轴棱镜

什么是 Axicon？它有什么作用？

轴棱锥是一种具有圆锥表面的光学元件，它将准直激光束转换成焦线和非衍射环形光束。

创建焦线：与将光线聚焦到单个点的普通镜头不同，轴棱镜会折射光线以创建焦线或沿光轴的一系列点。这是通过圆锥表面折射的光波的干涉来实现的。

将准直光束转换为环形光束：当光束投射到“远场”（焦深之外）的表面上时，轴棱镜会产生环形光束。该环的直径随着与透镜距离的增加而增大，而环的厚度保持不变。

规格

入射光：直径为2R的准直光束进入轴棱镜的平面。
折射：轴棱镜的锥面将光线以恒定角度向内折射。所有折射光线并非汇聚于一点，而是指向中心轴的一段。
线焦点 (DOF)：这些折射光线重叠的区域就是线焦点形成的地方。整个重叠区域被定义为焦深 (DOF) 。
输出轮廓：超过景深 (DOF) 后，折射光线不再与中心轴重叠，开始发散。这种发散导致光束失去贝塞尔轮廓，在观察平面上变成外径为dr 、环厚为t的环形光束。

2R：输入光束直径
α：轴棱锥的物理角度
DOF：焦深，贝塞尔光束形成的地方
L：轴棱锥到像平面的距离
t：输出环厚度（线宽）
dr：输出环直径

物理角度(α)

轴棱镜的物理角度是其圆锥面的底角，它决定了光线偏转的角度以及由此产生的光束的最终特性。
物理角度（α）：0.5°~40°（典型值：0.5°、1°、2°、5°、10°、20°、40°）

环直径

您可以使用以下公式计算轴棱锥的环直径：
Dr=2L x tan[(n−1)α]

关键变量

  • Dr 是环的直径。
  • L 是从轴棱锥到测量环的平面的距离。
  • n是轴棱锥透镜材料的折射率。
  • α 是轴棱锥锥面的物理角度（底角）。
物理角度（α）越大，相同传播距离（L）后形成的同心环的直径越大。

DOF（景深）

轴棱镜的焦深 (DOF)是沿光轴的特定距离，在该距离处透镜产生具有几乎恒定的光斑尺寸和高强度的非衍射“焦线”。

如何计算轴棱锥镜景深

对于折射角较小的平锥轴棱锥透镜，计算焦深的简化公式为：

自由度≈ R/(n−1)α

在哪里：
  • R是输入激光束的半径。
  • n是轴棱锥透镜材料的折射率。
  • α（alpha）是轴棱锥锥面的底角。
物理角（α）越大，贝塞尔光束的焦深（DOF）越短；物理角（α）越小，焦深越长。
（假设轴棱锥折射率n=1.51；输入光束半径r0=1mm）

轴棱锥的材料

轴棱锥透镜的折射率由其材料决定。轴棱锥透镜的折射率越大，贝塞尔光束的焦深（DOF）越短。

（假设轴棱锥物理角度α=2°；输入光束半径r0=1mm）

安装

自定心安装座

自定心支架使用弹簧钳口自动夹住轴棱镜的边缘，确保其光轴与支架的机械中心精确对齐。

常见设置

扩束镜+轴棱锥镜

这是一种非常常见且有效的设置。在轴棱锥镜前放置扩束镜的主要目的是增加输入光束的直径。这对轴棱锥镜的输出有两个主要影响：

  1. 增大焦深 (DOF)：轴棱镜的景深 (DOF) 与输入光束的半径成正比。通过使用扩束镜放大输入光束，可以显著增加轴棱镜产生的焦线长度。这对于需要较长且无衍射光束的应用至关重要，例如长距离激光准直或深切割应用。
  2. 环厚增加：对于远场形成的环形光束，其厚度与输入光束的直径成正比。因此，扩束器的输入光束越大，产生的环厚也越大，功率也越大，这对于激光钻孔和加工等任务非常有利。*简单折射轴棱镜产生的光束的环厚约等于输入激光束的半径。

平凸透镜+轴锥透镜

当准直激光束穿过该装置时，轴棱镜首先将光束转换为圆锥形。然后，平凸透镜（一种标准聚焦透镜）接收该圆锥形光束，并将其会聚到设定距离处的精确环形焦点（一个圆环）。这允许您在工件或目标上创建高强度的环形光斑，这对于某些应用而言非常有用。

Axicon + Axicon（相同规格）

该装置最关键和最有用的特性是能够通过调整两个轴棱镜之间的距离来调整输出环形光束的直径。
  • 当轴棱镜彼此靠近时：来自第一个轴棱镜的锥形光束会以较小的直径入射到第二个轴棱镜。这会导致输出准直环形光束的直径较小。
  • 随着轴棱镜之间的距离不断增大，锥形光束在到达第二个轴棱镜之前会进一步扩展。这会导致输出准直环形光束的直径更大。

使用 Axicon 的优势

贝塞尔光束为何在 3D 显微镜中表现出色

在 3D 显微镜中使用贝塞尔光束（来自轴棱镜）比高斯光束具有几个关键优势，可优化成像速度和样品健康。
  • 扩展景深：单次贝塞尔光束扫描可以一次对样品的大深度进行成像，与高斯光束所需的多次 z 扫描相比，大大提高了 3D 扫描速度。
  • “自我修复”特性：贝塞尔光束可以穿过生物组织等散射物体，而不会破坏其中心核心，从而可以对样本深处进行更清晰的成像。
  • 降低光毒性：贝塞尔光束的较低峰值强度（因为能量分布在核心和环上）最大限度地减少了对活细胞的损害并减少了荧光染料的光漂白。

使用贝塞尔光束进行激光切割

与高斯光束相比，使用贝塞尔光束进行切割的主要好处是能够切割得更深、质量更高，尤其是在透明材料中。
  • 扩展焦深：贝塞尔光束比高斯光束在更长的距离上保持其焦点和强度。这使得厚材料可以单次切割，而高斯光束则需要多次切割。这一特性对于“隐形切割”等激光内部改性材料的应用尤为重要。
  • “自愈”特性：贝塞尔光束可以穿过材料中的细小缺陷或碎屑，而不会破坏其中心核心。这有助于保持一致的切割质量，尤其是在切割深槽或凹槽时。

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