锥透镜是一种用于生成贝塞尔强度分布的光束或环形光束的光学元件。传统的锥透镜通常由一个平面和一个圆锥面组合而成,是一种折射型光学元件。平板锥透镜是一种基于液晶聚合物的衍射光学原理实现光束整形的平板光学元件,没有圆锥顶点,入射的准直光束在经过该元件后直接获得锥形相位,并通过衍射作用形成环形光束,是一种衍射光学元件(DOE)。
该衍射型平板锥透镜是基于液晶分子快轴取向对入射的准直光束进行相位调制。目标锥形相位可表示为:
· 当入射光为右旋圆偏振光时,经平板锥透镜调制后偏振态转变为左旋圆偏振,并携带聚焦锥形相位,经聚焦形成一段无衍射区域,在该区域内生成的光束具有贝塞尔光束特性,继续传输将形成环形光束。
· 当入射光为左旋圆偏振光时,经平板锥透镜调制后偏振态转变为右旋圆偏振,并携带发散锥形相位,经衍射后直接形成环形光束。
· 当入射光为线偏振光时,其左右旋圆偏振分量经平板锥透镜调制后分别获得聚焦、发散的锥形相位,并分别聚焦后发散以及直接发散。
· 当入射光为椭圆偏振光时,其左右旋圆偏振分量具有不同的振幅,透射光衍射过程与线偏振入射时相同,但双环强度与椭圆度相关。
· 当入射光为非偏振光时,为上述所有情况的叠加。
>> 出射光偏转角与相位结构周期的关系
在理想情况下,光束正入射时,根据光栅衍射公式:
>> 无衍射距离
右旋圆偏振光经过平板锥透镜后,光束沿径向发生偏转并聚焦形成一段无衍射区域,该区域中将产生具有贝塞尔光束特性的光束。该光束的最大无衍射距离与入射光及平板锥透镜参数相关,可表示为:
>> 环型光束直径
经过衍射锥透镜后产生的环形光斑直径主要由偏转角定义,当入射光为右旋圆偏振光时,根据几何关系可以计算得到环形光束直径为:
测量衍射效率光路示意图
平板锥透镜常用于贝塞尔光束或环形光束的生成。将光束准直后入射至平板锥透镜,透射光将在元件后的无衍射区域内形成贝塞尔光束,在超过无衍射区域后将衍射为环形光束。贝塞尔光束具有较大的聚焦深度,现已广泛应用于材料加工方面(激光切割、钻孔、焊接),如贝塞尔超快切割头,可以应用于玻璃、陶瓷、蓝宝石等脆性材料的切割。
贝塞尔光束用于激光加工