CN109814184A - 复合光学透镜、激光装置及长焦深涡旋光束的产生方法 - Google Patents

Abstract

本申请实施例提供一种复合光学透镜、激光装置及长焦深涡旋光束的产生方法，属于激光装置技术领域。复合光学透镜具有用于同一光束穿过的第一透镜面和第二透镜面，第一透镜面为螺旋相位面，第二透镜面为锥镜面，螺旋相位面沿远离第二透镜面的方向螺旋延伸，锥镜面的尖端远离第一透镜面，螺旋相位面的轴线与锥镜面的轴线重合。激光装置中，使激光光束依次穿过第一透镜面和第二透镜面或者使激光光束依次穿过第二透镜面和第一透镜面，得到长焦深涡旋光束，利于光学器件的研究。

Description

复合光学透镜、激光装置及长焦深涡旋光束的产生方法

技术领域

本申请涉及激光装置技术领域，具体而言，涉及一种复合光学透镜、激光装置及长焦深涡旋光束的产生方法。

背景技术

涡旋光束是一种特殊的光场，其重要性表现在具有特殊的螺旋上升波前结构和确定的光子轨道角动量，在远场可聚焦成环形的光陷，具有广泛的应用价值，如：在光学微操作方面，涡旋光束对微小物质有力学作用，可实现对低折射率粒子、生物分子、冷原子的捕获、控制和旋转等微操作；在非线性光学系统中，涡旋光束可以产生波导，在光开关技术中具有潜在应用价值；在光信息处理中涡旋光束的螺旋相位可实现二维图像等向性边缘增强；在激光加工中，高功率涡旋激光实现异构型结构的加工。

目前，产生高功率涡旋光束的方法主要有腔内法和腔外法。腔内法是激光谐振腔内插入整形器件，直接输出具有一定功率密度的涡旋光束。腔外法是在腔外或激光器终端插入涡旋光束器件，具有器件简单、转换效率高、不改变已有激光系统结构等方面的优势，采用的涡旋光器件主要有液晶光阀，Y型光栅、计算全息光栅、模式转换透镜组、螺旋相位板等方法。但不管腔内法还是腔外法，其产生的涡旋光束的光束焦深非常短，通常在波长量级，这对利用涡旋光束实现光学微操作、光学加工过程中的对准精度要求极高，不利于控制和操作。

发明内容

本申请的目的在于提供一种复合光学透镜、激光装置及长焦深涡旋光束的产生方法，能够获得长焦深的涡旋光束。

第一方面，本申请实施例提供一种复合光学透镜，具有用于同一光束穿过的第一透镜面和第二透镜面，第一透镜面为螺旋相位面，第二透镜面为锥镜面，螺旋相位面沿远离第二透镜面的方向螺旋延伸，锥镜面的尖端远离第一透镜面，螺旋相位面的轴线与锥镜面的轴线重合。

如果先使激光光束穿过第一透镜面，通过螺旋相位面对激光光束进行折射，可以得到与激光波长匹配的涡旋相位，使远场产生涡旋光束，再穿过第二透镜面，通过锥镜面进行再次折射，可以延长涡旋光束的焦深，得到长焦深涡旋光束，从而利于光学器件的研究。或者先通过锥镜面进行第一次折射，再通过螺旋相位面进行第二次折射，得到长焦深的涡旋光束。

结合第一方面，在另一实施例中，螺旋相位面为平滑螺旋相位面。使用平滑的螺旋相位面作为第一透镜面，使得到的涡旋光束的分布更加均匀，光斑的形成更加明显。

结合第一方面，在另一实施例中，平滑螺旋相位面的分布满足：

其中，r为复合光学透镜的径向半径，θ为复合光学透镜的方位角，ι为螺旋相位的拓扑荷数，λ为激光的波长，n_spp为复合光学透镜在波长为λ时的材料折射率。

激光光源确定，则激光的波长λ为确定值，复合光学透镜的材料确定，则复合光学透镜在波长为λ时的材料折射率n_spp为确定值，平滑螺旋相位面的拓扑荷数ι也为确定值。那么，通过复合光学透镜的半径和方位角，能够计算出平滑螺旋相位面的高度，则可以确定平滑螺旋相位面的形状，以便确定第一透镜面的结构，使第一透镜面的结构更加精确。

结合第一方面，在另一实施例中，螺旋相位面为阶梯状螺旋相位面。使用阶梯状螺旋相位面作为第一透镜面，能够得到涡旋光束。

结合第一方面，在另一实施例中，锥镜面的母线为线段。能够延长涡旋光束的焦深。

结合第一方面，在另一实施例中，锥镜面的母线为圆弧线段，圆弧线段朝向远离轴线的方向凸出。能够延长涡旋光束的焦深。

结合第一方面，在另一实施例中，锥镜面的母线为对数线段，对数线段朝向远离轴线的方向凸出。得到对数面，使涡旋光束的焦深更长。

结合第一方面，在另一实施例中，对数线段的分布满足：

a＝(d₂-d₁)/R²

其中，r为复合光学透镜的径向半径，θ为复合光学透镜的方位角，ι为螺旋相位的拓扑荷数，λ为激光的波长，n_spp为复合光学透镜在波长为λ时的材料折射率，R为对数面的通光半径，d₁为对数面与第一远场平面之间的轴向距离，d₂为对数面与第二远场平面之间的轴向距离。

其中，d₂-d₁为涡旋光束的焦深，R为复合光学透镜的最大半径，通过复合光学透镜的半径和方位角，从而计算出对数面的高度，从而可以确定对数面的形状，以便确定第二透镜面的结构，使第二透镜面的结构更加精确。从而能够得到长焦深的涡旋光束。

第二方面，本申请实施例提供一种激光装置，包括上述复合光学透镜，激光光束穿过上述复合光学透镜，使激光装置能够获得长焦深的涡旋光束，利于光学器件的研究。

第三方面，本申请实施例提供一种长焦深涡旋光束的产生方法，适用于上述激光装置，产生方法包括：使激光光束依次穿过第一透镜面和第二透镜面或使激光光束依次穿过第二透镜面和第一透镜面。能够获得长焦深的涡旋光束，利于光学器件的研究。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图也属于本申请的保护范围。

图1为本申请实施例中激光装置的光路示意图；

图2为本申请实施例中复合光学透镜的螺旋相位板的第一结构示意图；

图3为本申请实施例中复合光学透镜的螺旋相位板的第二结构示意图；

图4为本申请实施例中复合光学透镜的锥形体和柱型体配合的第一结构示意图；

图5为本申请实施例中复合光学透镜中锥镜面的对数母线分布图；

图6为本申请实施例中复合光学透镜中锥镜面的线段母线分布图；

图7为本申请实施例中复合光学透镜中锥镜面的弧线段母线分布图；

图8为本申请实施例中第一远场的第一光斑分布图；

图9为本申请实施例中第二远场的第二光斑分布图；

图10为本申请实施例中第三远场的第三光斑分布图。

图标：11-激光源；101-激光光束；12-复合光学透镜；121-第一透镜面；122-第二透镜面；13-第一远场；14-第二远场；15-第三远场；131-第一光斑；141-第二光斑；151-第三光斑；20-螺旋相位板；30-柱型体；40-锥形体；21-螺旋相位面；22-螺旋侧面；31-圆柱面；41-锥镜面。

具体实施方式

为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行描述。

实施例

图1为本申请实施例中激光装置的光路示意图。请参阅图1，本实施例中，激光装置包括激光源11和复合光学透镜12。其中，激光源11能发射高功率单波长的激光。为了观察激光装置发出的激光光束101经过复合光学透镜12的折射以后得到涡旋光束的光斑，从而计算出涡旋光束的焦深，在复合光学透镜12的远离激光源11的一侧依次设置第一远场13、第二远场14和第三远场15。

也就是说：激光源11、复合光学透镜12、第一远场13、第二远场14和第三远场15依次设置，如图1，激光源11、复合光学透镜12、第一远场13、第二远场14和第三远场15从左到右依次设置。其中，第一远场13、第二远场14和第三远场15均平行，从而在第一远场13上形成第一光斑131，第二远场14上形成第二光斑141，第三远场15上形成第三光斑151，计算出每个光斑的直径，相邻的第一光斑131和第三光斑151的直径差为涡旋光束的焦深。

需要说明的是，第一远场13设置的位置为能够刚好形成光斑的位置，第三远场15的位置为能够最后能够形成光斑的位置，第一远场13和第三远场15之间均能够形成光斑，第一远场13和第三远场15之外不能够形成光斑。

远场是指激光波是一个平面波，经过复合光学透镜12汇聚后，在焦斑前后半个瑞利长度范围内的光场称为远场。

图2为本申请实施例中复合光学透镜12的螺旋相位板20的第一结构示意图；图3为本申请实施例中复合光学透镜12的螺旋相位板20的第二结构示意图；图4为本申请实施例中复合光学透镜12的锥形体40和柱型体30配合的第一结构示意图。其中，图2-图4的外边框不影响本申请提供的复合光学透镜12的结构。请参阅图2-图4，本实施例中，复合光学透镜12包括一体加工成型的螺旋相位板20、柱型体30和锥形体40，螺旋相位板20和锥形体40分别位于柱型体30的两侧，螺旋相位板20的轴线、柱型体30的轴线和锥形体40的轴线重合。

请继续参阅图2，螺旋相位板20包括螺旋相位面21、螺旋侧面22和第一端平面，柱型体30包括第二端平面、圆柱面31和第三端平面，第二端平面和第三端平面分别位于圆柱面31的两端，锥形体40包括第四端平面和锥镜面41。在将复合光学透镜12一体加工成型的过程中，第一端平面和第二端平面重合，第三端平面和第四端平面重合，形成两端分别为螺旋相位面21和锥镜面41的复合光学透镜12。进一步地，第一端平面和第二端平面的直径可以相同，第一端平面的直径和第二端平面的直径可以不同，本申请不做限定。相应地，第三端平面的直径和第四端平面的直径可以相同，第三端平面的直径和第四端平面的直径也可以不同，本申请不做限定。

在其他实施例中，还可以不设置柱型体30，在将复合光学透镜12一体加工成型的过程中，直接使第一端平面和第四端平面重合，形成两端分别为螺旋相位面21和锥镜面41的复合光学透镜12。

也就是说：复合光学透镜12具有第一透镜面121、第二透镜面122和第三表面，其中，第一透镜面121和第二透镜面122相对设置可以使同一光束能够依次穿过第一透镜面121和第二透镜面122或者同一光束依次穿过第二透镜面122和第一透镜面121，第三表面的两端分别连接第一透镜面121和第二透镜面122，第一透镜面121为螺旋相位面21，第二透镜面122为锥镜面41，螺旋相位面21沿远离第二透镜面122的方向螺旋延伸，锥镜面41的尖端远离第一透镜面121，螺旋相位面21的轴线与锥镜面41的轴线重合。

其中，第一透镜面121、第二透镜面122和第三表面的轴线均共线，第三表面包括圆柱面31和螺旋侧面22，圆柱面31的一端与锥镜面41连接，圆柱面31的远离锥镜面41的一端与螺旋侧面22的一端连接，圆柱面31与螺旋侧面22齐平，圆柱面31与螺旋侧面22组合成光滑的第三表面，其中，螺旋侧面22的远离第二透镜面122的一端呈螺旋线形状，螺旋侧面22和螺旋相位面21组成螺旋相位板20的一侧面和一端面。

其中，螺旋相位面21为物体侧透镜面，锥镜面41为像侧透镜面，激光源11发出的激光光束101依次穿过螺旋相位面21和锥镜面41以后，先通过螺旋相位面21对激光光束101进行折射，可以得到与激光波长匹配的涡旋相位，使远场产生涡旋光束，再通过锥镜面41进行折射，可以延长涡旋光束的焦深，得到长焦深涡旋光束，从而利于光学器件的研究。

相应地，也可以使用螺旋相位面21为像侧透镜面，锥镜面41为物体侧透镜面，激光源11发出的激光光束101依次穿过锥镜面41和螺旋相位面21以后，先通过锥镜面41对激光光束101进行折射，再通过螺旋相位面21进行折射，得到长焦深涡旋光束究。

螺旋相位面21为平滑螺旋相位面21，使用平滑的螺旋相位面21作为第一透镜面121，使得到的涡旋光束的分布更加均匀，光斑的形成更加明显。

进一步地，平滑螺旋相位面21的分布满足公式(1)：

其中，r为复合光学透镜12的径向半径，θ为复合光学透镜12的方位角，ι为螺旋相位的拓扑荷数，λ为激光的波长，n_spp为复合光学透镜12在波长为λ时的材料折射率。

在需要形成激光装置的时候，首先购买激光光源，激光光源确定，则激光光源发出的激光的波长λ为确定值。选择制备复合光学透镜12的原材料，例如：选择玻璃、树脂、水晶、聚碳酸酯等透明材料。复合光学透镜12的原材料确定，则复合光学透镜12在波长为λ时的折射率n_spp为确定值，平滑螺旋相位面21的拓扑荷数ι也为确定值。那么，以复合光学透镜12的半径和方位角为变量，能够计算出平滑螺旋相位面21的高h1的值。

例如：第一端平面的半径为R，则0＜r＜R，0<θ<2π，通过复合光学透镜12的径向半径r和复合光学透镜12的方位角θ，根据公式(1)计算出螺旋相位面21的高h1的值。则可以确定平滑螺旋相位面21的形状，以便确定第一透镜面121的结构，使第一透镜面121的结构更加精确。

请继续参阅图3，在其他实施例中，螺旋相位面21还可以是阶梯状螺旋相位面21，螺旋相位面21是一个个扇形面，并且扇形面与第一端平面的距离逐渐增大，从而形成阶梯状的螺旋相位面21。

图5为本申请实施例中复合光学透镜12中锥镜面41的对数母线分布图。请参阅图4和图5，本实施例中，锥镜面41的母线为对数线段，对数线段朝向远离轴线的方向凸出。对数线段的一端位于第四端面的圆周上，对数线段的另一端位于复合光学透镜12的轴线上，以对数线段为母线，围绕复合光学透镜12的轴线旋转360°，母线的旋转路径形成的面为对数面，使涡旋光束的焦深更长。

进一步地，对数线段的分布满足方程组，公式(2)和公式(3)：

a＝(d₂-d₁)/R² (3)

其中，r为复合光学透镜12的径向半径，θ为复合光学透镜12的方位角，ι为螺旋相位的拓扑荷数，λ为激光的波长，n_spp为复合光学透镜12在波长为λ时的材料折射率，R为对数面的通光半径，d₁为对数面与第一远场13平面之间的轴向距离，d₂为对数面与第二远场14平面之间的轴向距离。

d₂-d₁为涡旋光束的焦深，可以根据焦深的需求进行确定，也就是说，先确定制备的透镜需要的焦深的数值，根据焦深的数值进行对数线段的设计。R为复合光学透镜12的最大半径，也就是第四端平面的半径，通过公式3，在d₂-d₁和R已知的情况下得到a的值，将a的值带入公式2中，计算得出母线的高度，也就是对数面的高度。

例如：第一端平面的半径为R，则0＜r＜R，0<θ<2π，通过复合光学透镜12的径向半径r和复合光学透镜12的方位角θ，根据公式(2)和公式(3)计算出对数线段的高h2的值。则可以确定对数线段的形状，以便确定第二透镜面122的结构，使第二透镜面122的结构更加精确。从而能够得到长焦深的涡旋光束。

图6为本申请实施例中复合光学透镜12中锥镜面41的线段母线分布图。请参阅图6，在其他实施例中，锥镜面41的母线为线段，线段的一端位于第四端面的圆周上，线段的另一端位于复合光学透镜12的轴线上，以线段为母线，围绕复合光学透镜12的轴线旋转360°，母线的旋转路径形成的面为对数面，使涡旋光束的焦深更长。

图7为本申请实施例中复合光学透镜12中锥镜面41的弧线段母线分布图。请参阅图7，在另一实施例中，锥镜面41的母线为圆弧线段，圆弧线段朝向远离轴线的方向凸出。圆弧线段的一端位于第四端面的圆周上，圆弧线段的另一端位于复合光学透镜12的轴线上，以圆弧线段为母线，围绕复合光学透镜12的轴线旋转360°，母线的旋转路径形成的面为对数面，使涡旋光束的焦深更长。

请继续参阅图1，长焦深涡旋光束的产生方法，适用于上述激光装置，产生方法包括：

(1)、将激光源11、复合光学透镜12、第一远场13、第二远场14和第三远场15依次设置，且复合光学透镜12的第一透镜面121靠近激光源11，复合光学透镜12的第二透镜面122靠近第一远场13。其中，复合光学透镜12的轴线垂直第一远场13、第二远场14和第三远场15。

(2)、控制激光源11发射高功率单波长激光，激光光束101依次穿过第一透镜面121和第二透镜面122，分别在第一远场13汇聚形成第一光斑131，在第二远场14汇聚形成第二光斑141，在第三远场15汇聚形成第三光斑151。

其中，激光光束101的传播方向与复合光学透镜12的轴线一致，激光源11的发光点位于复合光学透镜12的轴线上，激光源11发出一组平行的激光光束101，依次经过复合光学透镜12的第一透镜面121和第二透镜面122折射，形成涡旋光束，如：第一光斑131、第二光斑141和第三光斑151。

图8为本申请实施例中第一远场13的第一光斑131分布图；图9为本申请实施例中第二远场14的第二光斑141分布图；图10为本申请实施例中第三远场15的第三光斑151分布图。请参阅图8-图10，其中，第一光斑131的直径为448mm，第二光斑141的直径为450mm，第三光斑151的直径为452mm，得到此涡旋光束的焦深为4mm，得到长焦深的涡旋光束。

在其他实施例中，长焦深涡旋光束的产生方法，包括：

(1)、将激光源11、复合光学透镜12、第一远场13、第二远场14和第三远场15依次设置，且复合光学透镜12的第二透镜面122靠近激光源11，复合光学透镜12的第一透镜面121靠近第一远场13。其中，复合光学透镜12的轴线垂直第一远场13、第二远场14和第三远场15。

(2)、控制激光源11发射高功率单波长激光，激光光束101依次穿过第二透镜面122和第一透镜面121，分别在第一远场13汇聚形成第一光斑131，在第二远场14汇聚形成第二光斑141，在第三远场15汇聚形成第三光斑151，得到长焦深的涡旋光束。以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种复合光学透镜，其特征在于，具有用于同一光束穿过的第一透镜面和第二透镜面，所述第一透镜面为螺旋相位面，所述第二透镜面为锥镜面，所述螺旋相位面沿远离所述第二透镜面的方向螺旋延伸，所述锥镜面的尖端远离所述第一透镜面，所述螺旋相位面的轴线与所述锥镜面的轴线重合。

2.根据权利要求1所述的复合光学透镜，其特征在于，所述螺旋相位面为平滑螺旋相位面。

3.根据权利要求2所述的复合光学透镜，其特征在于，所述平滑螺旋相位面的分布满足：

其中，r为所述复合光学透镜的径向半径，θ为所述复合光学透镜的方位角，ι为所述螺旋相位的拓扑荷数，λ为激光的波长，n_spp为所述复合光学透镜在波长为λ时的材料折射率。

4.根据权利要求1所述的复合光学透镜，其特征在于，所述螺旋相位面为阶梯状螺旋相位面。

5.根据权利要求1-4任一项所述的复合光学透镜，其特征在于，所述锥镜面的母线为线段。

6.根据权利要求1-4任一项所述的复合光学透镜，其特征在于，所述锥镜面的母线为圆弧线段，所述圆弧线段朝向远离所述轴线的方向凸出。

7.根据权利要求1-4任一项所述的复合光学透镜，其特征在于，所述锥镜面的母线为对数线段，所述对数线段朝向远离所述轴线的方向凸出。

8.根据权利要求7所述的复合光学透镜，其特征在于，所述对数线段的分布满足：

a＝(d₂-d₁)/R²

其中，r为所述复合光学透镜的径向半径，θ为所述复合光学透镜的方位角，ι为所述螺旋相位的拓扑荷数，λ为激光的波长，n_spp为所述复合光学透镜在波长为λ时的材料折射率，R为对数面的通光半径，d₁为对数面与第一远场平面之间的轴向距离，d₂为对数面与第二远场平面之间的轴向距离。

9.一种激光装置，其特征在于，包括如权利要求1-8任一项所述的复合光学透镜。

10.一种长焦深涡旋光束的产生方法，适用于权利要求9所述的激光装置，其特征在于，所述产生方法包括：

使激光光束依次穿过所述第一透镜面和所述第二透镜面；

或使激光光束依次穿过所述第二透镜面和所述第一透镜面。