[发明专利]一种产生带状无衍射光束的光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种对圆高斯光束进行聚焦产生带状无衍射光束的光学系统。

背景技术

无衍射光束是一种在自由空间传播过程中横向光场分布不随传播距离发生变化且光场能量集中的光束。因其在传播过程中强度及光斑尺寸保持不变的特性，被广泛用于激光打孔，光学俘获和操作、激光成像，干涉测量、空间光通信。实验中产生无衍射光束比较简单的方法就是用平面波直接入射轴棱锥得到无衍射光束，当入射到轴棱锥上的平面波的振幅是均匀分布的平面波，产生就是无衍射Bessel光束，当入射到轴棱锥上的平面的振幅分布是非均匀的平面波时，可得到不同类型的无衍射光束，例如拉盖尔高斯光束入射轴棱锥产生高阶Bessel-Gauss光束，椭圆高斯振幅调制的平面波入射轴棱锥得到无衍射Mathieu光束等。

现有技术中，要产生具有Mathieu光束特征的带状无衍射光束，通常是采用传统计算机或者制作相位全息片来获得，其操作比较复杂且成本较高。

发明内容

本发明的目的在于提供一种方便快捷产生带状无衍射光束的光学系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种产生带状无衍射光束的光学系统，包括光学平台，该光学平台上放置有激光器，沿该激光器的激光光路依次放置短焦距透镜、长焦距透镜、椭圆孔径菲林片、轴棱锥；其中，上述短焦距透镜的焦点和上述长焦距透镜的焦点重合；上述椭圆孔径菲林片紧靠着上述轴棱锥；从上述长焦距透镜射向上述椭圆孔径菲林片的光束的直径大于上述椭圆孔径菲林片的椭圆孔的短轴直径。

上述激光器为He-Ne激光器。

采用上述方案后，当激光器发出的激光光束依次经短焦距透镜和长焦距透镜准直扩束后，经由椭圆孔径菲林片，再正入射到轴棱锥上，输出形成带状无衍射光束；本光学系统结构非常简单，轴棱锥具有光学损伤阈值高，通光孔径大等优点，且椭圆孔径菲林片造价低廉，极易获得，因此将方便快捷地产生带状无衍射光束。故本发明为获取带状无衍射光束提供了一种低成本、简洁、有效的新途径。在实际应用中，特别是对提高光学无损检测，条码扫描上的检测效率具有特殊意义。

附图说明

图1为本发明光学系统的结构示意图；

图2为本发明光学系统的光路示意图；

图3为本发明中椭圆孔径菲林片的结构示意图；

图4a-图4d为本发明光学系统的计算机模拟光斑图；

图5a-图5d为本发明光学系统的实验光斑图。

具体实施方式

为了进一步解释本发明系统的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明系统进行详细阐述。

本发明的一种产生带状无衍射光束的光学系统，如图1所示，具有光学平台1，在光学平台1上放置激光器2，沿该激光器2的激光光路依次放置短焦距透镜3、长焦距透镜4、椭圆孔径菲林片5和轴棱锥6。其中，激光器2、短焦距透镜3、长焦距透镜4、椭圆孔径菲林片5和轴棱锥6分别通过固定支架7支撑定位在光学平台1上。

其中，短焦距透镜3的焦点和长焦距透镜4的焦点重合；椭圆孔径菲林片5紧靠着轴棱锥6。

其中，激光器2采用He-Ne激光器。

短焦距透镜3的焦点和长焦距透镜4的焦点重合，由短焦距透镜3和长焦距透镜4构成一个准直扩束系统，准直扩束系统的放大倍数可以根据需要通过选取不同的透镜焦距来调节。调整准直扩束系统的放大倍数，使从长焦距透镜4射向椭圆孔径菲林片5的光束的直径大于椭圆孔径菲林片5的椭圆孔的短轴直径。为了使最后所得的带状无衍射光束图样更为清晰，可以把光束直径调整至大于椭圆孔径菲林片5的椭圆孔的长轴直径。

工作时，如图2、3所示，首先He-Ne激光器2打开，激光光束经过短焦距透镜3和长焦距透镜4准直扩束后形成直径大于椭圆孔径菲林片5的椭圆孔的短轴直径的光束，此光束经过椭圆孔径菲林片5后形成椭圆形的光斑，投射在轴棱锥6后一定距离内形成带状无衍射光束，其最大无衍射传播距离可由公式Z_max≈a/[(n-1)γ]近似计算得到，其中a为入射到轴棱锥6上的椭圆光斑的长轴半径(即，椭圆孔径菲林片5的椭圆孔的长轴半径)，n为轴棱锥6的折射率，γ为轴棱锥6的底角。通过计算机模拟得到不同传播距离处的结果如图4a-图4d所示。

作为实施例，轴棱锥6的底角γ＝10，轴棱锥6的折射率n＝1.458，椭圆孔径菲林片5的椭圆孔的长短轴半径分别为a＝5mm，b＝1.5mm，短焦距透镜3的焦距f＝15mm、长焦距透镜4的焦距f＝190mm，实验时，根据图2的光路搭建光路系统，拍摄到不同传播距离处的结果如图5a-图5d所示。