Аксиконы

Общее описание

Аксиконы – осесимметричные оптические линзы, одна поверхность которых плоская, а вторая – коническая. Главные параметры аксикона (рис. 1) – угол раствора конуса и угол α между образующей поверхностью и основанием. В отличие от собирающих линз (плосковыпуклых, двояковыпуклых и асферических), предназначенных для фокусировки пучка, исходящего от точечного источника в одну точку, лежащую на главной оптической оси, при прохождении пучка через аксикон на экране наблюдается тонкое кольцо, формирование которого происходит за счет интерференции. При использовании аксиконов также происходит формирование Бесселевых пучков с протяженной глубиной фокусировки. Такие пучки оказываются достаточно полезным при регулировке уровней, выравнивании протяженных объектов, а также при захвате частиц (оптические ловушки). Бесселевы пучки образуются в области перекрытия пучков.

Рисунок 1. Схема преломления падающего параллельного пучка в аксиконе и формирование изображения на экране

Свойства Бесселевых пучков

Бесселевы световые пучки представляют большой интерес, демонстрируя ряд уникальных свойств. В отличие от Гауссовых пучков, для которых характерно быстрое затухание амплитуды по мере удаления от оси пучка, в идеальных Бесселевых пучках поперечное распределение остается неизменным благодаря отсутствию дифракции. Соответственно, в идеальном приближении количество энергии, переносимое Бесселевым пучком, стремится к бесконечности. Глубина фокусировки аксиконов позволяет достигать наибольшего соответствия этому приближению, расчет которой производится по следующей формуле:

          (1)
 

где R – радиус падающего пучка, n – показатель преломления материала линзы, α – угол между образующей поверхностью и основанием конуса.

Глубина фокусировки определяет диаметр кольца, формируемого на экране. Толщина кольца t остается постоянной и легко считается по формуле (2) – можно заметить, что толщина эквивалентна радиусу падающего пучка.

           (2)
 

Диаметр кольца прямо пропорционален расстоянию от плоской поверхности линзы до источника: увеличение (уменьшение) расстояния L приведет к увеличению (уменьшению) диаметра кольца на экране. Уравнение (3) математически иллюстрирует соотношение между диаметром изображения на экране и удвоенным расстоянием от конической поверхности до изображения, умноженным на тангенс выражения, содержащего показатель преломления n и угол α:

         (3)

На рисунках 2 и 3 представлены реальные изображения Бесселевых пучков, формируемых аксиконом на экране. Исходные данные: источником света (параллельного пучка) является зеленый лазер. Диаметр падающего пучка в обоих опытах 4 мм, баланс белого 127 х 127 мм. Угол аксикона α=20°. Опыт показывает, что толщина кольца на экране остается постоянной (2 мм), а диаметр растет по мере удаления экрана от аксикона: на рис. 2 аксикон расположен на расстоянии L= 228.6 мм и диаметр кольца на экране составляет 73.66 мм, на рис.3 – L=355.6 мм и диаметр равен 114.3 мм.

Рисунок 2. Вид изображения на экране при расстоянии от лазера до аксикона 228.6 мм

Рисунок 3. Вид изображения на экране при расстоянии от лазера до аксикона 355.6 мм

Приложения аксиконов

Как упоминалось выше, необычные свойства и преимущества аксиконов перед обычными собирающими линзами нашли применение в различных областях. При проведении офтальмологических операций, к примеру, оказывается особенно полезным и удобным изображение падающего пучка в виде кольца. Обработка роговицы таким способом происходит очень плавно и точно. Диаметр кольца настраивается в соответствии с требованиями к процедуре – обычно в лазерных станках для хирургических операций установлено два аксикона, расстояние между которыми регулируется.

Еще одно применение аксиконов – оптические ловушки частиц для изучения поведения и характера их движения путем воздействия силами отталкивания и притяжения. Захват частиц происходит в области формирования Бесселевых пучков на плоской поверхности, примечательно, что захват происходит без дрейфа. Также кольцо кривой фокусировки может использоваться для удержания частиц внутри ловушки.

Оптические элементы в схемах с аксиконами

Юстировка оптических схем, содержащих аксиконы, направлена главным образом на выравнивание положения лазерного источника по оптической оси аксикона. При юстировке используются различные оптические компоненты и приборы – вспомогательные лазеры, расширители пучка, держатели оптики и оправы объективов. Так, например, на выходе расширителя пучка излучение сохраняет параллельность, что облегчает последующую установку аксикона, при этом увеличивается площадь засветки. Оправы для объективов служат для прецизионного выравнивания – поворот на доли градуса или смещение на субмикронное расстояние.

Заключение

Основное предназначение аксиконов – формирование Бесселевых пучков (в реальности Бесселевы пучки – лишь модель, с помощью аксиконов достигается наибольшее приближение). Описанный опыт подтверждает суждение о прямой пропорциональности расстояния от источника до аксикона к диаметру кольца, формируемого на экране. При этом расстояние не влияет на ширину кольца, которая определяется диаметром падающего пучка.

Уникальные свойства аксиконов нашли широкое применение в научных исследованиях, медицине, метрологической экспертизе.

© Edmund Optics Inc.

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Edmund Optics на территории РФ