一種能產生長距離Bessel光束的光學元件的制作方法
【技術領域】
[0001] 本實用新型涉及一種能夠產生長距離Bessel光束的光學元件，屬于光學傳輸變 換領域與光學設計領域。
【背景技術】
[0002] Bessel光束是一種特殊光束，在傳輸領域中擁有著獨特的性質，如中心光斑極小， 中心光強極大，在一定范圍內不發散，遇到障礙物會自重建等。Bessel光束的這些特性使 得它在粒子囚禁，光學拉力，光學成像，光學引導，高精度定向或準直等領域獲得了應用，對 Bessel光束的研究早已成為光束變換領域中的熱點。
[0003] 軸棱錐是一種圓錐形的軸對稱光學元件，因為軸棱錐法產生Bessel光束的操作 性更強、能量轉換效率更高、光束質量更好，目前多使用軸棱錐產生Bessel光束，但是，這 種方法對軸棱錐底角的要求較高（一般條件下1°的軸棱錐在4mm孔徑下用He-Ne激光僅 能產生24. 4cm的近似Bessel光），由于加工限制，軸棱錐底角很難做得極小（0.5°已經非 常小了），這就限制了 Bessel光束的無衍射距離的增大，在實際應用中（如激光測距）受到 極大限制。再者，軸棱錐的中心錐角極易受到損壞，損壞后變成圓頂軸棱錐，則會降低光束 質量，影響實驗效果。因此，設計能產生長距離Bessel光且耐磨損的透鏡變得尤其具有實 際意義。 【實用新型內容】
[0004] 本實用新型的目的在于提供一種耐磨損的能產生長距離Bessel光的光學元件。
[0005] 為了實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案：
[0006] -種能產生長距離Bessel光束的光學元件，此光學元件為平面透鏡，且此平面透 鏡的折射率沿徑向呈線性梯度變化。
[0007] 所述平面透鏡為軟質的薄膜狀。
[0008] 所述平面透鏡為徑向梯度折射率材料平面透鏡。
[0009] 采用上述方案后，本實用新型的一種能產生長距離Bessel光束的光學元件，由于 元件的折射率線性梯度變化，從不同位置垂直入射，出射光經歷的光程不同，平面波垂直入 射后的等相位面為一錐面，這使得本實用新型的平面透鏡的幾何模型與傳統軸棱錐類似并 且有著相同的線聚焦效果，入射光束被線聚焦后便能產生Bessel光束。元件表面是平面更 耐磨損，不存在磨損后變成圓頂軸棱錐的問題，折射率與厚度的調制作用將加工要求降到 最低；改變材料厚度和變化折射率參數均可以線性變化產生Bessel光束的無衍射距離，調 制出不同無衍射距離的Bessel光束。因此，本實用新型的光學元件是一種產生Bessel光 更簡單，更具有操作性，更靈活，光束質量更高的光學元件。
[0010] 本實用新型中的平面透鏡為徑向梯度折射率材料制成的平面透鏡。
[0011] 進一步地，本實用新型中的平面透鏡可為軟質的薄膜狀，將折射率線性梯度變化 的薄膜附在光學系統的出射面，出射光即為長距離Bessel光，直接產生Bessel光而不需額 外調制。
[0012] 另外，本實用新型的光學元件，可多組疊加（保證中心重合）使用，多組疊加可以 產生不同距離的Bessel光束。使用時，可用折射率變化梯度相同的多組本實用新型的光學 元件（厚度相同或不相同）進行疊加，也可用折射率變化梯度不同的多組本實用新型的光 學元件（厚度相同或不相同）進行疊加。
【附圖說明】
[0013] 圖1為本實用新型的光學元件的結構示意圖；
[0014] 圖2為本實用新型的光學元件的等折射率面示意圖；
[0015] 圖3為本實用新型的光學元件產生Bessel光的幾何分析圖；
[0016] 圖4為不同參數的本實用新型的光學元件組合調制出不同距離的Bessel光的示 意圖。
【具體實施方式】
[0017] 下面結合附圖對本實用新型的光學元件的結構和原理作進一步詳細的說明。
[0018] 本實用新型的一種能產生長距離Bessel光束的光學元件，此光學元件為整體呈 柱狀結構，入射面與出射面均為平面且相互平行的平面透鏡，且此平面透鏡的折射率沿徑 向呈線性梯度變化。具體地，此平面透鏡可采用徑向梯度折射率材料制成，文獻[張鳳英， 利用光共聚法制造塑料梯度折射率棒.光學技術，1988(03):第7-11頁]中提到"利用光 共聚法，除公式（1)折射率分布之外，還能制造具有各種分布曲線的梯度折射率棒。"根據 此文獻，徑向梯度折射率材料是可以通過光共聚法制備出來。
[0019] 本實用新型中，平面透鏡的折射率沿徑向呈線性梯度變化是指平面透鏡中距中心 位置距離相同的地方折射率相同，"徑向"指的是折射率分布特性，與外形無關，平面透鏡可 以是圓形或非圓形的。
[0020] 作為一個較佳的實施例，如圖1所示，本實用新型的一種能產生長距離Bessel光 束的光學元件，此光學元件為整體呈圓柱狀結構，入射面11與出射面12均為平面且相互平 行的圓形平面透鏡100,且此圓形平面透鏡100的折射率沿徑向線性梯度減小。
[0021] 如圖2所示，圓形平面透鏡100的等折射率面13為一沿光軸方向的柱面，圓形平 面透鏡100的折射率變化參數為
，其中，％為元件中心處折射率，r為距中 心的距離，g為折射率梯度變化系數。
[0022] 由于圓形平面透鏡100的折射率沿徑向線性梯度變化，從不同位置垂直入射，出 射光經歷的光程不同，平面波垂直入射后的等相位面為一錐面，這使得圓形平面透鏡100 的幾何模型與傳統軸棱錐類似并且有著相同的線聚焦效果。
[0023] 圖3展示了平行光入射圓形平面透鏡100的幾何分析，棱形區域為Bessel光束的 無衍射范圍。本實施例中，圓形平面透鏡100厚度均勻，但折射率隨距軸心距離的增大線性 減小，導致出射光束的相位改變不同，等相位面向內偏轉，產生Besse 1光束。
[0024] 由幾何光學我們得到了元件產生Bessel光束的無衍射范圍公式
> 其中，R為光束入射半徑，D為元件厚度，g為折射率梯度變化系數。由此公式可知，元件厚 度與折射率參數對Bessel光具有相同的調制效果，減小厚度D或折射率參數均能增大無衍 射距離。
[0025] 本實用新型的光學元件的振幅透過率為t(r) = exp(_i · k · g · D · r)，其中，i為 虛數，k為入射光束波矢，g為平面透鏡折射率梯度變化系數，D為平面透鏡厚度，r為距平 面透鏡中心的距離。調制平行光產生Bessel光束的無衍射范圍是
> 當多組本 實用新型的光學元件相互疊加（保證中心重合）時，由于元件為平面透鏡，相互之間可以 緊密連接，其振幅透過率等于每個元件振幅透過率的乘積，疊加時相當于單個元件的參數 (g · D)增大，產生的Bessel光束的無衍射范圍相應變小。
[0026] 使用時，可用折射率變化梯度相同的多組本實用新型的光學元件（厚度相同或不 相同）進行疊加，也可用折射率變化梯度不同的多組本實用新型的光學元件（厚度相同或 不相同）進行疊加。如圖4所示，本實施例是將兩個厚度相同、折射率變化梯度不同的本實 用新型的光學元件相互疊加使用，產生了不同無衍射距離的Bessel光。
[0027] 本實用新型的光學元件可為軟質的薄膜狀，將折射率線性梯度變化的薄膜附在光 學系統的出射面，出射光即為長距離Bessel光，直接產生Bessel光而不需額外調制。
【主權項】
1. 一種能產生長距離Bessel光束的光學元件，其特征在于：此光學元件為平面透鏡， 且此平面透鏡的折射率沿徑向呈線性梯度變化。2. 根據權利要求1所述的一種能產生長距離Bessel光束的光學元件，其特征在于：所 述平面透鏡為軟質的薄膜狀。3. 根據權利要求1或2所述的一種能產生長距離Bessel光束的光學元件，其特征在 于：所述平面透鏡為徑向梯度折射率材料平面透鏡。
【專利摘要】本實用新型公開了一種能產生長距離Bessel光的光學元件，此光學元件為平面透鏡，且此平面透鏡的折射率沿徑向呈線性梯度變化。折射率沿徑向呈線性梯度變化使得平面透鏡擁有類似軸棱錐的線聚焦效果，入射光束被線聚焦后便能產生Bessel光束。元件表面是平面更耐磨損，不存在磨損后變成圓頂軸棱錐的問題，折射率與厚度的調制作用將加工要求降到最低；改變材料厚度和變化折射率參數均可以線性變化產生Bessel光束的無衍射距離，調制出不同無衍射距離的Bessel光束。因此，本實用新型的光學元件是一種產生Bessel光更簡單，更具有操作性，更靈活，光束質量更高的光學元件。
【IPC分類】G02B3/00
【公開號】CN204882913
【申請號】CN201520348960
【發明人】吳逢鐵, 孫川, 何艷林
【申請人】華僑大學
【公開日】2015年12月16日
【申請日】2015年5月27日