本發(fā)明屬于激光技術領域，尤其涉及一種組合式軸棱錐裝置。

背景技術：

軸棱錐(axicon)是mcleod于1954年提出的光學元件，所謂軸棱錐就是可以產(chǎn)生空心激光束的一個折射或衍射成像軸對稱光學元件，經(jīng)過其軸棱錐的光線沿其中心軸會不斷擴大，在一定范圍內(nèi)可產(chǎn)生近似的無衍射光束。它在光學領域有著極其重要的應用?，F(xiàn)在存在各種各樣的軸棱錐，根據(jù)作用不同可分為正棱錐和負棱錐。光束通過軸棱錐時，經(jīng)過反射和透射，光束會聚或者發(fā)散，但是共同的一點是它們都是一個圓錐形的透鏡，都構成一個圓錐聚焦系統(tǒng)。

自dumin提出無衍射貝塞爾(bessel)光之后，因為采用軸棱錐產(chǎn)生貝塞爾光束的實驗裝置比較簡單，轉換效率也比較高，所以一個比較重要應用就是用它可產(chǎn)生近似無衍射貝塞爾光。但是，由于軸棱錐的錐體結構特性，利用其產(chǎn)生無衍射光束受到軸棱錐底角的限制，要產(chǎn)生高質(zhì)量、長距離的無衍射光束要求軸棱錐的底角越小越好，這就增加了元件的加工難度，提高加工成本，從而限制了無衍射光束的應用。

技術實現(xiàn)要素：

為解決上述問題，本發(fā)明提供一種組合式軸棱錐裝置，在一定程度上實現(xiàn)了平行光束經(jīng)過組合式軸棱錐獲得高質(zhì)量參數(shù)可調(diào)的無衍射光束，即將組合軸棱錐浸入折射率相匹配的液體中(液體的折射率必須小于軸棱錐的折射率)通過改變液體的折射率來調(diào)節(jié)無衍射光束的參數(shù)。當液體的折射率接近軸棱錐的折射率時，可以產(chǎn)生焦深很長的無衍射光束。此方法簡單易操作，光學元件較少，避免了邊緣衍射；且浸入液體的軸棱錐可以調(diào)換，大大提高了軸棱錐的利用率，為無衍射光束進一步的工程應用提供了技術支撐。

一種組合式軸棱錐裝置，包括負軸棱錐2、正軸棱錐4以及位于負軸棱錐2和正軸棱錐4之間、且與負軸棱錐2和正軸棱錐4的形狀相匹配的光學介質(zhì)；

所述負軸棱錐2的凹錐面與正軸棱錐4的凸錐面相對；

所述負軸棱錐2和正軸棱錐4的折射率均大于光學介質(zhì)的折射率；其中，如果所述負軸棱錐2與正軸棱錐4材料不相同，則負軸棱錐2的折射率不小于正軸棱錐4的折射率，如果所述負軸棱錐2與正軸棱錐4材料相同，則正軸棱錐4的底角大于負軸棱錐2的底角；其中，正軸棱錐4的底角為凸錐面與底面的夾角，負軸棱錐2的底角為凹錐面與底面的夾角；

所述負軸棱錐2的底面作為入射面，正軸棱錐4的底面作為出射面。

進一步地，一種組合式軸棱錐裝置，還包括鏡筒3；

所述負軸棱錐2和正軸棱錐4分別固定在鏡筒3的兩端，且兩者之間填充光學介質(zhì)。

進一步地，一種組合式軸棱錐裝置，還包括壓蓋、螺母、密封堵頭以及墊片，所述負軸棱錐2和正軸棱錐4通過壓蓋和螺母分別固定在鏡筒3中，且負軸棱錐2和正軸棱錐4與鏡筒3的接觸面設有墊片，同時鏡筒3的筒身上設有開口，并用與開口匹配的密封堵頭進行封堵。

進一步地，一種組合式軸棱錐裝置，還包括鏡筒3和滑筒8；

所述滑筒8匹配嵌套在鏡筒3中，并與鏡筒3形成滑動配套；

所述負軸棱錐2固定在滑筒8內(nèi)，正軸棱錐4固定在鏡筒3內(nèi)；

所述負軸棱錐2和正軸棱錐4之間填充光學介質(zhì)。

進一步地，一種組合式軸棱錐裝置，還包括壓蓋、螺母、密封堵頭以及墊片，所述負軸棱錐2和正軸棱錐4通過壓蓋和螺母分別固定在滑筒8和鏡筒3中；

所述負軸棱錐2與滑筒8的接觸面、正軸棱錐4與鏡筒3的接觸面均設有墊片，同時鏡筒3的筒身上設有開口，并用與開口匹配的密封堵頭進行封堵。

進一步地，所述光學介質(zhì)為折射率匹配液。

進一步地，所述光學介質(zhì)為光膠。

進一步地，所述負軸棱錐2和正軸棱錐4的材料均為n-bk7。

進一步地，所述負軸棱錐2材料為n-bak2，所述正軸棱錐4材料為n-bk7。

進一步地，所述負棱錐2底角γ1為10°，且負軸棱錐2和正軸棱錐4的底角差為0.1°至1.0°，光學介質(zhì)的折射率取值區(qū)間為1至1.5。

有益效果：

本發(fā)明采用負軸棱錐和正軸棱錐構成組合式軸棱錐裝置，并且通過正負軸棱錐間填充介質(zhì)的更換或正負軸棱錐間距的變化，使傳統(tǒng)組合式軸棱錐突破受單軸棱錐底角的限制，產(chǎn)生高質(zhì)量、長距離的無衍射光束，改變正、負軸棱錐之間的光學介質(zhì)折射率，即可改變組合式軸棱錐裝置的最大無衍射距離，有利于進行無衍射距離等參數(shù)的調(diào)諧；

同時本發(fā)明采用組合式軸棱錐裝置有利于降低單個元件的加工難度，從而降低加工成本，擴展了無衍射光束的應用。

附圖說明

圖1(a)為本發(fā)明的負軸棱錐結構示意圖；

圖1(b)為本發(fā)明的正軸棱錐結構示意圖；

圖2為本發(fā)明浸液式固定組合軸棱錐裝置結構示意圖；

圖3為本發(fā)明浸液式滑動組合軸棱錐裝置結構示意圖；

圖4為本發(fā)明浸液式固定組合軸棱錐裝置三維結構示意圖；

圖5為本發(fā)明浸液式滑動組合軸棱錐裝置三維結構示意圖；

圖6(a)為模擬得到的平面波經(jīng)負軸棱錐的光線追跡圖；

圖6(b)為模擬得到的平面波經(jīng)正軸棱錐的光線追跡圖；

圖7為本發(fā)明設計的浸液式組合軸棱錐結構及光線追跡示意圖；

圖8(a)為同種材料不同錐面底角的組合軸棱錐結構示意圖；

圖8(b)為同錐面底角不同材料的組合軸棱錐結構示意圖；

1-壓蓋、2-負軸棱錐、3-鏡筒、4-正軸棱錐、5-密封堵頭、6-螺母、7-墊片、8-滑筒。

具體實施方式

下面結合附圖并舉實施例，對本發(fā)明進行詳細敘述。

實施例一：

如圖2和圖4所示，本實施例的組合式軸棱錐裝置結構，包括壓蓋1、負軸棱錐2、正軸棱錐4、位于負軸棱錐2和正軸棱錐4之間、且與負軸棱錐2和正軸棱錐4的形狀相匹配的光學介質(zhì)、鏡筒3、密封堵頭5、螺母6以及墊片7；

所述負軸棱錐2的凹錐面與正軸棱錐4的凸錐面相對；其中圖1(a)為本發(fā)明的負軸棱錐結構示意圖；圖1(b)為本發(fā)明的正軸棱錐結構示意圖；

所述負軸棱錐2和正軸棱錐4分別固定在鏡筒3的兩端，且負軸棱錐2和正軸棱錐4與鏡筒3的接觸面設有墊片7；

所述鏡筒3中，即負軸棱錐2和正軸棱錐4之間填充光學介質(zhì)，且筒身上設有開口，并用與開口匹配的密封堵頭進行封堵。

所述負軸棱錐2通過壓蓋1和螺母6固定在鏡筒3的一端，正軸棱錐4通過壓蓋1和螺母6固定在鏡筒3的另一端。

當入射光束半徑為10mm，正、負軸棱錐材料均為n-bk7(折射率為1.51509)，負軸棱錐2底角γ1為10°時，最大無衍射距離隨n2及正負棱錐底角差γ2-γ1變化情況，負軸棱錐2和正軸棱錐4結構如圖1(a)、圖1(b)所示?？紤]到加工誤差，計算中底角差取值區(qū)間為0.1°至1.0°，匹配液折射率取值區(qū)間為1至1.5。通過分析可以得出，最大無衍射距離隨匹配液折射率的增加而增大，隨底角差γ2-γ1的增大而減小。當軸棱錐間介質(zhì)折射率1.458≤n2<1.5，底角差0.1°<γ2-γ1≤0.37°時，最大無衍射距離可達100米以上。

實施例二：

如圖3和圖5所示，本實施例的組合式軸棱錐裝置結構設計成可滑動式結構，包括壓蓋1、負軸棱錐2、正軸棱錐4、位于負軸棱錐2和正軸棱錐4之間、且與負軸棱錐2和正軸棱錐4的形狀相匹配的光學介質(zhì)、鏡筒3、密封堵頭5、螺母6、墊片7以及滑筒8；

所述負軸棱錐2的凹錐面與正軸棱錐4的凸錐面相對；其中圖1(a)為本發(fā)明的負軸棱錐結構示意圖；圖1(b)為本發(fā)明的正軸棱錐結構示意圖；

所述滑筒8匹配嵌套在鏡筒3中；

所述負軸棱錐2固定在滑筒8與鏡筒3的嵌套端，正軸棱錐4固定在鏡筒3遠離所述嵌套端的另一端；

所述負軸棱錐2與滑筒8的接觸面、正軸棱錐4與鏡筒3的接觸面均設有墊片7；

所述鏡筒3中，即負軸棱錐2和正軸棱錐4之間填充光學介質(zhì)，且筒身上設有開口，并用與開口匹配的密封堵頭進行封堵。

所述負軸棱錐2通過壓蓋1和螺母6固定在滑筒8與鏡筒3的嵌套端，正軸棱錐4通過壓蓋1和螺母6固定在鏡筒3遠離所述嵌套端的另一端。

取負軸棱錐2的材料為n-bak2(折射率為1.53806)、正軸棱錐4的材料為n-bk7(折射率為1.51509)，則可以分析得到最大無衍射距離zmax與軸棱錐間介質(zhì)折射率n2及負棱錐底角γ1之間的關系。當折射率n2取樣范圍為1至1.45，取樣間隔為0.001，底角γ1取樣范圍為0.01°至2°，取樣間隔為0.01°。最大無衍射距離對角度加工偏差和折射率變化非常敏感；為實現(xiàn)較大的無衍射距離，當介質(zhì)折射率n2較大時，應減小正、負棱錐的底角γ2和γ1。當無法繼續(xù)減小正、負軸棱錐底角時，可以通過改變正、負軸棱錐之間的距離l來進行增大無衍射距離和調(diào)整輸出空心光束的大小。

下面對實施例一和實施例二進行效果的推導和模擬。

平面波經(jīng)過正(負)軸棱錐轉換為會聚(發(fā)散)的錐面波，錐面波相干疊加區(qū)域產(chǎn)生無衍射貝塞爾光。圖6(a)、圖6(b)分別為模擬得到的平面波經(jīng)負、正軸棱錐的光線追跡圖。在平行光入射情況下，最大無衍射距離由式(1)決定。

zmax≈rθ＝r[(n-1)γ](1)

式中r為光束半徑，θ為出射光線的會聚角或發(fā)散角，n為軸棱錐的折射率，γ為軸棱錐的底角。

如圖8(a)、圖8(b)分別為傳統(tǒng)的同種材料不同錐面底角的組合軸棱錐結構示意圖和同錐面底角不同材料的組合軸棱錐結構示意圖；其中，同種材料不同錐面底角組合軸棱錐的最大無衍射距離分別由式(2)決定，同錐面底角不同材料組合軸棱錐的最大無衍射距離由式(3)決定。

zmax≈r/[(n-1)(γ1-γ2)](2)

zmax≈r/[(n0-n'0)γ](3)

式中γ1、γ2分別為同種材料不同錐面底角的負、正軸棱錐的底角，且γ2＞γ1，γ為同錐面底角不同材料的正、負軸棱錐的底角，n0是正軸棱錐的折射率，n'0為負軸棱錐的折射率，且正、負棱錐的底角相同，即均為γ，且n0＞n'0；其中，正軸棱錐4的底角為凸錐面與底面的夾角，負軸棱錐2的底角為凹錐面與底面的夾角；

圖7是本發(fā)明設計的浸液式組合軸棱錐結構及光線追跡示意圖。圖中a1b1c1d1e1區(qū)域為負軸棱錐，折射率為n1，底角為γ1；a2b2c2d2e2區(qū)域為正軸棱錐，折射率為n3，底角為γ2；正負軸棱錐之間為折射率n2的介質(zhì)，該介質(zhì)可以是折射率匹配液、光膠或其它光學介質(zhì)，其中n2<n3≤n1；點虛線為入射光線軌跡。

建立圖7所示的直角坐標系，x軸與正、負軸棱錐的軸線重合，y軸與負棱錐的底面平行，坐標原點位于負棱錐底面的中心。假設負棱錐頂點至底面的距離為d1，正棱錐頂點至底面的距離為d2，正、負軸棱錐頂點間的間距b1b2為l。

將正軸棱錐頂點由b2點移動到b3點，，增加正負軸棱錐之間的距離l，從而，由圖2可以看出，出射光線與x軸的會聚交點也發(fā)生了后移，增大了無衍射長度。因此，當無法繼續(xù)減小正、負軸棱錐底角及匹配液折射率時，可以通過改變正、負軸棱錐之間的距離l來進行增大無衍射距離。

根據(jù)幾何光學原理易知，自(0,y0)點平行入射光線傳輸至正棱錐底面d2e2時，光線在底面d2e2處發(fā)射折射，為出射光線入射角，出射光線的會聚角θ為：

θ＝sin^-1[n3sin(φ2)](4)

當軸棱錐的底角γ1、γ2很小時，采用小角度近似，可得會聚角θ計算公式為

θ＝(n3-n2)γ2-(n1-n2)γ1(7)

θ＝(n3-n2)(γ2-γ1)+(n3-n1)γ1(8)

此時，最大無衍射距離zmax計算公式可表示為：

當n3＝n1時，最大無衍射距離計算公式可表示為：

其中，r為入射光束的半徑，n1為負軸棱錐折射率，n2為填充匹配液介質(zhì)折射率，n3為正軸棱錐折射率，γ1為負軸棱錐底角，γ2為正軸棱錐底角。

由上述公式可知：最大無衍射距離不僅與正、負軸棱錐的折射率有關外，還與中間的光學介質(zhì)折射率n2有關，改變n2即可改變該系統(tǒng)的最大無衍射距離。同時，最大無衍射距離與正、負軸棱錐頂點間的間距l(xiāng)相關，調(diào)整l可改變最大無衍射距離，在一定范圍內(nèi)隨著正、負軸棱錐頂點間的間距l(xiāng)的增大無衍射距離也將增大。

當然，本發(fā)明還可有其他多種實施例，在不背離本發(fā)明精神及其實質(zhì)的情況下，熟悉本領域的技術人員當可根據(jù)本發(fā)明作出各種相應的改變和變形，但這些相應的改變和變形都應屬于本發(fā)明所附的權利要求的保護范圍。