CN207457619U - 一种基于金属平行平板的用于产生类贝塞尔光束的装置 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及了一种基于金属平行平板的用于产生类贝塞尔光束的装置，由半导体激光器、反射镜1、反射镜2、准直镜、偏振片、孔径光阑、铜制平行平板、成像装置组成；半导体激光器出射的高斯光束经反射镜1、反射镜2反射进入准直镜，被准直的光束会通过偏振片形成仅有横电模式（TE）的光束，随后该光束经孔径光阑进入铜制平行平板迅速收敛为类贝塞尔光束，并进入成像装置获得光强分布；贝塞尔光束具有无衍射特性，因而具有亮度高、方向性好、光斑尺寸小、准直距离大的特点，可应用于光学微操纵和能量传输等领域；该装置具有损耗低、相位可调、结构简单的优点，可应用于包括隐形、全息成像、高分辨率成像等现代光学领域。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种贝塞尔光束的产生装置，尤其涉及一种基于金属平行平板的用于产生类贝塞尔光束的装置。
背景技术
1987年，J. Durnin等提出了自由空间标量波动方程的零阶贝塞尔函数形式的解，并通过实验证明了此解对应的光束具有无衍射特性，这类光束被称为零阶贝塞尔光束，可简称为贝塞尔光束；在实际的光学系统中，理想的贝塞尔光束是很难实现的，只能得到近似的无衍射光束，即类贝塞尔光束，其无衍射特性表现为光束中心光斑的光强和大小，在某一有限的传播距离范围内基本保持不变。
目前，很多学者已经对贝塞尔光束的产生方法及传播特性做了大量的研究，环缝-透镜法、谐振腔法、锥形镜法、球面像差法和计算机全息图法等都可实现贝塞尔光束的产生。
2015年5月20日公开的公开号为CN104635344A的发明专利提出了“一种参数可调节的贝塞尔光束产生装置及其产生方法”，由一连续波激光器、全反镜、凸透镜、起偏器、分束立方体、反射式空间光调制器、检偏器、光阑、透射式空间光调制器、CCD相机、计算机组成，具有参数可实时在线调节的优点；2015年6月9日公开的公开号为CN104898287A的发明专利提出了“一种自加速类贝塞尔光束的产生装置”，包括光源、接收光纤、场型变换光纤和相位调制光纤，可得到自加速类贝塞尔光束；2017年4月19日公开的公开号为CN106569369A的发明专利提出了“一种基于交叉相位调制的贝塞尔光束的获得方法及装置”，包括聚焦透镜、半波片、分光立方体、非线性介质和成像装置，调整聚焦透镜的焦距或非线性介质的位置即得中心亮斑尺寸不同的贝塞尔光束。上述内容所提及的产生贝塞尔光束的方法不一，但结构都相对复杂，而本实用新型所述的一种基于金属平行平板的用于产生类贝塞尔光束的装置与其他方法或装置相比具有结构简单、相位可调、性价比高等优点。
由于贝塞尔光束在传输中的无衍射特性，使其具有亮度高、方向性好、光斑尺寸小、准直距离大等特点，令其在激光准直、光学微操纵等领域具有潜在的应用价值，因此本实用新型具有较为广泛的应用价值，包括全息成像、高分辨率成像等现代光学领域。
发明内容
因此本本实用新型提出的一种基于金属平行平板的用于产生类贝塞尔光束的装置，其特征在于：该装置由半导体激光器、反射镜1、反射镜2、准直镜、偏振片、孔径光阑、铜制平行平板、成像装置组成；由半导体激光器出射的高斯光束经反射镜1、反射镜2反射进入准直镜，被准直的光束会通过偏振片形成仅有横电模式（TE）的光束，随后光束经孔径光阑进入铜制平行平板并迅速收敛为细长的类贝塞尔光束，最后被调制的光束进入成像装置获得光强分布。
本实用新型提出的一种基于金属平行平板的用于产生类贝塞尔光束的装置，其特征在于：所述的半导体激光器出射的高斯光束的传播方向沿着Z轴反向，频率为0.3THz。
本实用新型提出的一种基于金属平行平板的用于产生类贝塞尔光束的装置，其特征在于：所述反射镜1（2）、反射镜2（3）是K9玻璃制的镀银平面镜，其反射率高于95%。
本实用新型提出的一种基于金属平行平板的用于产生类贝塞尔光束的装置，其特征在于：所述的准直镜是指硒化锌制的用于准直光束的凸透镜。
本实用新型提出的一种基于金属平行平板的用于产生类贝塞尔光束的装置，其特征在于：所述的偏振片只允许横电模式（TE）的光束通过。
本实用新型提出的一种基于金属平行平板的用于产生类贝塞尔光束的装置，其特征在于：所述铜制平行平板等价于一个具有α锥角的锥形镜，其相位变化分布应满足类贝塞尔光束的相位分布，且由各平板之间的间距d和长度L所产生的相位变化应与以上类贝塞尔光束的相位分布一致，其中β表示传播常数，λ表示光源波长，α是锥形镜的锥角，d的取值范围为。
本实用新型提出的一种基于金属平行平板的用于产生类贝塞尔光束的装置，其特征在于：所述的成像装置是指用于采集光束光强分布的电荷耦合成像器件（CCD）。
本实用新型提出的一种基于金属平行平板的用于产生类贝塞尔光束的装置具有以下特点：
本实用新型所提出的产生类贝塞尔光束的装置具有结构简单、相位可调、性价比高等优点，利用金属平行平板来代替锥形镜等光学器件，使装置更易于制作与操控；
本实用新型所提出的产生类贝塞尔光束的装置，通过调节铜制平行平板的几何参数，可获得参数不同的类贝塞尔光束，相位延迟可达到0~2π；
类贝塞尔光束具有亮度高、方向性好、光斑尺寸小、准直距离大、传播距离远等特点，令其在激光准直、光学微操纵等领域具有潜在的应用价值，可应用于包括全息成像、高分辨率成像、聚焦等现代光学领域。
附图说明
图1为本实用新型所述的一种用于产生类贝塞尔光束的装置的结构示意图；
图2~图4为本实用新型仿真结果图——当z=Zmax时，不同参数的类贝塞尔光束的电场振幅分布；
图5~图7为本实用新型仿真结果图——不同参数的类贝塞尔光束的中心点沿着传播方向变化的电场振幅分布。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的实施步骤进行具体说明：
如图1所示为本实用新型所述的一种用于产生类贝塞尔光束的装置的结构示意图，该装置由半导体激光器（1）、反射镜1（2）、反射镜2（3）、准直镜（4）、偏振片（5）、孔径光阑（6）、铜制平行平板（7）、成像装置（8）组成；由半导体激光器（1）出射的高斯光束经反射镜1（2）、反射镜2（3）反射后进入准直镜（4），被准直的光束会通过偏振片（5）形成仅有横电模式（TE）的光束，随后光束经孔径光阑（6）进入铜制平行平板（7）并迅速收敛为细长的类贝塞尔光束，最后被调制的光束进入成像装置（8）获得光强分布。
在光学仿真软件FDTD Solutions中进行参数设置：高斯光束的传播方向沿着Z轴反向，频率为0.3THz，电场偏振方向沿着Y轴；铜制平行平板（8）的电导率为5.8×107S/m，沿着Z轴方向的尺寸为L=1.2mm，沿着Y轴方向的尺寸设定为无限长，各平板之间的间距d的取值范围为：，所产生的类贝塞尔光束的最大准直距离满足 ，其中，表示最大准直距离，r表示高斯光束的束腰半径，α为等效锥形镜的锥角，分以下三种情况进行仿真以得到不同参数的类贝塞尔光束：
1.，相位梯度：0.1π/mm，入射的高斯光束的束腰半径为10mm、横向尺寸为40mm，；
2.，相位梯度：0.2π/mm，入射的高斯光束的束腰半径为10mm、横向尺寸为20mm，；
3.，相位梯度：0.2π/mm，入射的高斯光束的束腰半径为8mm、横向尺寸为20mm，。
如图2~图4所示为本实用新型的仿真结果图——当z=Zmax时，不同参数的类贝塞尔光束的电场振幅分布，图2、图3、图4别对应上述三种仿真情况，其中，横坐标x表示某一点与锥形镜中心在X轴向上的距离，纵坐标表示类贝塞尔光束的横向电场振幅大小；由图2~图4可以得到，三种情况对应的半高全宽依次为：6.06mm、3.34mm、3.40mm，由此看出，当，有相对较小的相位梯度，从而可以获得较宽的类贝塞尔光束，即高斯光束的束腰半径的大小对产生的类贝塞尔光束宽度的影响不大，但类贝塞尔光束的宽度随相位梯度的减小而明显增大，可根据需要具体设计和调整类贝塞尔光束的参数。
如图5~图7所示为本实用新型的仿真结果图——不同参数的类贝塞尔光束的中心点沿着传播方向变化的电场振幅分布，图5、图6、图7分别对应上述三种仿真情况，其中，横坐标z表示Z轴坐标，纵坐标表示类贝塞尔光束的电场振幅大小，z=0mm表示光束经过平行平板后输出端口的位置，图中所示Z轴坐标范围为；由图5~图7可以看出，沿着传播方向，光束从输出端口至最大准直距离，能量分布在较小距离内有一定的波动，随后迅速上升至最大值，最后缓慢下降，图6、图7的上升/下降速率都比较接近，且都明显大于图5的上升/下降速率；由此可见，影响产生的类贝塞尔光束能量分布的主要因素是相位梯度的大小，而不是高斯光束束腰半径的大小，如图5所示，当相位梯度相对较小时，能量分布相对比较均匀，更接近于贝塞尔光束，与图2的仿真结果一致。
本领域技术人员清楚地知道，根据本实用新型的方法，可以对用于产生类贝塞尔光束的装置的原理、结构、方法等进行优化设计，本实用新型的保护范围并不局限于以上实施例。
Claims (7)
1.一种基于金属平行平板的用于产生类贝塞尔光束的装置，其特征在于：由半导体激光器(1)、反射镜1(2)、反射镜2(3)、准直镜(4)、偏振片(5)、孔径光阑(6)、铜制平行平板(7)、成像装置(8)组成；由半导体激光器(1)出射的高斯光束经反射镜1(2)、反射镜2(3)反射进入准直镜(4)，被准直的光束会通过偏振片(5)形成仅有横电模式(TE)的光束，随后光束经孔径光阑(6)进入铜制平行平板(7)并迅速收敛为细长的类贝塞尔光束，最后被调制的光束进入成像装置(8)获得光强分布。
2.根据权利要求1所述的一种基于金属平行平板的用于产生类贝塞尔光束的装置，其特征在于：所述半导体激光器(1)出射的高斯光束的传播方向沿着Z轴反向，频率为0.3THz。
3.根据权利要求1所述的一种基于金属平行平板的用于产生类贝塞尔光束的装置，其特征在于：所述反射镜1(2)、反射镜2(3)是K9玻璃制的镀银平面镜，其反射率高于95％。
4.根据权利要求1所述的一种基于金属平行平板的用于产生类贝塞尔光束的装置，其特征在于：所述准直镜(4)是指硒化锌制的用于准直光束的凸透镜。
5.根据权利要求1所述的一种基于金属平行平板的用于产生类贝塞尔光束的装置，其特征在于：所述偏振片(5)只允许横电模式(TE)的光束通过。
6.根据权利要求1所述的一种基于金属平行平板的用于产生类贝塞尔光束的装置，其特征在于：所述铜制平行平板(7)等价于一个具有α锥角的锥形镜，其相位变化分布应满足类贝塞尔光束的相位分布，且由各平板之间的间距d和长度L所产生的相位变化应与以上类贝塞尔光束的相位分布一致，其中β表示传播常数，λ表示光源波长，α是锥形镜的锥角，d的取值范围为λ/2＜d＜λ。
7.根据权利要求1所述的一种基于金属平行平板的用于产生类贝塞尔光束的装置，其特征在于：所述的成像装置(8)是指用于采集光束光强分布的电荷耦合成像器件(CCD)。
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| CN112496532A (zh) * | 2020-11-03 | 2021-03-16 | 深圳市韵腾激光科技有限公司 | 激光加工系统 |
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