深入了解锥透镜

什么是锥透镜?

锥透镜是一种圆锥棱镜，由其α角和顶角定义。聚光透镜可以将光聚焦在光轴上的某一点(例如，平凸(PCX)，双凸(DCX)或非球面透镜) 。与之不同，锥透镜可以将光聚焦到光轴上的多个点（图1）。锥透镜产生的光束穿过光轴，当锥透镜到图像距离增大时，所形成的光环直径也将增大，而光环的厚度保持不变。该光束具有贝塞尔光束的特性，沿光束传播方向的光强分布不会发生改变。

图1: 用锥透镜聚光

锥透镜的贝塞尔光束特性

与随距离增长而发散的高斯光束不同，贝塞尔光束是非衍射光束，它在传播时能保持光强分布不变。虽然真正的贝塞尔光束需要无限的能量才能产生，但锥透镜可以在其焦深（DOF）范围内产生与之非常近似的非衍射特性。 DOF这个函数包括锥透镜的入射光半径（R），锥透镜的折射率（n）和α角（α）：

(1)

如上所述，光环的厚度（t）保持恒定，并且很容易确定；它相当于初始光束的半径或初始光束直径的一半（d_b）：

(2)

光环的直径与距离成比例；随着透镜输出端到像的距离（L）的增长，光环的直径（d_r）将增加，距离减小，直径也随之减小。如等式3所示，光环的直径与长度的两倍，以及折射率（n）和α角（α）乘积的正切值有关。

(3)

图2和3是绿色激光通过锥透镜对焦后所成的真实图像；这两张图反应了锥透镜的直径与距离成比例，而光环厚度保持不变的特性。 在图2中，锥透镜的L = 228.6mm，在图3中，L = 355.6mm。输入光束直径为4mm的激光，127mm×127mm白平衡板，以及拥有20°α角的锥透镜一起生成了图像。图2和图3中，光环的厚度始终保持2mm，而当锥透镜输出端和图像之间的距离从L = 228.6mm增加到L = 355.6mm时，光环直径也从73.66mm增加到114.3mm。

图2: L = 228.6mm时，绿色激光通过锥透镜的成像

图3: L = 355.6mm时，绿色激光通过锥透镜的成像

锥透镜的应用

锥透镜的特性使其适用于多种研究和医疗应用。例如，锥透镜有助于改进激光角膜手术，这是一种用于矫正视力的外科手术，利用激光来灼烧角膜组织以校正眼睛的屈光状态。锥透镜将激光束聚焦为光环, 用来蒸发角膜组织，而且过程更为平滑。该应用采用负锥透镜和正锥透镜，通过控制两个锥透镜之间的距离来调节光环直径以适应患者和外科医生的需要。

锥透镜也适用于光学捕获，使用激光产生吸引力和排斥力以便操纵微粒和细胞。锥透镜产生的光环可以用作排斥墙，将微粒捕获在较暗的光束内部区域中，非常适用于捕获粒子这类精确应用。

使用光学部件与锥透镜

为了获得贝塞尔光束，必须将锥透镜和激光准直，使激光束沿着锥透镜的光轴传播。为了实现准直和精度要求，要用到很多光学部件，包括激光，扩束镜，透镜安装座以及接杆和接杆支架。例如，扩束镜可以准直入射激光并减少其发散度，使得锥透镜可以精确地创建环形光束，光学透镜安装座可以将锥透镜牢牢固定起来，并提供微米或亚微米级的自由度调整及准直。

将沿光轴传播的光束聚焦，锥透镜创建了近似贝塞尔光束。虽然光环直径会随着锥透镜和图像之间的距离成比例地增大和减小，但是光环厚度保持不变。锥透镜非常适用于需要环形激光输出的测量和准直，以及研究和医疗应用。

参考

1. Haw, Weldon W., MD, and Edward E. Manche, MD. "Prospective Study of Photorefractive Keratectomy for Hyperopia Using an Axicon Lens and Erodible Mask." Journal of Refractive Surgery 16, no. 6 (November 1, 2000): 724-30.
2. Mallik, Proteep. "The Axicon." Lecture, December 7, 2005. Accessed November 15, 2010.