平板锥透镜简要介绍及典型应用案例

　　平板锥透镜（PB Axicon，PBA）基于N-BK7玻璃基底和液晶聚合物（Liquid Crystal Polymers，LCP）材料制成，呈现为“前后玻璃衬底，中间LCP功能膜层”的三明治结构。

　　在LCP层中，液晶分子的快轴取向沿基片径向呈等周期渐变分布，其在整个器件平面上具有相同的 λ/2延迟量，为单波长器件。平板锥透镜具有偏振相关的光学特性，根据入射光束偏振态的不同，可用于实现光束环形会聚或发散；当入射光为左旋圆偏振光时，还可同时用于生成具有无衍射特性、自恢复特性的贝塞尔光束。

　　相较于传统的锥透镜，平板锥透镜为平板结构，无立体锥尖，更易集成；同时其锥尖部分的结构成型依赖于液晶分子的取向变化，可以达到微米级的加工精度；另外还具备大色散的特点。

　　平板锥透镜基于N-BK7玻璃基底和液晶聚合物双折射材料，通过光控取向工艺制成，呈现为“前后玻璃衬底+中间LCP功能膜层”的三明治结构。

　　在元件的侧面，标有入射方向箭头，当入射光依照标识方向经过平板锥透镜时：若入射光为左旋圆偏振光，则出射光为先会聚后发散的右旋圆偏振环形光束；若入射光为右旋圆偏振光，则出射光为发散的左旋圆偏振环形光束。

　　其中，r为元件平面空间坐标，p表示锥形相位的周期，用于控制产生的环形光束尺寸。相位调制作用通过几何相位调制的形式施加，液晶分子快轴的方位角为相位的一半，即：

　　在满足产品规定入射方向的前提下，当入射光束为左旋圆偏振光时，经平板锥透镜调制后偏振态转换为右旋圆偏振，并携带聚焦锥形相位，经聚焦形成一段无衍射区域。在该区域内生成的光束具有贝塞尔光束特性，继续传输将形成环形光束。

　　贝塞尔光束强度分布，x-y平面 焦平面附近（左），x-y平面 远场（中）x，-z平面 长焦深（仿真）（右）

　　平板锥透镜的偏转角θ，即准直光束入射后得到的出射光束会聚或发散角的半角，用于衡量锥透镜对光束的会聚及发散能力大小，是锥透镜的关键参数之一。其受到LCP功能膜层中相位周期参数p及工作波长λ的影响，具体遵循衍射公式：

　　在满足产品规定入射方向的前提下，当左旋圆偏振光经过平板锥透镜后，光束沿径向发生偏转并聚焦形成一段无衍射区域，该区域中将产生具有贝塞尔光束特性的光束。该光束的最大无衍射距离Zmax与入射光直径D及平板锥透镜偏转角θ相关，可表示为：

　　在无衍射距离Zmax内，光束的能量在长距离上聚焦在一个小而细长的区域中，因此可以获得比高斯光束更高的能量集中度以及更长的焦深。

　　光束经过平板锥透镜后在远场产生环形光斑，其内径主要受到传播距离WD、无衍射距离Zmax、平板锥透镜偏转角θ的影响，具体为（以左旋圆偏振光入射为例）：

　　对于传统折射型锥透镜，我们常关注的参数为其顶角α和腰角β，假设传统折射型锥透镜材料的折射率为n，则其偏转角θ（即对于传统锥透镜常提到的锥角）满足：

　　由此可知，偏转角θ=2.3 °的平板锥透镜，对应着α=170 °，β=5 °的传统折射型锥透镜；偏转角θ=4.7 °的平板锥透镜，对应着α=160 °，β=10 °的传统折射型锥透镜。

　　较低的零级占比有利于提升光路能量利用率，减小杂散光对后置光路的影响。在制作工艺流程中，能够通过严格控制延迟量精度及均匀性，确保延迟量尽可能接近工作波长下的λ/2来间接控制。

　　实际测试时，常通过起偏器及λ/4波片得到圆偏振光作为入射光，在平板锥透镜焦平面附近的A处测量得到总出射光束功率I，在远场零级与环形光斑明显分离的B处测得零级光斑功率I0。

　　基于LCP材料的短波强吸收特性，平板锥透镜的工作波长越大，其损伤阈值会有所增加。经实测，平板锥透镜的损伤阈值参考值（线功率密度）为：

　　贝塞尔光束是一种无衍射光束，通常由锥透镜产生，具有焦深长、聚焦光斑小的特点，可实现较长的切割深度，因此常用于玻璃、陶瓷和蓝宝石等透明脆性材料的加工。常见的一种贝塞尔激光加工头光路配置是：锥透镜作为贝塞尔光束转换器，配合双远心光学系统的整形作用，构成适用于激光加工设备终端光束调制的模块，产生可直接用于激光切割的特定焦深的贝塞尔光束。

　　经由平板锥透镜出射的光束在远场呈现为环形强度分布，该强度分布类似于涡旋光束的“中心孔型”强度分布，都能够利用其大梯度的能量分布特征进行微小粒子的光学捕获：亮光环部分可以用作排斥墙，操控微粒的位置保持在光环内部的较暗区域中。除了对能量梯度分布的要求外，粒子能否被捕获还会受到微粒的形状、大小、吸收系数及激光的波长、束腰半径、功率等因素的影响，同时要满足周围介质的折射率比待捕获微粒的折射率小的条件，以使光场能够对微粒施加一个推向焦点的梯度力。