学介质的折射率；其中，如果所述负轴棱锥(2)与正轴棱锥(4)材料不相同，则负轴棱锥(2)的折射率不小于正轴棱锥(4)的折射率，此时，最大无衍射距离Z_max计算公式可表示为：

如果所述负轴棱锥(2)与正轴棱锥(4)材料相同，则正轴棱锥(4)的底角大于负轴棱锥(2)的底角，此时，最大无衍射距离Z_max计算公式可表示为：

其中，R为入射光束的半径，n₁为负轴棱锥(2)折射率，n₂为填充匹配液介质折射率，n₃为正轴棱锥(4)折射率，γ₁为负轴棱锥(2)底角，γ₂为正轴棱锥(4)底角，所述正轴棱锥(4)的底角为凸锥面与底面的夹角，所述负轴棱锥(2)的底角为凹锥面与底面的夹角；

所述负轴棱锥(2)的底面作为入射面，正轴棱锥(4)的底面作为出射面。

2.如权利要求1所述的一种组合式轴棱锥装置，其特征在于，还包括镜筒(3)；

所述负轴棱锥(2)和正轴棱锥(4)分别固定在镜筒(3)的两端，且两者之间填充光学介质。

3.如权利要求2所述的一种组合式轴棱锥装置，其特征在于，还包括压盖、螺母、密封堵头以及垫片，所述负轴棱锥(2)和正轴棱锥(4)通过压盖和螺母分别固定在镜筒(3)中，且负轴棱锥(2)和正轴棱锥(4)与镜筒(3)的接触面设有垫片，同时镜筒(3)的筒身上设有开口，并用与开口匹配的密封堵头进行封堵。

4.如权利要求1所述的一种组合式轴棱锥装置，其特征在于，还包括镜筒(3)和滑筒(8)；

所述滑筒(8)匹配嵌套在镜筒(3)中，并与镜筒(3)形成滑动配套；

所述负轴棱锥(2)固定在滑筒(8)内，正轴棱锥(4)固定在镜筒(3)内；

所述负轴棱锥(2)和正轴棱锥(4)之间填充光学介质。

5.如权利要求4所述的一种组合式轴棱锥装置，其特征在于，还包括压盖、螺母、密封堵头以及垫片，所述负轴棱锥(2)和正轴棱锥(4)通过压盖和螺母分别固定在滑筒(8)和镜筒(3)中；

所述负轴棱锥(2)与滑筒(8)的接触面、正轴棱锥(4)与镜筒(3)的接触面均设有垫片，同时镜筒(3)的筒身上设有开口，并用与开口匹配的密封堵头进行封堵。

6.如权利要求1-5中任一权利要求所述的一种组合式轴棱锥装置，其特征在于，所述负轴棱锥(2)和正轴棱锥(4)的材料均为N-BK7。

7.如权利要求1-5中任一权利要求所述的一种组合式轴棱锥装置，其特征在于，所述负轴棱锥(2)材料为N-BAK2，所述正轴棱锥(4)材料为N-BK7。

8.如权利要求7所述的一种组合式轴棱锥装置，其特征在于，所述负轴棱锥(2)底角γ₁为10°，且负轴棱锥(2)和正轴棱锥(4)的底角差为0.1°至1.0°。

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