一種產(chǎn)生近似無衍射零階馬丟光束的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種產(chǎn)生近似無衍射零階馬丟光束的光學(xué)系統(tǒng)，其包括光學(xué)平臺，該光學(xué)平臺上放置有激光器，沿該激光器的光路依次放置柱透鏡、短焦距透鏡，長焦距透鏡和軸棱錐；其中，短焦距透鏡放在柱透鏡的焦點(diǎn)附近，短焦距透鏡的焦點(diǎn)和長焦距透鏡的焦點(diǎn)重合。通過本實用新型的光學(xué)系統(tǒng)可以產(chǎn)生一種近似無衍射零階馬丟光束,為獲取零階馬丟光束提供了一種簡潔，有效的新途徑。該光束可以用于激光材料加工，準(zhǔn)直測量，光學(xué)無線通信等領(lǐng)域。
【專利說明】一種產(chǎn)生近似無衍射零階馬丟光束的光學(xué)系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及光學(xué)領(lǐng)域，具體是一種產(chǎn)生近似無衍射零階馬丟光束的光學(xué)系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]無衍射光束的概念是1987年由美國的Durnin提出，由于它在傳播方向上光強(qiáng)的分布具有隨傳播距離不發(fā)生改變的特性而受到大量的關(guān)注。無衍射光束是空間自由標(biāo)量波動方程的一組特殊解，我們所熟知的Bessel beams (貝塞爾光束)是該波動方程在圓柱坐標(biāo)系下的一組解，如果在橢圓柱坐標(biāo)下求解該波動方程，就可以得到另一組解，它就是Mathieu beams (馬丟光束)。和無衍射貝塞爾光束一樣，馬丟光束也可以用于光學(xué)測量，光學(xué)制版，醫(yī)學(xué)成像，非線性光學(xué)和光無線通等領(lǐng)域。
[0003]目前，產(chǎn)生零階馬丟光束的方法有多種:如計算機(jī)全息法，環(huán)縫透鏡法，激光諧振腔法等。但是計算機(jī)全息法需要用到計算機(jī)和空間光調(diào)制器，成本高且系統(tǒng)復(fù)雜，激光諧振腔法調(diào)試激光腔難度較大且設(shè)備成本高，環(huán)縫透鏡法雖簡單，但是通光孔徑小，光能利用率低，因此不利于馬丟光束的實際應(yīng)用。
實用新型內(nèi)容
[0004]本實用新型的目的在于提供一種能快捷簡單、高效率地產(chǎn)生近似無衍射馬丟光束的光學(xué)系統(tǒng)。
[0005]為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案:
[0006]一種產(chǎn)生近似無衍射馬丟光束的光學(xué)系統(tǒng)，包括光學(xué)平臺，該光學(xué)平臺上放置有激光器，沿該激光器的激光光路依次放置柱透鏡、短焦距透鏡，長焦距透鏡和軸棱錐；其中，短焦距透鏡放在柱透鏡的焦點(diǎn)附近，短焦距透鏡的焦點(diǎn)與長焦距透鏡的焦點(diǎn)重合。
[0007]上述激光器為He-Ne激光器。
[0008]上述柱透鏡為凸柱透鏡。
[0009]上述短焦距透鏡和上述長焦距透鏡組成一個準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)，該準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)的放大倍數(shù)通過選取不同的透鏡焦距來調(diào)節(jié)。
[0010]上述軸棱錐是傳統(tǒng)的折射型軸棱錐。
[0011]采用上述方案后，當(dāng)激光器發(fā)出的激光光束先經(jīng)過柱透鏡變換為橢圓高斯光束，然后再經(jīng)過準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后，再經(jīng)軸棱錐聚焦，最后在軸棱錐后一定的距離內(nèi)形成近似無衍射馬丟光束。本光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡單，且軸棱錐具有光學(xué)損傷閾值高，通光孔徑大等優(yōu)點(diǎn)，因此用軸棱錐產(chǎn)生馬丟光束要比計算機(jī)全息法和諧振腔法簡單，成本低，比環(huán)縫透鏡法效率高。故本實用新型為獲取近似無衍射馬丟光束提供了一種簡潔，高效的新途徑。在實際應(yīng)用中，特別是激光材料處理，生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有特殊的意義。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1為本實用新型光學(xué)系統(tǒng)的組成原理圖；
[0013]圖2為本實用新型光學(xué)系統(tǒng)的光路示意圖；
[0014]圖3為本實用新型光學(xué)系統(tǒng)的計算機(jī)模擬光斑圖。
[0015]圖4為本實用新型光學(xué)系統(tǒng)的實驗光斑圖。

【具體實施方式】
[0016]為了進(jìn)一步解釋本實用新型系統(tǒng)的技術(shù)方案，下面通過具體實施例來對本實用新型系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)闡述。
[0017]本實用新型的一種產(chǎn)生近似無衍射馬丟光束的光學(xué)系統(tǒng)，如圖1所示，包括光學(xué)平臺I和分別用固定支架7支撐定位于光學(xué)平臺I上的激光器2，柱透鏡3，短焦距透鏡4，長焦距透鏡5和軸棱錐6。激光器2通過固定支架7設(shè)置于光學(xué)平臺I上，沿該激光器2的激光光路依次放置柱透鏡3，短焦距透鏡4，長焦距透鏡5，軸棱錐6，以及顯微鏡與C⑶照相機(jī)系統(tǒng)8。
[0018]激光器2米用He-Ne激光器。
[0019]柱透鏡3采用凸面型柱透鏡。
[0020]短焦距透鏡4在柱透鏡3的焦點(diǎn)附近，不要求短焦距透鏡4與柱透鏡3的焦點(diǎn)嚴(yán)格重合。
[0021 ] 短焦距透鏡4的焦點(diǎn)和長焦距透鏡5的焦點(diǎn)重合，由短焦距透鏡4和長焦距透鏡5構(gòu)成一個準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)，準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)的放大倍數(shù)可以根據(jù)需要通過選取不同的透鏡焦距來調(diào)節(jié)。
[0022]軸棱錐6采用傳統(tǒng)的折射型軸棱錐。軸棱錐6沿光路放在長焦距透鏡5的后方，距離不限。
[0023]顯微鏡與CXD照相系統(tǒng)8是一整體，用來拍攝不同傳播距離處的光斑分布。
[0024]工作時，如圖2所示，首先He-Ne激光器2打開，激光光束經(jīng)過柱透鏡3變換為橢圓高斯光束，然后再經(jīng)過短焦距透鏡4和長焦距透鏡5準(zhǔn)直擴(kuò)束后在軸棱錐6上形成一個狹長的橢圓形的光斑，在軸棱錐6后一定距離內(nèi)形成近似無衍射馬丟光束，其最大無衍射傳播距離可由公式Zmax?a/[(n-l) y]近似計算得到，其中a為入射到軸棱錐6上的橢圓光斑的長軸半徑，η為軸棱錐6的折射率，Y為軸棱錐6的底角。
[0025]作為實施例，我們選擇凸柱透鏡3的焦距f = 300mm,短焦距透鏡4的焦距f =15mm、長焦距透鏡5的焦距f = 190mm,軸棱錐6的底角Y = 0.5° ,折射率η = 1.458,實驗時，根據(jù)圖2的光路搭建光路系統(tǒng)，在軸棱錐6后一定距離處用顯微鏡與CCD照像機(jī)8拍攝，拍攝結(jié)果如圖4所示。為了驗證實驗與理論的一致性，根據(jù)菲涅耳衍射積分理論，我們選取軸棱錐6的底角Y = 0.5°，折射率η = 1.458，入射到軸棱錐6上的橢圓高斯光束的光斑的長軸半徑ωχ = 5mm,短軸半徑oy=l.5mm作為參數(shù)，進(jìn)行數(shù)值模擬計算得到軸棱錐6后的零階近似無衍射mathieu光束在不同傳播距離處的光強(qiáng)分布圖，如圖3所示。實驗測得入射到軸棱錐6上的橢圓光斑的長軸半徑為5mm，利用公式Zmax?a/[(n-l) Y ]計算得到的最大無衍射距離約為625mm，實驗測得的最大無衍射距離為610mm，實驗與理論基本符合。
[0026]由此，本光學(xué)系統(tǒng)為獲取近似無衍射馬丟光束提供了一種簡潔，有效的方法。在實際應(yīng)用中，特別是對于激光材料處理，生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域具有特殊的意義。
[0027]上述實施例和圖式并非限定本實用新型系統(tǒng)的產(chǎn)品形態(tài)和式樣，任何所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員對其所做的適當(dāng)變化或修飾，皆應(yīng)視為不脫離本實用新型系統(tǒng)的專利范疇。
【權(quán)利要求】
1.一種產(chǎn)生近似無衍射零階馬丟光束的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:包括光學(xué)平臺，該光學(xué)平臺上放置有激光器，沿該激光器的激光光路依次放置柱透鏡、短焦距透鏡，長焦距透鏡和軸棱錐；其中，短焦距透鏡放在柱透鏡的焦點(diǎn)附近，短焦距透鏡的焦點(diǎn)與長焦距透鏡的焦點(diǎn)重合。
2.如權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生近似無衍射零階馬丟光束的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:上述激光器為He-Ne激光器。
3.如權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生近似無衍射零階馬丟光束的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:上述柱透鏡為凸柱透鏡。
4.如權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生近似無衍射零階馬丟光束的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:上述短焦距透鏡和上述長焦距透鏡組成一個準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)，該準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)的放大倍數(shù)通過選取不同的透鏡焦距來調(diào)節(jié)。
5.如權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生近似無衍射零階馬丟光束的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:上述軸棱錐是傳統(tǒng)的折射型軸棱錐。
【文檔編號】G02B27/09GK203941345SQ201420005956
【公開日】2014年11月12日 申請日期:2014年1月6日 優(yōu)先權(quán)日:2014年1月6日
【發(fā)明者】吳逢鐵, 李冬 申請人:華僑大學(xué)