一种产生近似无衍射零阶Mathieu beam的光学系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种产生近似无衍射零阶Mathieu?beam的光学系统，其包括光学平台，该光学平台上放置有激光器，沿该激光器的光路依次放置柱透镜、短焦距透镜，长焦距透镜和轴棱锥；其中，短焦距透镜放在柱透镜的焦点附近，短焦距透镜的焦点和长焦距透镜的焦点重合。通过本发明的光学系统可以产生一种近似无衍射零阶Mathieu?beam,为获取零阶Mathieu?beam提供了一种简洁，有效的新途径。该光束可以用于激光材料加工，准直测量，光学无线通信等领域。
【专利说明】—种产生近似无衍射零阶Mathieu beam的光学系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学领域，具体是一种产生近似无衍射零阶Mathieu beam的光学系统。
【背景技术】
[0002]无衍射光束的概念是1987年由美国的Durnin提出，由于它在传播方向上光强的分布具有随传播距离不发生改变的特性而受到大量的关注。无衍射光束是空间自由标量波动方程的一组特殊解，我们所熟知的Bessel beams (贝塞尔光束)是该波动方程在圆柱坐标系下的一组解，如果在椭圆柱坐标下求解该波动方程，就可以得到另一组解，它就是Mathieu beams (马丢光束)。和无衍射Bessel beams 一样，Mathieu beams也可以用于光学测量，光学制版，医学成像，非线性光学和光无线通等领域。
[0003]目前,产生零阶Mathieu beams的方法有多种:如计算机全息法,环缝透镜法,激光谐振腔法等。但是计算机全息法需要用到计算机和空间光调制器，成本高且系统复杂，激光谐振腔法调试激光腔难度较大且设备成本高，环缝透镜法虽简单，但是通光孔径小，光能利用率低，因此不利于Mahtieu beams的实际应用。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种能快捷简单、高效率地产生近似无衍射Mathieu beam的光学系统。
[0005]为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案:
[0006]包括光学平台，该光学平台上放置有激光器，沿该激光器的激光光路依次放置柱透镜、短焦距透镜，长焦距透镜和轴棱锥；其中，短焦距透镜放在柱透镜的焦点附近，短焦距透镜的焦点与长焦距透镜的焦点重合。
[0007]上述激光器为He-Ne激光器。
[0008]上述柱透镜为凸柱透镜。
[0009]上述短焦距透镜和上述长焦距透镜组成一个准直扩束系统，该准直扩束系统的放大倍数通过选取不同的透镜焦距来调节。
[0010]上述轴棱锥是传统的折射型轴棱锥。
[0011]采用上述方案后，当激光器发出的激光光束先经过柱透镜变换为椭圆高斯光束，然后再经过准直扩束系统准直扩束后，再经轴棱锥聚焦，最后在轴棱锥后一定的距离内形成近似无衍射Mathieu beam。本光学系统结构非常简单，且轴棱锥具有光学损伤阈值高，通光孔径大等优点，因此用轴棱锥产生Mathieu beam要比计算机全息法和谐振腔法简单,成本低，比环缝透镜法效率高。故本发明为获取近似无衍射Mathieu beam提供了一种简洁，高效的新途径。在实际应用中，特别是激光材料处理，生物医学等领域具有特殊的意义。
【专利附图】
【附图说明】[0012]图1为本发明光学系统的组成原理图；
[0013]图2为本发明光学系统的光路示意图；
[0014]图3为本发明光学系统的计算机模拟光斑图。
[0015]图4为本发明光学系统的实验光斑图。
【具体实施方式】
[0016]为了进一步解释本发明系统的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明系统进行详细阐述。
[0017]本发明的一种产生近似无衍射Mathieu beam的光学系统，如图1所示，包括光学平台I和分别用固定支架7支撑定位于光学平台I上的激光器2，柱透镜3，短焦距透镜4，长焦距透镜5和轴棱锥6。激光器2通过固定支架7设置于光学平台I上，沿该激光器2的激光光路依次放置柱透镜3，短焦距透镜4，长焦距透镜5，轴棱锥6，以及显微镜与CXD照相机系统8。
[0018]激光器2米用He-Ne激光器。
[0019]柱透镜3采用凸面型柱透镜。
[0020]短焦距透镜4在柱透镜3的焦点附近，不要求短焦距透镜4与柱透镜3的焦点严
格重合。
[0021 ] 短焦距透镜4的焦点和长焦距透镜5的焦点重合，由短焦距透镜4和长焦距透镜5构成一个准直扩束系统，准直扩束系统的放大倍数可以根据需要通过选取不同的透镜焦距来调节。
[0022]轴棱锥6采用传统的折射型轴棱锥。轴棱锥6沿光路放在长焦距透镜5的后方，距离不限。
[0023]显微镜与CXD照相系统8是一整体，用来拍摄不同传播距离处的光斑分布。
[0024]工作时，如图2所示，首先He-Ne激光器2打开，激光光束经过柱透镜3变换为椭圆高斯光束，然后再经过短焦距透镜4和长焦距透镜5准直扩束后在轴棱锥6上形成一个狭长的椭圆形的光斑，在轴棱锥6后一定距离内形成近似无衍射Mathieu beam,其最大无衍射传播距离可由公式Z_~a[(n-1) Y ]近似计算得到，其中a为入射到轴棱锥6上的椭圆光斑的长轴半径，n为轴棱锥6的折射率，Y为轴棱锥6的底角。
[0025]作为实施例，我们选择凸柱透镜3的焦距f=300mm，短焦距透镜4的焦距f=15mm、长焦距透镜5的焦距f=190mm，轴棱锥6的底角y=0.5°，折射率n=l.458，实验时，根据图2的光路搭建光路系统，在轴棱锥6后一定距离处用显微镜与CCD照像机8拍摄，拍摄结果如图4所示。为了验证实验与理论的一致性，根据菲涅耳衍射积分理论，我们选取轴棱锥6的底角Y=0.5°，折射率n=l.458，入射到轴棱锥6上的椭圆高斯光束的光斑的长轴半径?x=5mm，短轴半径Coy=L 5mm作为参数，进行数值模拟计算得到轴棱锥6后的零阶近似无衍射mathieu光束在不同传播距离处的光强分布图，如图3所示。实验测得入射到轴棱锥6上的椭圆光斑的长轴半径为5mm，利用公式Zmax ^ a[(n_l) y ]计算得到的最大无衍射距离约为625mm,实验测得的最大无衍射距离为610mm,实验与理论基本符合。
[0026]由此，本光学系统为获取近似无衍射Mathieu beam提供了一种简洁，有效的方法。在实际应用中，特别是对于激光材料处理，生物医学等领域具有特殊的意义。[0027]上述实施例和图式并非限定本发明系统的产品形态和式样，任何所属【技术领域】的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明系统的专利范畴。
【权利要求】
1.一种产生近似无衍射零阶Mathieu beam的光学系统，其特征在于:包括光学平台，该光学平台上放置有激光器，沿该激光器的激光光路依次放置柱透镜、短焦距透镜，长焦距透镜和轴棱锥；其中，短焦距透镜放在柱透镜的焦点附近，短焦距透镜的焦点与长焦距透镜的焦点重合。
2.如权利要求1所述的一种产生近似无衍射零阶Mathieubeam的光学系统,其特征在于:上述激光器为He-Ne激光器。
3.如权利要求1所述的一种产生近似无衍射零阶Mathieubeam的光学系统,其特征在于:上述柱透镜为凸柱透镜。
4.如权利要求1所述的一种产生近似无衍射零阶Mathieubeam的光学系统,其特征在于:上述短焦距透镜和上述长焦距透镜组成一个准直扩束系统，该准直扩束系统的放大倍数通过选取不同的透镜焦距来调节。
5.如权利要求1所述的一种产生近似无衍射零阶Mathieubeam的光学系统,其特征在于:上述轴棱锥是传统的折射型轴棱锥。
【文档编号】G02B27/09GK103760673SQ201410005837
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月6日 优先权日:2014年1月6日
【发明者】吴逢铁, 李冬 申请人:华侨大学