本發(fā)明涉及光學(xué)透鏡，具體是涉及一種直接產(chǎn)生環(huán)形空心聚焦光束的透鏡。

背景技術(shù)：

激光光束具有能量成高斯分布的特性，對(duì)激光光束空間整形可以得到環(huán)形空心激光光束。環(huán)形空心光束的中心光強(qiáng)為零，而且具有自旋角動(dòng)量和軌道角動(dòng)量，廣泛地應(yīng)用在機(jī)械加工[1,2]、生物學(xué)[3]、醫(yī)學(xué)[4]和軍事[5]等領(lǐng)域中。聚焦的環(huán)形空心光束具有微米級(jí)的聚焦光斑和極高的功率密度，可以有效提高環(huán)形空心光束的性能，進(jìn)一步擴(kuò)大環(huán)形空心光束的應(yīng)用范圍，例如可以用于光學(xué)粒子操控[6-8]和作為激光泵浦源[9,10]等領(lǐng)域。

目前，產(chǎn)生環(huán)形空心光束的方法有很多：如幾何光學(xué)法[11,12]，離軸光纖法[9,10,13]和位相片法[14]等。然而，目前這些方法還存在各自的缺陷：在幾何光學(xué)法中，需要用到價(jià)格高昂的錐透鏡對(duì)基模高斯光束進(jìn)行整形；在離軸光纖法中，需要用到多個(gè)透鏡將光束耦合到光纖中，增加了調(diào)試難度，而且光轉(zhuǎn)換效率較低；在位相片法中，位相片相對(duì)透鏡的位置需要精確設(shè)置才能得到理想的環(huán)形空心光束。另一方面，目前產(chǎn)生聚焦的環(huán)形空心光束的方法局限于利用額外的透鏡對(duì)已經(jīng)產(chǎn)生的環(huán)形空心光束進(jìn)行聚焦[9-11,14]，使得聚焦系統(tǒng)復(fù)雜、操作困難、精度難以保證?；诖?，這些方法都需要不止一個(gè)光學(xué)元件，且價(jià)格不菲，不但存在元件成本高的問(wèn)題，而且存在系統(tǒng)安裝調(diào)試難度較大的缺陷，光轉(zhuǎn)換效率也較低，不利于環(huán)形空心聚焦光束的實(shí)際應(yīng)用。

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技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種直接產(chǎn)生環(huán)形空心聚焦光束的透鏡。

本發(fā)明設(shè)有凸透鏡，凸透鏡設(shè)有光束輸入面和光束輸出面，在凸透鏡的光束輸出面的中心處設(shè)有凹腔，凹腔的深度遠(yuǎn)小于凸透鏡中軸線位置的厚度，凹腔的孔徑遠(yuǎn)小于凸透鏡的直徑，凹腔表面的曲率遠(yuǎn)大于凸透鏡光束輸入面的曲率。

所述凸透鏡的剖切面為橢圓形，橢圓的長(zhǎng)半軸R₁＝5mm，橢圓的短半軸R₂＝1.5mm。所述凸透鏡可采用常用的光學(xué)玻璃材料制成。

所述凹腔為半球形，球面半徑為R₃＝0.5mm，材料折射率為n＝1.68。

本發(fā)明提出一種可以直接產(chǎn)生環(huán)形空心聚焦光束的新型透鏡，對(duì)平行入射的高斯光束聚焦即可獲得環(huán)形空心聚焦光束，聚焦光斑可以達(dá)到微米級(jí)，擁有極高的功率密度和光轉(zhuǎn)換效率，而且減少了光學(xué)元件的數(shù)量，大幅度降低了環(huán)形空心聚焦光束的實(shí)際應(yīng)用成本，有效地簡(jiǎn)化了系統(tǒng)安裝和調(diào)試的難度，以適用于一般場(chǎng)合的廣闊應(yīng)用。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下突出優(yōu)點(diǎn)：

1、通過(guò)單一元件即可獲得環(huán)形空心聚焦光束，元件成本低、結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單、加工簡(jiǎn)易、轉(zhuǎn)換效率高、光損傷閾值高；

2、聚焦的環(huán)形空心光斑可以達(dá)到微米級(jí)，擁有極高的功率密度；

3、可以通過(guò)設(shè)計(jì)凹腔的尺寸來(lái)調(diào)節(jié)環(huán)形聚焦光斑空心的大?。?/p>

4.可以通過(guò)設(shè)計(jì)凸透鏡的焦距來(lái)調(diào)節(jié)環(huán)形聚焦光束焦點(diǎn)的位置。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的凸透鏡剖切圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的凸透鏡光路圖；

圖3為輸入本發(fā)明實(shí)施例透鏡的高斯光束光斑和高斯光束經(jīng)過(guò)本發(fā)明的透鏡后在焦點(diǎn)處得到的空心光斑。在圖3中，(a)為高斯光束光斑，(b)為高斯光束經(jīng)過(guò)本發(fā)明的透鏡后在焦點(diǎn)處得到的空心光斑。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例。

如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)有凸透鏡1，凸透鏡1設(shè)有光束輸入面2和光束輸出面3，在凸透鏡1的光束輸出面3的中心處設(shè)有凹腔4，凹腔4的深度遠(yuǎn)小于凸透鏡1中軸線位置的厚度，凹腔4的孔徑遠(yuǎn)小于凸透鏡1的直徑，凹腔4表面的曲率遠(yuǎn)大于凸透鏡光束輸入面2的曲率。

所述凸透鏡1的剖切面為橢圓形，橢圓的長(zhǎng)半軸R₁＝5mm，橢圓的短半軸R₂＝1.5mm。所述凸透鏡1可采用常用的光學(xué)玻璃材料制成。

所述凹腔為半球形，球面半徑為R₃＝0.5mm，材料折射率為n＝1.68。

通過(guò)數(shù)值模擬波長(zhǎng)λ＝808nm的基模高斯光束經(jīng)過(guò)本發(fā)明的透鏡，在光束輸出面3后所得到的光強(qiáng)分布如圖2所示，箭頭表示光線傳播的方向，陰影部分表示光線經(jīng)過(guò)的區(qū)域。如圖2所示，經(jīng)由凹腔4表面輸出的少部分光束6向四周發(fā)散，同時(shí)經(jīng)由光束輸出面3輸出的大部分光束7在透鏡焦點(diǎn)5處聚焦，即基模高斯光束經(jīng)過(guò)本發(fā)明的新型透鏡后可以在透鏡焦點(diǎn)5處形成環(huán)形空心聚焦光束。如圖3所示，左側(cè)為輸入本發(fā)明透鏡的基模高斯光束光斑，右側(cè)為基模高斯光束經(jīng)過(guò)本發(fā)明的透鏡后在焦點(diǎn)處得到的環(huán)形空心聚焦光斑。在實(shí)驗(yàn)中完美地通過(guò)本發(fā)明透鏡使得入射的激光二極管高斯光束聚焦為環(huán)形空心光束。通過(guò)測(cè)量入射透鏡前的激光功率以及經(jīng)過(guò)該透鏡出射后的激光功率，獲得的光轉(zhuǎn)換效率高達(dá)85.5％，遠(yuǎn)高于離軸光纖法中的75％[9,10]。環(huán)形空心聚焦光斑的直徑為160μm，遠(yuǎn)小于幾何光學(xué)法中的1.26mm的聚焦光斑直徑[11]，表明具有極強(qiáng)的聚焦能力。

以下給出本發(fā)明的工作原理：

一束光線由凸透鏡的入射面入射，光線進(jìn)入透鏡內(nèi)部，此時(shí)透鏡對(duì)光線起到聚焦的作用?？梢詫⑦M(jìn)入透鏡內(nèi)部的光線分為兩部分：一部分是位于光線中心部位的經(jīng)由凹腔表面出射的光線，稱為A；另一部分是除A光線以外絕大部分經(jīng)由凸透鏡出射面出射的光線，稱為B。通過(guò)設(shè)計(jì)該凹腔曲面的曲率，使其對(duì)A光線的發(fā)散能力遠(yuǎn)大于原本凸透鏡對(duì)A光線的聚焦能力。因此，A光線經(jīng)由凹腔表面出射后向四周發(fā)散，而B光線由凸透鏡的出射面正常出射，在凸透鏡焦點(diǎn)處會(huì)聚。由于出射的A光線具有較大的發(fā)散角，使得A光線在凸透鏡焦點(diǎn)處的能量密度遠(yuǎn)小于會(huì)聚的B光線的能量密度，所以在凸透鏡焦點(diǎn)處，A光線的能量可以忽略不計(jì)，即在凸透鏡焦點(diǎn)處，經(jīng)由這種透鏡出射的光束的中心部位的光強(qiáng)可以忽略不計(jì)。那么在凸透鏡的焦點(diǎn)處，就可以獲得環(huán)形空心的聚焦光束。

綜上所述，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、元件加工簡(jiǎn)易、轉(zhuǎn)換效率高、光損傷閾值高，且無(wú)需繁瑣的安裝調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)。