平板锥透镜
锥透镜是一种用于生成贝塞尔强度分布的光束或环形光束的光学元件。传统的锥透镜通常由一个平面和一个圆锥面组合而成,是一种折射型光学元件。与之相比,平板锥透镜没有圆锥顶点,入射的准直光束在经过该元件后直接获得锥形相位,并通过衍射作用形成环形光束,是一种衍射光学元件(DOE)。该衍射型平板锥透镜是基于液晶分子快轴取向对入射的准直光束进行相位调制。
产品介绍

一、产品简介

锥透镜是一种用于生成贝塞尔强度分布的光束或环形光束的光学元件。传统的锥透镜通常由一个平面和一个圆锥面组合而成,是一种折射型光学元件。与之相比,平板锥透镜没有圆锥顶点,入射的准直光束在经过该元件后直接获得锥形相位,并通过衍射作用形成环形光束,是一种衍射光学元件(DOE)。该衍射型平板锥透镜是基于液晶分子快轴取向对入射的准直光束进行相位调制。目标锥形相位可表示为:

上式中,r为元件平面空间坐标,d表示锥形相位的周期,用于控制产生的环形光束的半径。相位调制作用通过几何相位的形式施加,因此液晶分子快轴的方位角为相位的一半,即:

衍射型的设计可以实现极精细锥角(等效锥角)的锥形相位以及较大的参数范围,同时使其具有比传统折射锥透镜更加紧凑、纤薄的外形,有利于复杂光学系统的简化与集成。

二、产品功能及应用场景

平板锥透镜常用于贝塞尔光束或环形光束的生成。将光束准直后入射至平板锥透镜,透射光将在元件后的无衍射区域内形成贝塞尔光束,在超过无衍射区域后将衍射为环形光束。贝塞尔光束具有较大的聚焦深度,现已广泛应用于材料加工方面(激光切割、钻孔、焊接),如贝塞尔超快切割头,可以应用于玻璃、陶瓷、蓝宝石等脆性材料的切割。

贝塞尔光束用于激光加工

三、产品实物效果

实物图

偏光显微镜下结构图

利用LBTEK平板锥透镜可产生长焦深的光束(X-Z平面)

焦深范围内截面光强分布如图,自聚焦焦点尺寸小于 10μm

准直光束在经平板锥透镜调制后,在远场将会产生环形光束,外部的锐细亮环为生成的环形光束。

四、补充说明

1.平板锥透镜的偏振特性该平板锥透镜基于几何相位原理,在不同偏振入射情况下:

(a)当入射光为右旋圆偏振光时,经平板透镜调制后偏振态转变为左旋圆偏振,并携带聚焦锥形相位,经聚焦形成一段无衍射区域,在该区域内生成的光束具有贝塞尔光束特性,继续传输将形成环形光束。

(b)当入射光为左旋圆偏振光时,经平板透镜调制后偏振态转变为右旋圆偏振,并携带发散锥形相位,经衍射后直接形成环形光束。

(c)当入射光为线偏振光时,其左右旋圆偏振分量经平板锥透镜调制后分别获得聚焦、发散的锥形相位,并分别聚焦后发散以及直接发散。

(d)当入射光为椭圆偏振光时,其左右旋圆偏振分量具有不同的振幅,透射光衍射过程与线偏振入射时相同,但其强度与椭圆度相关。

(e)当入射光为非偏振光时,为上述所有情况的叠加。

2.出射光偏转角与相位结构周期的关系:

在理想情况下,光束正入射时,根据光栅衍射公式

其中为θ偏转角,λ为波长,p为沿径向的周期,不同周期对应的偏转角为:

3.无衍射距离:

右旋圆偏振光经过平板锥透镜后,光束沿径向发生偏转并聚焦形成一段无衍射区域,该区域中将产生具有贝塞尔光束特性的光束。该光束的最大无衍射距离与入射光及平板锥透镜参数相关,可表示为:

其中D为入射光束直径,θ为光束偏转角。在无衍射距离Zmax内,光束的能量在长距离上聚焦在一个小而细长的区域中,因此可以获得比高斯光束更高的能量集中度以及更长的焦深。

4.环型光束直径:

经过衍射锥透镜后产生的环形光斑直径主要由偏转角定义。当入射光为右旋圆偏振光时,根据几何关系可以计算得到环形光束直径为:

其中D'为光束直径,WD为工作距离,根据该公式可以求出不同工作距离下的环形光束直径。

5.零级光强占比:

激光器的出射光为准直线偏光时,正入射条件下,旋转1/4波片,使1/4波片的快轴方向与入射光的偏振方向成45°,得到左旋圆偏振光,此时透过平板锥透镜之后得到环形光束。这时测①处的光强记为I1,测②处的光强记为I2,则零级光强占比为:

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