CN111240029B - 一种贝塞尔光束产生装置及其产生方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种贝塞尔光束产生装置及其产生方法，包括：变形镜，用以对入射光进行高阶球差的改变；二次球面透镜，用以对入射光进行二次球差的改变；波前传感器，用以对改变后的波前进行测量；计算机控制器组成，用以根据波前传感器测量到的波前数据控制变形镜进行面形改变，产生贝塞尔光束，本发明采用“透镜+变形镜”相组合的方式，利用透镜和变形镜分别产生二次球差和高阶球差，两者组合达到非球面镜的控制效果，本发明可以解决传统方法中非球面镜加工难度大、面形误差大等问题，且具有控制精度高、计算速度快、性能参数可调等优点。

Description

一种贝塞尔光束产生装置及其产生方法
技术领域
本发明属于光电技术领域，具体地说涉及一种贝塞尔光束产生装置及其产生方法。
背景技术
贝塞尔光束作为一种典型的无衍射光束，能够使传播的能量在长距离上聚焦在一个小而细长的区域中，因此在激光加工微粒操纵、显微成像等领域有着重要应用。目前一般常用非球面镜生成贝塞尔光束(Efficient generation of nearly diffraction-freebeams using an axicon,《Optical Engineering》,Vol.31,1992,2640-2643；High-efficiency diffractionless beams of constant size and intensity,《Appliedoptics》,Vol.33,1994,7297-7306；Generation of a Bessel beam of variable spotsize,《Applied optics》,Vol.51,2012,3718-3725.)，该方法具有光路简单、能量转换率高的优点，但是非球面镜的加工难度大、面形误差大等因素会显著影响贝塞尔光束的光束质量。
理论上来说，通过对入射平行光施加一个非球面像差，就可以产生贝塞尔光束，因此现有的方法一般直接采用非球面镜来提供这个非球面像差从而生成贝塞尔光束。但是非球面镜存在加工难度大、面形误差大等问题，这样就明显限制了该方法的使用效果。
因此，现有技术有待于进一步改进和发展。
发明内容
针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种贝塞尔光束产生装置及其产生方法，本发明控制精度高，计算速度快，性能参数可调节。
本发明提供如下技术方案：
1、一种贝塞尔光束产生装置，包括：
变形镜，用以对入射光进行高阶球差的改变；
二次球面透镜，用以对入射光进行二次球差的改变；
波前传感器，用以对改变后的波前进行测量；
计算机控制器组成，用以根据波前传感器测量到的波前数据控制变形镜进行面形改变，产生贝塞尔光束。
优选的，变形镜的面形响应函数具有角度方向均匀、半径方向不均匀的特征。
优选的，所述变形镜为环形驱动布局的变形镜，所述变形镜为压电薄膜驱动变形镜。
优选的，所述入射光为入射平行光。
优选的，所述波前传感器与计算机控制器信号连接，所述计算机控制器和变形镜之间为控制连接。
优选的，所述装置还包括分光镜、反射镜和准直透镜，沿入射光入射方向依次设置分光镜、变形镜、反射镜、二次球面透镜、准直透镜和波前传感器。
一种贝塞尔光束产生方法，包括：
将产生贝塞尔光束所需要的非球面波前进行分解，得到二次球面成分和高阶球差成分，其中二次球面成分利用二次球面透镜产生，高阶球差成分利用变形镜产生；
对变形镜的面形响应函数进行测量，然后对其进行数据处理后得到一维径向分布的面形响应函数；
对高阶球差的一维径向分布数据进行提取，然后用变形镜对高阶球差进行面形拟合；
通过二次球面透镜和和变形镜的组合工作，产生了贝塞尔光束所需要的波前。
有益效果：
本发明提供了一种贝塞尔光束产生装置及其产生方法，采用“透镜+变形镜”相组合的方式，利用透镜和变形镜分别产生二次球差和高阶球差，两者组合达到非球面镜的控制效果，本发明可以解决传统方法中非球面镜加工难度大、面形误差大等问题，且具有控制精度高、计算速度快、性能参数可调等优点。
附图说明
图1是本发明具体实施例中贝塞尔光束产生装置的结构示意图；
图2是本发明具体实施例中贝塞尔光束所需的非球面波前成分；
图3是本发明具体实施例中贝塞尔光束所需的非球面波前成分分解中二次球面成分；
图4是本发明具体实施例中贝塞尔光束所需的非球面波前成分分解的高阶球差成分；
图5是本发明具体实施例中贝塞尔光束产生装置的4个变形镜环形驱动器的二维面形响应函数；
图6是本发明具体实施例中贝塞尔光束产生装置数据处后的一维径向分布的面形响应函数；
图7是本发明具体实施例中贝塞尔光束高阶球差的一维径向波前数据；
图8是本发明具体实施例中贝塞尔光束变形镜拟合的一维径向波前数据；
图9是本发明具体实施例中得到的贝塞尔光束。
附图中：1入射平行光，2分光镜，3变形镜，4反射镜，5二次球面透镜，6准直透镜，7波前传感器，8计算机控制器。
具体实施方式
为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。
以下为本发明具体实施例
如图1所示为本发明提供一种贝塞尔光束产生装置，包括：
变形镜3，用以对入射光进行高阶球差的改变；
二次球面透镜5，用以对入射光进行二次球差的改变；
波前传感器7，用以对改变后的波前进行测量；
计算机控制器8组成，用以根据波前传感器7测量到的波前数据控制变形镜3进行面形改变，产生贝塞尔光束。
具体的，变形镜3的面形响应函数具有角度方向均匀、半径方向不均匀的特征。
具体的，所述变形镜3为环形驱动布局的变形镜3，即变形镜的各个驱动器呈现同一个圆心下的、从内到外的环形分布，所述变形镜3为压电薄膜驱动变形镜3，其参数如表1所示：
表1变形镜主要参数
Figure BDA0002416232110000041
具体的，所述入射光为入射平行光1，其波长为1053nm，光束直径为40mm。
具体的，所述波前传感器7与计算机控制器8信号连接，所述计算机控制器8和变形镜3之间为控制连接，波前传感器7为哈特曼波传感器，其主要参数如表2所示：
表2波前传感器主要参数
Figure BDA0002416232110000042
具体的，所述装置还包括分光镜2、反射镜4和准直透镜6，沿入射光入射方向依次设置分光镜2、变形镜3、反射镜4、二次球面透镜5、准直透镜6和波前传感器7，其中二次球面透镜5焦距为500mm，通光口径为100mm，准直透镜6焦距为50mm，通光口径为10mm。
一种贝塞尔光束产生方法，包括：
将产生贝塞尔光束所需要的非球面波前进行分解，得到二次球面成分和高阶球差成分，如图2-图4所示，其中二次球面成分利用二次球面透镜5产生，高阶球差成分利用变形镜3产生；
对变形镜3的面形响应函数进行测量，形成如图5所示的4个变形镜环形驱动器的二维面响应函数，然后对其进行数据处理后得到如图6所示的4个变形镜环形驱动器一维径向分布的面形响应函数；
对如图7所示的高阶球差的一维径向分布数据进行提取，然后用如图8所示的变形镜3一维径向波前数据对高阶球差进行面形拟合；
通过二次球面透镜5和和变形镜3的组合工作，产生了贝塞尔光束所需要的波前。
通过该波前可产生如图9所示的贝塞尔光束。
以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (7)

1.一种贝塞尔光束产生装置，其特征在于，包括：
变形镜，用以对入射光进行高阶球差的改变；
二次球面透镜，用以对入射光进行二次球差的改变；
波前传感器，用以对改变后的波前进行测量；
计算机控制器组成，用以根据波前传感器测量到的波前数据控制变形镜进行面形改变，产生贝塞尔光束；
变形镜的面形响应函数具有角度方向均匀、半径方向不均匀的特征。
2.根据权利要求1所述的贝塞尔光束产生装置，其特征在于，所述变形镜为环形驱动布局的变形镜。
3.根据权利要求1所述的贝塞尔光束产生装置，其特征在于，所述变形镜为压电薄膜驱动变形镜。
4.根据权利要求1所述的贝塞尔光束产生装置，其特征在于，所述入射光为入射平行光。
5.根据权利要求1所述的贝塞尔光束产生装置，其特征在于，所述波前传感器与计算机控制器信号连接，所述计算机控制器和变形镜之间为控制连接。
6.根据权利要求5所述的贝塞尔光束产生装置，其特征在于，所述装置还包括分光镜、反射镜和准直透镜，沿入射光入射方向依次设置分光镜、变形镜、反射镜、二次球面透镜、准直透镜和波前传感器。
7.一种利用权利要求1-6任一项所述装置实现的贝塞尔光束产生方法，其特征在于，包括：
将产生贝塞尔光束所需要的非球面波前进行分解，得到二次球面成分和高阶球差成分，其中二次球面成分利用二次球面透镜产生，高阶球差成分利用变形镜产生；
对变形镜的面形响应函数进行测量，然后对其进行数据处理后得到一维径向分布的面形响应函数；
对高阶球差的一维径向分布数据进行提取，然后用变形镜对高阶球差进行面形拟合；
通过二次球面透镜和和变形镜的组合工作，产生了贝塞尔光束所需要的波前。
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