Принцип работы и применения аксиконов. Обзор Edmund Optics
Аксикон – это коническая призма, определяемая ее углами альфа (α) и углами при вершине. В отличие от собирающей линзы (например, плосковыпуклой (PCX), двояковыпуклой (DCX) или асферической линзы), которая предназначена для фокусировки света в одной точке на оптической оси, аксикон использует интерференцию для создания фокальной линии на оптической оси. В пределах области перекрытия лучей (называемой глубиной резкости, DOF) аксикон может воспроизводить свойства луча Бесселя, луча, состоящего из колец, равных друг другу по мощности. Область пучка Бесселя можно рассматривать как интерференцию конических волн, образованных аксиконом.
Схема аксикона, показывающая область пучка Бесселя в глубине резкости и кольцевой пучок, который распространяется после области перекрытия
Характеристики пучка Бесселя в аксиконе
В отличие от гауссова пучка, который ухудшается с увеличением расстояния, пучок Бесселя не дифрагирует, сохраняя неизменное поперечное распределение при распространении. Хотя настоящий бесселев пучок требует бесконечного количества энергии для создания, аксикон создает максимально близкий к нему пучок с почти недифрагирующими свойствами в пределах глубины резкости (DOF). Глубина резкости является функцией радиуса луча, входящего в аксикон (R), показателя преломления аксикона (n) и угла альфа (α):
.
Упрощенное уравнение предполагает, что угол преломления мал и становится менее точным при уменьшении α.
За пределами глубины резкости аксикона образуется световое кольцо. Толщина кольца (t) эквивалентна R и остается постоянной:
.
Упрощенное уравнение предполагает малые углы преломления. Диаметр кольца пропорционален расстоянию. Увеличение длины от выходного отверстия объектива до изображения (L) увеличивает диаметр кольца (dr), а уменьшение расстояния уменьшит его. Как математически иллюстрирует уравнение, диаметр кольца приблизительно равняется удвоенному расстоянию, тангенсу произведения показателя преломления (n) и угла альфа (α).
.
Рисунки представляют собой реальные изображения фокусировки лазера зеленого цвета аксиконом. Цифры иллюстрируют способность аксикона поддерживать постоянную толщину кольца и пропорциональные диаметр с расстоянием. На рисунке аксикон расположен на L = 228,6 мм, а на втором рисунке – на L = 355,6 мм. Изображения были созданы с использованием лазера с диаметром пучка 4 мм, белых мишеней 127 x 127 мм и аксикона с углом альфа 20°. Для обоих рисунков толщина кольца осталась 2 мм, а диаметр увеличился с примерно 73,66 мм при L = 228,6 мм между аксиконом и изображением до примерно 114,3 мм при L = 355,6 мм.
Зеленый лазерный свет от аксикона на L = 228,6 мм
Зеленый лазерный свет от аксикона на L = 355,6 мм
Применение аксиконов
Уникальные свойства лучей Бесселя позволяют применять аксикон в различных областях. Аксиконы могут способствовать усовершенствованию медицинских приложений, таких как лазерная хирургия роговицы, в которой кольцевой луч обеспечивает повышенную способность сглаживания и испарения ткани роговицы. Используя отрицательный и положительный аксикон, диаметр кольца можно регулировать в соответствии с потребностями пациента и хирурга, изменяя расстояние между двумя аксиконами.
Аксиконы также полезны при оптическом улавливании, использовании лазера для создания сил притяжения и отталкивания для манипулирования микрочастицами и клетками. Область пучка Бесселя внутри глубины резкости может улавливать частицы на плоских поверхностях, таких как предметное стекло микроскопа, без фокального дрейфа. Кольцо, созданное сразу за пределами глубины резкости, также можно использовать для изоляции захваченных объектов.
Мощные бесселевские лучи, например, образованные отражающими аксиконами, идеально подходят для лазерной обработки материалов, таких как сверление наноканалов в стекле.
Распределение интенсивности пучка Бесселя, сформированного с помощью отражающего аксикона (вверху) и наноканала, просверленного в стекле с помощью пучка Бесселя (внизу)
Что такое аксикон? Обзор Edmund Optics. Видео на русском
Использование оптических компонентов с аксиконом
Чтобы воспроизвести луч Бесселя, аксикон и лазер должны быть выровнены так, чтобы лазерный луч двигался вдоль оптической оси аксикона. Для достижения необходимого выравнивания и точности могут использоваться различные оптические компоненты, включая лазеры, расширители луча, крепления для оптических линз, а также стойки и держатели для стоек. Например, расширители луча коллимируют падающий лазерный свет и уменьшают его расходимость, чтобы аксикон мог точно создать кольцевой луч, а оптические линзы надежно удерживают аксикон на месте и могут обеспечивать дополнительные степени свободы для микронных или субмикронных блоков.
Фокусируя источник света по линии вдоль его оптической оси, аксикон создает приближение к пучку Бесселя. Хотя диаметр кольца увеличивается и уменьшается пропорционально расстоянию между аксиконом и изображением, толщина кольца остается той же. Аксиконы идеально подходят для измерений и юстировки, исследований и медицинских приложений, требующих кольцевого лазерного излучения.
Плоско-выпуклые (PCX) аксиконы Бесселя:
- Высокоточные аксиконы;
- Допуск угла при вершине 0,05°;
- Преобразование гауссовых пучков в пучок Бесселя.
Плоско-выпуклые (PCX) кольцевые аксиконы:
- Более низкая стоимость, чем аксиконы класса Бесселя;
- Создает кольцевую балку;
- Доступны несколько углов при вершине.
