Аксиконы

Дата публикации: 02.03.2020 07:00

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.

fig-1-ida
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.

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

Новые статьи

Характеристика свойств субхондральной кости человека с помощью спектроскопии в ближней инфракрасной области (БИК)

Дегенеративные заболевания суставов часто характеризуются изменениями свойств суставного хряща и субхондральной кости. Эти изменения часто связаны с толщиной субхондральной пластинки и морфологией трабекулярной кости. Таким образом, оценка целостности субхондральной кости может дать важные сведения для диагностики патологий суставов. В данном исследовании изучается потенциал оптической спектроскопии для характеристики свойств субхондральной кости человека. Образцы остеохондральной кости (n = 50 – количество образцов) были извлечены из коленного сустава трупа человека (n = 13) в четырех анатомических точках и подвергнуты БИК-спектроскопии(в ближней инфракрасной области). Затем образцы были исследованы с помощью микрокомпьютерной томографии для определения морфометрических характеристик субхондральной кости, включая: толщину пластинки (Sb.Th), толщину трабекул (Tb.Th), объемную долю (BV/TV) и индекс модели структуры (SMI). Связь между свойствами субхондральной кости и спектральными данными в 1-м (650 - 950 нм), 2-м (1100 - 1350 нм) и 3-м (1600-1870 нм) оптических окнах была исследована с помощью многомерного метода частичных наименьших квадратов (PLS) регрессии. Значимые корреляции (p < 0.0001) и относительно низкие ошибки прогнозирования были получены между спектральными данными в 1-м оптическом окне и Sb.Th (R²= 92.3%, ошибка = 7.1%), Tb.Th (R²= 88.4%, ошибка = 6.7%), BV/TV (R²= 83%, ошибка = 9.8%) и SMI (R²= 79.7%, ошибка = 10.8%). Таким образом, БИК-спектроскопия в 1-м тканевом оптическом окне способна характеризовать и оценивать свойства субхондральной кости и потенциально может быть адаптирована во время артроскопии.

Моделирование нервного волокна на основе оптического волновода

Миелинизированные аксоны являются многообещающими кандидатами для передачи нервных сигналов и света ввиду их волноводных структур. С другой стороны, с появлением таких заболеваний, как рассеянный склероз и нарушений формирования и передачи нервных сигналов из-за демиелинизации, понимание свойств миелинизированного аксона как волновода приобретает большую важность. Настоящее исследование направлено на то, чтобы показать, что профиль показателя преломления (ПП) миелинизированного аксона играет существенную роль в передаче лучей в нем.

Оптимизация обнаружения сверхслабых световых потоков

В ходе исследования, описанного в данной статье, были объединены статистическая модель, анализ шумов детектора и эксперименты по калибровке. Согласно результатам, видимый свет может быть обнаружен с помощью ПЗС камеры с электронным умножителем с соотношением сигнал/шум, равным 3, для потоков с количеством фотонов менее 30 фотонов с⁻¹ см⁻².

Диагностика импульсного плазменного потока

Импульсные плазменные потоки в плазменных ускорителях широко используются для решения ряда научных и практических задач. Особый интерес среди применений импульсных плазменных потоков представляют термоядерный синтез и астрофизические исследования, например, экспериментальное исследование взаимодействия импульсного плазменного потока с материалами.

Полные высокопроизводительные настольные системы сканирования HSI PUSH-BROOM

Применение гиперспектральной визуализации заметно расширилось за последние годы. Тем не менее, остается общая проблема, а именно: предоставление полного интегрированного решения для фиксации 2-D гиперспектральных изображений в компактном настольном формате, которое предоставляет подробную спектральную информацию для определения компонентов, количества и их распределения в плоскости сканирования.

Автофлуоресцентная микроскопия — идентификация бактериальных сигналов на образцах горных пород

Распространенным методом обнаружения микробов в жидких и нежидких образцах является окрашивание флуоресцентными красителями, при котором образцы окрашиваются флуорофором, возбуждаемым фотонами от источника света. Флуорофоры — это молекулы, которые проявляют флуоресценцию, и могут быть биомолекулами естественного происхождения (в этом случае флуоресценция называется автофлуоресценцией), флуоресцентными красителями (синтезированными молекулами) или минералами. Конкретные применения красителей включают обнаружение и перечисление бактерий, визуализацию экспрессии генов и обнаружение биомолекул, которые иначе невозможно было бы отследить.