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锥透镜——产生贝塞尔光束的光学元件

作者: 时间:2020-07-16


贝塞尔光束的特点

锥透镜,在光学行业中也称为衍射锥棱镜或锥镜,轴锥镜,是指将激光束转换成贝塞尔光束的一类光学元件。贝塞尔光束是一种特殊的非衍射光束,和单模高斯光束相比,它的聚焦深度大。贝塞尔光束,当被外部的透镜聚焦时会形成一个拉长的聚焦区域,该区域具有与透镜相同的衍射极限光斑尺寸,但也可能是瑞利范围的许多倍。这样一来,就可以跳过透镜的焦深限制,即聚焦越紧密,它的焦深(DOF)就越短。



贝塞尔光束的应用

衍射锥透镜被用于各种激光器应用当中,由于激光的波长原因,因此聚焦介质应该是透明的。通常情况下,贝塞尔光束应用于玻璃切割领域,其中红外和绿色波长的单模超短脉冲激光器作为激光源。可以切割0.3-1.5mm的厚度玻璃,并且要求激光在玻璃切割面上能够聚焦一个<10μm的光斑才可以使用。这只能通过两种方式才能够实现,一种是机械移动激光头,来减小切割速度;另一种是用贝塞尔光束增加其焦深(DOF)。贝塞尔光束法在使用效率上和可靠性方面都有较好的优势,因为它在Z方向上没有移动部件。

贝塞尔光束还应用在光片荧光显微镜中,用一个焦深较大的高斯贝塞尔光束来扫描试验的样本,创建一个光片可以检测在流体通道中流动的荧光结合在一起的粒子或者细胞。这种方法能够保证高分辨率和流速,同时保持良好的精度。

生成贝塞尔光束的元件类型

有两种生成贝塞尔光束的元件:折射锥棱镜和衍射锥棱镜。

折射锥棱镜是以一定角度而打磨成的玻璃圆椎体,虽然制作过程简单且价格合理,但是针对生成贝塞尔光束的用途提出了如下的严格要求:

-底角不能太小(最小为0.5°);

-打磨的角度存在误差,会导致性能不稳定;

-圆锥形的尖部是圆形的,轮廓不佳,增加了光束的损耗和零阶,功率较小的光束的损耗更明显;

-抛光必须要求高精度。

相对于传统型的折射锥棱镜,衍射锥棱镜是在其表面上蚀刻微米级的结构,也就是将宏观上的几何结构转换成微观上的几何结构,使得衍射锥棱镜看起来像是一块平面镜。与此同时,除了衍射锥棱镜的功能与传统锥棱镜是一致的,衍射锥棱镜还具有以下的优点:

-具有绝对的角度精度,衍射锥棱镜的角度无误差;

-锥棱镜的尖部没有缺陷,所有的位置都具有相同的光学性能;

-能够生成完美的贝塞尔光束;

-根据所需可任意减小角度;

-无热敏性,在所有的使用环境下性能都是稳定的;

-元件尺寸小、厚度薄、质量轻、透镜平整度好,更适用于紧凑型的光学系统中。


增大焦深的解决方案

Holoor在贝塞尔光束产生方面拥有多年的经验,提供多种型号的衍射锥棱镜,产生精确的贝塞尔光束。我们还开发了基于类贝塞尔光束的聚焦成形解决方案——DeepCleave激光成丝切割模组,该模块结合了高数值孔径的激光物镜和一种特殊的贝塞尔光束DOF元件的性能,可在焦深范围之外以极小的能量就可以实现平顶聚焦。与生成贝塞尔光束的衍射锥棱镜相比,这是一个更为有效的解决方案。


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