一种直接产生环形空心聚焦光束的透镜技术领域
本发明涉及光学透镜，具体是涉及一种直接产生环形空心聚焦光束的透镜。
背景技术
激光光束具有能量成高斯分布的特性，对激光光束空间整形可以得到环形空心激
光光束。环形空心光束的中心光强为零，而且具有自旋角动量和轨道角动量，广泛地应用在
机械加工[1,2]、生物学[3]、医学[4]和军事[5]等领域中。聚焦的环形空心光束具有微米级
的聚焦光斑和极高的功率密度，可以有效提高环形空心光束的性能，进一步扩大环形空心
光束的应用范围，例如可以用于光学粒子操控[6-8]和作为激光泵浦源[9,10]等领域。
目前，产生环形空心光束的方法有很多：如几何光学法[11,12]，离轴光纤法[9,
10,13]和位相片法[14]等。然而，目前这些方法还存在各自的缺陷：在几何光学法中，需要
用到价格高昂的锥透镜对基模高斯光束进行整形；在离轴光纤法中，需要用到多个透镜将
光束耦合到光纤中，增加了调试难度，而且光转换效率较低；在位相片法中，位相片相对透
镜的位置需要精确设置才能得到理想的环形空心光束。另一方面，目前产生聚焦的环形空
心光束的方法局限于利用额外的透镜对已经产生的环形空心光束进行聚焦[9-11,14]，使
得聚焦系统复杂、操作困难、精度难以保证。基于此，这些方法都需要不止一个光学元件，且
价格不菲，不但存在元件成本高的问题，而且存在系统安装调试难度较大的缺陷，光转换效
率也较低，不利于环形空心聚焦光束的实际应用。
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发明内容
本发明的目的在于提供一种直接产生环形空心聚焦光束的透镜。
本发明设有凸透镜，凸透镜设有光束输入面和光束输出面，在凸透镜的光束输出
面的中心处设有凹腔，凹腔的深度远小于凸透镜中轴线位置的厚度，凹腔的孔径远小于凸
透镜的直径，凹腔表面的曲率远大于凸透镜光束输入面的曲率。
所述凸透镜的剖切面为椭圆形，椭圆的长半轴R1＝5mm，椭圆的短半轴R2＝1.5mm。
所述凸透镜可采用常用的光学玻璃材料制成。
所述凹腔为半球形，球面半径为R3＝0.5mm，材料折射率为n＝1.68。
本发明提出一种可以直接产生环形空心聚焦光束的新型透镜，对平行入射的高斯
光束聚焦即可获得环形空心聚焦光束，聚焦光斑可以达到微米级，拥有极高的功率密度和
光转换效率，而且减少了光学元件的数量，大幅度降低了环形空心聚焦光束的实际应用成
本，有效地简化了系统安装和调试的难度，以适用于一般场合的广阔应用。
与现有技术相比，本发明具有以下突出优点：
1、通过单一元件即可获得环形空心聚焦光束，元件成本低、结构原理简单、加工简
易、转换效率高、光损伤阈值高；
2、聚焦的环形空心光斑可以达到微米级，拥有极高的功率密度；
3、可以通过设计凹腔的尺寸来调节环形聚焦光斑空心的大小；
4.可以通过设计凸透镜的焦距来调节环形聚焦光束焦点的位置。
附图说明
图1为本发明实施例的凸透镜剖切图；
图2为本发明实施例的凸透镜光路图；
图3为输入本发明实施例透镜的高斯光束光斑和高斯光束经过本发明的透镜后在
焦点处得到的空心光斑。在图3中，(a)为高斯光束光斑，(b)为高斯光束经过本发明的透镜
后在焦点处得到的空心光斑。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完
整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
如图1所示，本发明实施例设有凸透镜1，凸透镜1设有光束输入面2和光束输出面
3，在凸透镜1的光束输出面3的中心处设有凹腔4，凹腔4的深度远小于凸透镜1中轴线位置
的厚度，凹腔4的孔径远小于凸透镜1的直径，凹腔4表面的曲率远大于凸透镜光束输入面2
的曲率。
所述凸透镜1的剖切面为椭圆形，椭圆的长半轴R1＝5mm，椭圆的短半轴R2＝1.5mm。
所述凸透镜1可采用常用的光学玻璃材料制成。
所述凹腔为半球形，球面半径为R3＝0.5mm，材料折射率为n＝1.68。
通过数值模拟波长λ＝808nm的基模高斯光束经过本发明的透镜，在光束输出面3
后所得到的光强分布如图2所示，箭头表示光线传播的方向，阴影部分表示光线经过的区
域。如图2所示，经由凹腔4表面输出的少部分光束6向四周发散，同时经由光束输出面3输出
的大部分光束7在透镜焦点5处聚焦，即基模高斯光束经过本发明的新型透镜后可以在透镜
焦点5处形成环形空心聚焦光束。如图3所示，左侧为输入本发明透镜的基模高斯光束光斑，
右侧为基模高斯光束经过本发明的透镜后在焦点处得到的环形空心聚焦光斑。在实验中完
美地通过本发明透镜使得入射的激光二极管高斯光束聚焦为环形空心光束。通过测量入射
透镜前的激光功率以及经过该透镜出射后的激光功率，获得的光转换效率高达85.5％，远
高于离轴光纤法中的75％[9,10]。环形空心聚焦光斑的直径为160μm，远小于几何光学法中
的1.26mm的聚焦光斑直径[11]，表明具有极强的聚焦能力。
以下给出本发明的工作原理：
一束光线由凸透镜的入射面入射，光线进入透镜内部，此时透镜对光线起到聚焦
的作用。可以将进入透镜内部的光线分为两部分：一部分是位于光线中心部位的经由凹腔
表面出射的光线，称为A；另一部分是除A光线以外绝大部分经由凸透镜出射面出射的光线，
称为B。通过设计该凹腔曲面的曲率，使其对A光线的发散能力远大于原本凸透镜对A光线的
聚焦能力。因此，A光线经由凹腔表面出射后向四周发散，而B光线由凸透镜的出射面正常出
射，在凸透镜焦点处会聚。由于出射的A光线具有较大的发散角，使得A光线在凸透镜焦点处
的能量密度远小于会聚的B光线的能量密度，所以在凸透镜焦点处，A光线的能量可以忽略
不计，即在凸透镜焦点处，经由这种透镜出射的光束的中心部位的光强可以忽略不计。那么
在凸透镜的焦点处，就可以获得环形空心的聚焦光束。
综上所述，本发明具有结构简单、元件加工简易、转换效率高、光损伤阈值高，且无
需繁琐的安装调试等优点。