本發明涉及光學透鏡，具體是涉及一種直接產生環形空心聚焦光束的透鏡。

背景技術：

激光光束具有能量成高斯分布的特性，對激光光束空間整形可以得到環形空心激光光束。環形空心光束的中心光強為零，而且具有自旋角動量和軌道角動量，廣泛地應用在機械加工[1,2]、生物學[3]、醫學[4]和軍事[5]等領域中。聚焦的環形空心光束具有微米級的聚焦光斑和極高的功率密度，可以有效提高環形空心光束的性能，進一步擴大環形空心光束的應用范圍，例如可以用于光學粒子操控[6-8]和作為激光泵浦源[9,10]等領域。

目前，產生環形空心光束的方法有很多：如幾何光學法[11,12]，離軸光纖法[9,10,13]和位相片法[14]等。然而，目前這些方法還存在各自的缺陷：在幾何光學法中，需要用到價格高昂的錐透鏡對基模高斯光束進行整形；在離軸光纖法中，需要用到多個透鏡將光束耦合到光纖中，增加了調試難度，而且光轉換效率較低；在位相片法中，位相片相對透鏡的位置需要精確設置才能得到理想的環形空心光束。另一方面，目前產生聚焦的環形空心光束的方法局限于利用額外的透鏡對已經產生的環形空心光束進行聚焦[9-11,14]，使得聚焦系統復雜、操作困難、精度難以保證。基于此，這些方法都需要不止一個光學元件，且價格不菲，不但存在元件成本高的問題，而且存在系統安裝調試難度較大的缺陷，光轉換效率也較低，不利于環形空心聚焦光束的實際應用。

參考文獻：

[1]Meier M,Romano V and Feurer T 2007 Material processing with pulsed radially and azimuthally polarized laser radiation Appl.Phys.A-Mater.Sci.Process.86 329-34。

[2]Krishnan V and Bo T 2006 Interconnect microvia drilling with a radially polarized laser beam J.Micromech.Microeng.16 2603。

[3]Gahagan K T and Swartzlander G A 1996 Optical vortex trapping of particles Opt.Lett.21 827-9。

[4]Zuchner T,Failla A V and Meixner A J 2011 Light Microscopy with Doughnut Modes:A Concept to Detect,Characterize,and Manipulate Individual Nanoobjects Angew.Chem.-Int.Edit.50 5274-93。

[5]Zhan Q 2009 Cylindrical vector beams:from mathematical concepts to applications Adv.Opt.Photonics 1 1-57。

[6]Kawauchi H,Yonezawa K,Kozawa Y and Sato S 2007 Calculation of optical trapping forces on a dielectric sphere in the ray optics regime produced by a radially polarized laser beam Opt.Lett.32 1839-41。

[7]Novotny L,Beversluis M R,Youngworth K S and Brown T G 2001 Longitudinal Field Modes Probed by Single Molecules Phys.Rev.Lett.86 5251-4。

[8]Wang H,Shi L,Lukyanchuk B,Sheppard C and Chong C T 2008 Creation of a needle of longitudinally polarized light in vacuum using binary optics Nat.Photonics 2 501-5。

[9]Fang Z,Xia K,Yao Y and Li J 2015 Radially polarized and passively Q-switched Nd:YAG laser under annular-shaped pumping IEEE J.Sel.Top.Quantum Electron.21 337-42。

[10]Fang Z,Xia K,Yao Y and Li J 2014 Radially polarized LG01-mode Nd:YAG laser with annular pumping Appl.Phys.B-Lasers Opt.117 219-24。

[11]Wei M D,Lai Y S and Chang K C 2013 Generation of a radially polarized laser beam in a single microchip Nd:YVO4 laser Opt.Lett.38 2443-5。

[12]Zhang Y 2008 Generation of thin and hollow beams by the axicon with a large open angle Opt.Commun.281 508-14。

[13]Lin D and Clarkson W 2016 Reduced thermal lensing in an end-pumped Nd:YVO4 laser using a ring-shaped pump beam.In:CLEO:Science and Innovations:Optical Society of America)p SM3M.5。

[14]Naidoo D,Godin T,Fromager M,Cagniot E,Passilly N,Forbes A andK 2011 Transverse mode selection in a monolithic microchip laser Opt.Commun.284 5475-9。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種直接產生環形空心聚焦光束的透鏡。

本發明設有凸透鏡，凸透鏡設有光束輸入面和光束輸出面，在凸透鏡的光束輸出面的中心處設有凹腔，凹腔的深度遠小于凸透鏡中軸線位置的厚度，凹腔的孔徑遠小于凸透鏡的直徑，凹腔表面的曲率遠大于凸透鏡光束輸入面的曲率。

所述凸透鏡的剖切面為橢圓形，橢圓的長半軸R₁＝5mm，橢圓的短半軸R₂＝1.5mm。所述凸透鏡可采用常用的光學玻璃材料制成。

所述凹腔為半球形，球面半徑為R₃＝0.5mm，材料折射率為n＝1.68。

本發明提出一種可以直接產生環形空心聚焦光束的新型透鏡，對平行入射的高斯光束聚焦即可獲得環形空心聚焦光束，聚焦光斑可以達到微米級，擁有極高的功率密度和光轉換效率，而且減少了光學元件的數量，大幅度降低了環形空心聚焦光束的實際應用成本，有效地簡化了系統安裝和調試的難度，以適用于一般場合的廣闊應用。

與現有技術相比，本發明具有以下突出優點：

1、通過單一元件即可獲得環形空心聚焦光束，元件成本低、結構原理簡單、加工簡易、轉換效率高、光損傷閾值高；

2、聚焦的環形空心光斑可以達到微米級，擁有極高的功率密度；

3、可以通過設計凹腔的尺寸來調節環形聚焦光斑空心的大小；

4.可以通過設計凸透鏡的焦距來調節環形聚焦光束焦點的位置。

附圖說明

圖1為本發明實施例的凸透鏡剖切圖；

圖2為本發明實施例的凸透鏡光路圖；

圖3為輸入本發明實施例透鏡的高斯光束光斑和高斯光束經過本發明的透鏡后在焦點處得到的空心光斑。在圖3中，(a)為高斯光束光斑，(b)為高斯光束經過本發明的透鏡后在焦點處得到的空心光斑。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。

如圖1所示，本發明實施例設有凸透鏡1，凸透鏡1設有光束輸入面2和光束輸出面3，在凸透鏡1的光束輸出面3的中心處設有凹腔4，凹腔4的深度遠小于凸透鏡1中軸線位置的厚度，凹腔4的孔徑遠小于凸透鏡1的直徑，凹腔4表面的曲率遠大于凸透鏡光束輸入面2的曲率。

所述凸透鏡1的剖切面為橢圓形，橢圓的長半軸R₁＝5mm，橢圓的短半軸R₂＝1.5mm。所述凸透鏡1可采用常用的光學玻璃材料制成。

所述凹腔為半球形，球面半徑為R₃＝0.5mm，材料折射率為n＝1.68。

通過數值模擬波長λ＝808nm的基模高斯光束經過本發明的透鏡，在光束輸出面3后所得到的光強分布如圖2所示，箭頭表示光線傳播的方向，陰影部分表示光線經過的區域。如圖2所示，經由凹腔4表面輸出的少部分光束6向四周發散，同時經由光束輸出面3輸出的大部分光束7在透鏡焦點5處聚焦，即基模高斯光束經過本發明的新型透鏡后可以在透鏡焦點5處形成環形空心聚焦光束。如圖3所示，左側為輸入本發明透鏡的基模高斯光束光斑，右側為基模高斯光束經過本發明的透鏡后在焦點處得到的環形空心聚焦光斑。在實驗中完美地通過本發明透鏡使得入射的激光二極管高斯光束聚焦為環形空心光束。通過測量入射透鏡前的激光功率以及經過該透鏡出射后的激光功率，獲得的光轉換效率高達85.5％，遠高于離軸光纖法中的75％[9,10]。環形空心聚焦光斑的直徑為160μm，遠小于幾何光學法中的1.26mm的聚焦光斑直徑[11]，表明具有極強的聚焦能力。

以下給出本發明的工作原理：

一束光線由凸透鏡的入射面入射，光線進入透鏡內部，此時透鏡對光線起到聚焦的作用。可以將進入透鏡內部的光線分為兩部分：一部分是位于光線中心部位的經由凹腔表面出射的光線，稱為A；另一部分是除A光線以外絕大部分經由凸透鏡出射面出射的光線，稱為B。通過設計該凹腔曲面的曲率，使其對A光線的發散能力遠大于原本凸透鏡對A光線的聚焦能力。因此，A光線經由凹腔表面出射后向四周發散，而B光線由凸透鏡的出射面正常出射，在凸透鏡焦點處會聚。由于出射的A光線具有較大的發散角，使得A光線在凸透鏡焦點處的能量密度遠小于會聚的B光線的能量密度，所以在凸透鏡焦點處，A光線的能量可以忽略不計，即在凸透鏡焦點處，經由這種透鏡出射的光束的中心部位的光強可以忽略不計。那么在凸透鏡的焦點處，就可以獲得環形空心的聚焦光束。

綜上所述，本發明具有結構簡單、元件加工簡易、轉換效率高、光損傷閾值高，且無需繁瑣的安裝調試等優點。