CN107741643A - 利用部分相干光产生Mathieu光束的光学系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了利用部分相干光产生Mathieu光束的光学系统，其包括光学平台，该光学平台上放置有LED光源，沿该LED的光路依次放置光阑、准直扩束系统、椭圆孔径和轴棱锥。通过本发明的光学系统，可以通过使用非相干光源—LED光源来产生无衍射Mathieu光束，为Mathieu光束的研究提供新的方式及更加有效的途径。该光学系统涉及光学元件少，结构简单，易于搭建和调试，操作简单。Mathieu光束在成像及扫描等方向展现出极大潜力，而利用非相干光作为光源拓展了Mathieu光束的研究领域。因此，该光学系统在实际应用中具有广阔的市场前景。

Description

利用部分相干光产生Mathieu光束的光学系统
技术领域
本发明涉及光学领域，具体是一种利用部分相干光产生Mathieu光束的光学系统。
背景技术
无衍射Mathieu光束的提出引起了人们的研究兴趣，类似无衍射Bessel光束，Mathieu光束同样具有自重建特性，可被用在非线性光学，光通信及光学微操作等领域，比Bessel光束更有价值的是Mathieu光束还可以被用于光学扫描。
目前对于Mathieu光束的研究主要基于相干的激光光源，而使用部分相干光产生无衍射Mathieu光束的研究鲜有报道。激光作为实验室常见的相干光光源，因其相干性强，方向性好及能量密度高等优点，被广泛应用于众多领域。相对于相干光，部分相干光在生活中更为常见。由于部分相干光束的光强均匀性较好、对散斑灵敏度低以及在大气中传输时抗扰动强等优点,因此在某些实际应用中是完全相干光所不及的。且部分相干光在传输的不变性等方面具有显著优势，这也使得部分相干光束在成像等方面得到广泛应用。因此对于部分相关光产生Mathieu光束的研究是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种利用部分相干光产生Mathieu光束的光学系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
利用部分相干光产生Mathieu光束的光学系统，包括光学平台，该光学平台上放置有LED光源，沿该LED光源的光路依次放置光阑、短焦距透镜、长焦距透镜、椭圆孔径和轴棱锥；光阑、短焦距透镜和长焦距透镜组成准直扩束系统，LED光源经此准直扩束系统后出射平行光，以光阑与短焦距透镜之间的距离为x，以短焦距透镜与长焦距透镜之间的距离为y，依据高斯公式，x和y之间近似满足其中f1为短焦距透镜的焦距，f2为长焦距透镜的焦距。
上述椭圆孔径为菲林片上刻画的椭圆孔径。
上述椭圆孔径的长轴与短轴的长度之比为2:1。
采用上述方案后,LED光源发出的光束经过光阑、短焦距透镜和长焦距透镜产生部分相干的平行光束；再经过椭圆孔径，将光束调制成带有椭圆高斯振幅的平行光束；再经过轴棱锥，最终得到Mathieu光束。可通过改变菲林片上椭圆孔径的长轴与短轴的长度之比对Mathieu光束进行精确调制。本光学系统结构简单，操作简单且能对Mathieu进行精准调控等优点；因此，在实际应用中具有广泛的市场前景。
附图说明
图1为本发明光学系统的结构示意图；
图2为本发明光学系统的光路示意图；
图3为本发明中光学系统的实验光斑图。
具体实施方式
为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。
本发明利用部分相干光产生Mathieu光束的光学系统，如图1所示，包括光学平台1和分别用固定支架2支撑定位的蓝光LED灯珠3、聚光筒4、光阑5、短焦距透镜6、长焦距透镜7、刻有椭圆孔径的菲林片8、轴棱锥9和体视显微镜10。
光学系统的搭建顺序如图1所示，蓝光LED灯珠3、聚光筒4、光阑5、短焦距透镜6、长焦距透镜7、刻有椭圆孔径的菲林片8、轴棱锥9和体视显微镜10从左到右依次排列。即，沿蓝光LED灯珠3的光路依次放置聚光筒4、光阑5、短焦距透镜6、长焦距透镜7、刻有椭圆孔径的菲林片8和轴棱锥9。
其中，蓝光LED灯珠3紧贴设置在聚光筒4大口端的端口，蓝光LED灯珠3发出的光经过聚光筒4进行聚光，由聚光筒4的小口端出射光束，起到提高相干度的作用。
由光阑5、短焦距透镜6和长焦距透镜7构成一个准直扩束系统，聚光筒4出射的光束经此准直扩束系统后出射平行光，以光阑5与短焦距透镜6之间的距离为x，以短焦距透镜6与长焦距透镜7之间的距离为y，依据高斯公式，x和y之间近似满足其中f1为短焦距透镜6的焦距，f2为长焦距透镜7的焦距。准直扩束系统的放大倍数可以根据需要通过选取不同的透镜焦距来调节。
菲林片8刻有椭圆孔径，此椭圆孔径的长轴与短轴的长度之比为2:1，本实施例中，椭圆孔径的长轴为20mm，椭圆孔径的短轴为20mm。
工作时，如图2所示，首先将蓝光LED灯珠3打开，蓝光LED灯珠3发出的光束经过聚光筒4进行聚光以及提高相干度，然后再经过光阑5、短焦距透镜6和长焦距透镜7准直扩束后，照射在刻有椭圆孔径的菲林片8上产生半径固定的光束(带有椭圆高斯振幅的平行光束)，通过轴棱锥9的线聚焦作用产生Mathieu光束。可通过改变改变菲林片8上椭圆孔径的长短轴长度之比来调控Mathieu光束的参数。
作为实施例，我们选择短焦距透镜6的焦距f1＝15mm、长焦距透镜7的焦距f2＝50mm，轴棱锥9的底角γ＝1°，折射率n＝1.458，实验时，根据图1的元件顺序搭建光学系统。并在轴棱锥9后不同距离Z处用体视显微镜10观察光强分布，光学系统的实验光斑图如图3所示。
由此，本发明的光学系统将为Mathieu光束的获取打开新的大门，使部分相干光应用在特殊光束Mathieu光束方向上，其市场前景也是非常的广阔的。
上述实施例和图式并非限定本发明系统的产品形态和式样，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系统的专利范畴。

Claims (3)

1.利用部分相干光产生Mathieu光束的光学系统，其特征在于：包括光学平台，该光学平台上放置有LED光源，沿该LED光源的光路依次放置光阑、短焦距透镜、长焦距透镜、椭圆孔径和轴棱锥；光阑、短焦距透镜和长焦距透镜组成准直扩束系统，LED光源经此准直扩束系统后出射平行光，以光阑与短焦距透镜之间的距离为x，以短焦距透镜与长焦距透镜之间的距离为y，依据高斯公式，x和y之间近似满足其中f1为短焦距透镜的焦距，f2为长焦距透镜的焦距。
2.如权利要求1所述的利用部分相干光产生Mathieu光束的光学系统，其特征在于：上述椭圆孔径为菲林片上刻画的椭圆孔径。
3.如权利要求1或2所述的利用部分相干光产生Mathieu光束的光学系统，其特征在于：上述椭圆孔径的长轴与短轴的长度之比为2:1。
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