使用轴锥镜控制环形光斑强度和直径

      Asphericon在《Proceedings of SPIE》, Volume 8970 – Mar 6, 2014期刊中发表的学术论文中，展示了如何把非球面和轴锥镜组合使用，将入射光束转换为具有同心环结构和长焦深的贝塞尔光束（Bessel beams），另外，将轴锥镜与聚焦透镜结合可以产生环形聚焦效果和调节环形光斑的强度分布。文章中所展示的不同光学元件组合的体现了一种灵活的环形光斑和贝塞尔光束整形的概念，适用于各种不同的激光源或光束参数的光斑整形应用上。

在贝塞尔光束（Bessel beams）整形中，由于聚焦的问题会导致所产生贝塞尔函数分布的焦平面周围的光强一般会随着光学器件的数值孔径（Numerical Aperture，NA）值下降而下降，例如对于大约0.5或大于0.5的NA值只能将这个区域限制在几微米甚更小，这对于某些实验装置或材料加工来说是不够的，而需要具有贝塞尔（函数）强度更长区域分布的贝塞尔光束整形。对于扩大贝塞尔函数分布的强度区域的简单方法是显着降低光学器件的NA值，但这也会导致增加聚焦光斑的横向尺寸。因此，通过把非球面和轴锥镜组合使用进行贝塞尔光束整形而得到环形光斑整形的环形聚焦是可以解决这些问题的。因为非球面透镜通过修改镜片表面的曲率而改善球面像差问题，而轴锥镜可沿其光轴形成一系列点以获得长的焦深成像。

对于贝塞尔光束整形，如图1所示，准直光束通过轴锥镜后，在光轴后面的某个区域产生贝塞尔光束，其横向尺寸由轴锥镜的角度决定，当轴锥角从10°增加到20°时，贝塞尔光束的横向宽度就会减少2倍。所以，当入射光束直径保持不变时，增加轴锥镜的角度不仅会导致更小的光束轮廓，而且还会减少干涉长度。

图1两种不同的轴锥镜产生的贝塞尔光束

在轴锥镜角度不变的情况下，贝塞尔光束整形后出现的干扰长度随着光束直径的增加而增加；在保持入口光束直径不变的情况下，干扰长度会则减少到原来的三分之一左右。为了保持原来的干扰长度，入口光束的尺寸也必须相应扩大，如图2所示，但这时候在入射光束中需要更多的能量才来最终获得沿光轴方向的相同的贝塞尔光束强度。

图2 在轴心角不变的情况下，贝塞尔光束出现的干扰长度随着直径的增加而增加

对于Asphericon在《Proceedings of SPIE》, Volume 8970 – Mar 6, 2014期刊的文章中展示的非球面镜和轴锥镜组合系统如下：在图3上，由四个单片非球面透镜元件组成的扩束系统，用于调整激光源的光束直径，而不引入明显的像差（波前误差）。通过透镜进一步扩大光束直径后入射到轴锥镜进行贝塞尔光束整形，沿光轴方向形成了贝塞尔光束。如果在光学系统后面添加一个透镜将可以实现环形光斑整形，产生一个环形聚焦的焦点，这个环形焦点的大小和距离是由这个透镜的焦距决定的。比如在这个装置中采用非球面透镜实现环形光斑整形，可以使环形聚焦的焦点形状更加平滑，特别是对于高数值孔径来说，非球面透镜的像差要小得多，避免了光分布的失真。

图3 在轴锥镜后面放置一个非球面透镜产生环形焦点的对比

如果在原来的装置上增加第二个轴锥镜，如图4所示的环形光斑整形的光学装置，通过移动最后一个轴锥镜在光轴上的位置可以对环形聚焦的焦点的直径进行大小控制，且环形焦点的位置保持不变。能控制的大小只取决于相关光学元件的尺寸，且环形的宽度是由聚焦镜头的NA决定的。

图4 使用轴锥镜创建直径可变的环形焦点

下面图5展示了通过将一个、两个轴锥镜与一个透镜结合起来而产生的不同环形结构的环形光斑整形实验结果。所用的轴锥镜的角度为20°、非球面透镜的焦距为50毫米。

图5 在透镜的焦平面上创造一个环形的光分布和通过轴锥镜改变环形直径

利用轴锥镜的参数来得到贝塞尔光束、环形光斑分布或环形聚焦的整形结果。这种对入射光束的直径和强度分布进行调整的概念，在涉及到各种不同的激光源或需要改变光束参数的应用中是比较适用、方便和灵活的。