深入了解錐透鏡

什么是錐透鏡?

錐透鏡是一種圓錐棱鏡，由其α角和頂角定義。聚光透鏡可以將光聚焦在光軸上的某一點(例如，平凸(PCX)，雙凸(DCX)或非球面透鏡) 。與之不同，錐透鏡可以將光聚焦到光軸上的多個點（圖1）。錐透鏡產(chǎn)生的光束穿過光軸，當(dāng)錐透鏡到圖像距離增大時，所形成的光環(huán)直徑也將增大，而光環(huán)的厚度保持不變。該光束具有貝塞爾光束的特性，沿光束傳播方向的光強(qiáng)分布不會發(fā)生改變。

圖1: 用錐透鏡聚光

錐透鏡的貝塞爾光束特性

與隨距離增長而發(fā)散的高斯光束不同，貝塞爾光束是非衍射光束，它在傳播時能保持光強(qiáng)分布不變。雖然的貝塞爾光束需要無限的能量才能產(chǎn)生，但錐透鏡可以在其焦深（DOF）范圍內(nèi)產(chǎn)生與之非常近似的非衍射特性。 DOF這個函數(shù)包括錐透鏡的入射光半徑（R），錐透鏡的折射率（n）和α角（α）：

如上所述，光環(huán)的厚度（t）保持恒定，并且很容易確定；它相當(dāng)于初始光束的半徑或初始光束直徑的一半（db）：

光環(huán)的直徑與距離成比例；隨著透鏡輸出端到像的距離（L）的增長，光環(huán)的直徑（dr）將增加，距離減小，直徑也隨之減小。如等式3所示，光環(huán)的直徑與長度的兩倍，以及折射率（n）和α角（α）乘積的正切值有關(guān)。

圖2和3是綠色激光通過錐透鏡對焦后所成的真實圖像；這兩張圖反應(yīng)了錐透鏡的直徑與距離成比例，而光環(huán)厚度保持不變的特性。 在圖2中，錐透鏡的L = 228.6mm，在圖3中，L = 355.6mm。輸入光束直徑為4mm的激光，127mm×127mm白平衡板，以及擁有20°α角的錐透鏡一起生成了圖像。圖2和圖3中，光環(huán)的厚度始終保持2mm，而當(dāng)錐透鏡輸出端和圖像之間的距離從L = 228.6mm增加到L = 355.6mm時，光環(huán)直徑也從73.66mm增加到114.3mm。

圖2: L = 228.6mm時，綠色激光通過錐透鏡的成像

圖3: L = 355.6mm時，綠色激光通過錐透鏡的成像

錐透鏡的應(yīng)用

錐透鏡的特性使其適用于多種研究和醫(yī)療應(yīng)用。例如，錐透鏡有助于改進(jìn)激光角膜手術(shù)，這是一種用于矯正視力的外科手術(shù)，利用激光來灼燒角膜組織以校正眼睛的屈光狀態(tài)。錐透鏡將激光束聚焦為光環(huán), 用來蒸發(fā)角膜組織，而且過程更為平滑。該應(yīng)用采用負(fù)錐透鏡和正錐透鏡，通過控制兩個錐透鏡之間的距離來調(diào)節(jié)光環(huán)直徑以適應(yīng)患者和外科醫(yī)生的需要。

錐透鏡也適用于光學(xué)捕獲，使用激光產(chǎn)生吸引力和排斥力以便操縱微粒和細(xì)胞。錐透鏡產(chǎn)生的光環(huán)可以用作排斥墻，將微粒捕獲在較暗的光束內(nèi)部區(qū)域中，非常適用于捕獲粒子這類應(yīng)用。

使用光學(xué)部件與錐透鏡

為了獲得貝塞爾光束，必須將錐透鏡和激光準(zhǔn)直，使激光束沿著錐透鏡的光軸傳播。為了實現(xiàn)準(zhǔn)直和精度要求，要用到很多光學(xué)部件，包括激光，擴(kuò)束鏡，透鏡安裝座以及接桿和接桿支架。例如，擴(kuò)束鏡可以準(zhǔn)直入射激光并減少其發(fā)散度，使得錐透鏡可以地創(chuàng)建環(huán)形光束，光學(xué)透鏡安裝座可以將錐透鏡牢牢固定起來，并提供微米或亞微米級的自由度調(diào)整及準(zhǔn)直。

將沿光軸傳播的光束聚焦，錐透鏡創(chuàng)建了近似貝塞爾光束。雖然光環(huán)直徑會隨著錐透鏡和圖像之間的距離成比例地增大和減小，但是光環(huán)厚度保持不變。錐透鏡非常適用于需要環(huán)形激光輸出的測量和準(zhǔn)直，以及研究和醫(yī)療應(yīng)用。