CN103091740A - 一种产生环状空心光束的光学元件 - Google Patents

一种产生环状空心光束的光学元件 Download PDF

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李玉瑶
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王晓华
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Abstract

本发明公开了一种产生环状空心光束的光学元件，其几何形状为在圆台的底部去除一个与圆台下底面同心的圆锥，该圆台的侧面和所去除圆锥形成的内侧面均被抛光，光线入射到该圆台和圆锥的母线上均发生镜面反射。光线从该光学元件上底面进入，由于去除的部分充满均匀空气介质，入射光在圆锥和圆台的母线间上发生全反射，使得入射光束从圆台下底面出射环形空心光束。与现有技术相比，本发明的优点在于：结构简单，易于加工，且能量转换效率高，能够获得高光束质量准直的环状空心光束。

Description

一种产生环状空心光束的光学元件
技术领域
本发明涉及一种产生环状空心光束的光学元件，属于光学技术领域。
背景技术
随着空心光束的出现，空心光束的产生和应用引起了人们越来越多的关注。空心光束是一种在传播方向上中心光强或轴向光强为零的光束，强度呈圆筒形分布，具有暗斑尺寸可调、无加热效应和传播不变性等特点。它在激光光学、光信息处理、微粒波导、同位素分离、微电子学、材料科学、生物技术、医学以及原子分子学等领域中有着广泛的应用前景。
目前空心光束的方法主要有多模光纤、光子晶体光纤、液芯光纤、空心光纤、轴棱锥和位相片法等，这些方法主要产生的是局部区域空心光束，很难获得准直的空心光束。利用两个光轴重合、锥面与锥底夹角相等的内外圆锥透镜组合能够获得质量较好的准直空心光束，但两个光学元件组合增大了元件装卡和光路调整的难度。
发明内容
为解决上述问题，本发明的目的在于提供了一种产生环状空心光束的光学元件。该光学元件结构简单，易于加工，且能量转换效率高，能够获得高光束质量准直的环状空心光束。
如附图1所示，本发明提供的一种产生环状空心光束的光学元件，其几何形状为在圆台的底部去除一个与圆台下底面同心的圆锥，该圆台的侧面和所去除圆锥形成的内侧面均被抛光，光线入射到该圆台和圆锥的母线上均发生镜面反射；
所述的一种产生环状空心光束的光学元件，其制作材料优选对入射光透明的光学玻璃、光学晶体或光学塑料，该元件的上底面和下底面镀制对入射光的增透膜；
如附图2所示，所述的一种产生环状空心光束的光学元件，其产生空心光束的原理是这样实现的：光线从该光学元件上底面进入，由于去除的部分充满均匀空气介质，入射光在圆锥和圆台的母线间上发生全反射，使得入射光束从圆台下底面出射环形空心光束，如附图3所示；通过优化设计圆锥底面直径2r的数值大小可以获得不同内半径的空心光束，通过优化设计圆台下底面直径2R的数值大小可以获得不同外半径的空心光束，通过优化设计圆锥的高度h的数值大小来获得空心光束的不同环宽度；
所述的圆台，其轴截面为等腰梯形，且轴截面的斜边与底边的夹角γ为45度，该等腰梯形的高和底边分别为H和2R；
所述的圆锥，其轴截面是顶角α为90度，底角β为45度的等腰直角三角形，该圆锥的底面直径和高分别为2r和h，且满足2r<2R，h≤H。
有益效果：本发明提供的一种产生环状空心光束的光学元件是采用在圆台的底部去除一个与圆台底面同心的圆锥的方法制作成，在光束传输过程主要是基于全反射的原理，能量转换效率可以高达99%，且可以获得高光束质量准直的环状空心光束输出。
附图说明
图1是一种产生环状空心光束的光学元件轴截面图。
图2是环状空心光束产生原理光路示意图。
图3是环状空心光束二维光强分布示意图。
具体实施方式
实施例 一种产生环状空心光束的光学元件。
如附图1所示，本发明提供的一种产生环状空心光束的光学元件，其几何形状为在圆台的底部去除一个与圆台下底面同心的圆锥，该圆台的侧面和所去除圆锥形成的内侧面均被抛光，光线入射到该圆台和圆锥的母线上均发生镜面反射；
所述的一种产生环状空心光束的光学元件，其制作材料优选对入射光透明的光学玻璃、光学晶体或光学塑料，该光学元件的上底面和下底面镀制对入射光的增透膜，透射率为99.8%；
如附图2所示，所述的一种产生环状空心光束的光学元件，其产生空心光束的原理是这样实现的：光线从该光学元件上底面进入，由于去除的部分充满均匀空气介质，入射光在圆锥和圆台的母线间上发生全反射，使得入射光束从圆台下底面出射环形空心光束，如附图3所示；通过优化设计圆锥底面直径2r的数值大小可以获得不同内半径的空心光束，通过优化设计圆台下底面直径2R的数值大小可以获得不同外半径的空心光束，通过优化设计圆锥的高度h的数值大小来获得空心光束的不同环宽度；
所述的圆台，其轴截面为等腰梯形，且轴截面的斜边与底边的夹角γ为45度，该等腰梯形的高和底边分别为H和2R；
所述的圆锥，其轴截面是顶角α为90度，底角β为45度的等腰直角三角形，该圆锥的底面直径和高分别为2r和h，且满足2r<2R，h≤H。 

Claims (3)

1.一种产生环状空心光束的光学元件，其特征在于几何形状为在圆台的底部去除一个与圆台下底面同心的圆锥，该圆台的侧面和所去除圆锥形成的内侧面均被抛光，光线入射到该圆台和圆锥的母线上均发生镜面反射，其制作材料为对入射光透明的光学玻璃、光学晶体或光学塑料，该元件的上底面和下底面镀制对入射光的增透膜，其产生空心光束的原理是这样实现的：光线从上底面进入该光学元件内部，由于去除的部分充满均匀空气介质，入射光在圆锥和圆台的母线间上发生全反射，使得入射光束从圆台下底面出射环形空心光束；通过优化设计圆锥底面直径2r的数值大小可以获得不同内半径的空心光束，通过优化设计圆台下底面直径2R的数值大小可以获得不同外半径的空心光束，通过优化设计圆锥的高度h的数值大小来获得空心光束的不同环宽度。
2.如权利要求1所述的一种产生环状空心光束的光学元件，其特征在于，所述的圆台轴截面为等腰梯形，且轴截面的斜边与底边的夹角γ为45度，该等腰梯形的高和底边分别为H和2R。
3.如权利要求1所述的一种产生环状空心光束的光学元件，其特征在于，所述的圆锥轴截面是顶角α为90度，底角β为45度的等腰直角三角形，该圆锥的底面直径和高分别为2r和h，且满足2r<2R，h≤H。
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