刘国彦，文大化

(1.长春理工大学 光电工程学院，长春 130022；2.中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033)

圆环光束(Annular beam)，是一种在传播方向上中心光强为零的环状光束。近年来，有关圆环光束的产生和应用已经成为一个重要的课题，在激光加工、微观粒子的准确、非接触控制等领域有着广泛的应用。目前为止，已获得多种产生圆环光束的方法，如横模选择法、几何光学法、光学全息法、计算机全息法、模式转换法等。本文采用几何光学法实现圆环激光束，利用光学设计软件构建光路，通过分析几种不同的设计方案，比较优缺点，提出一种实现圆环光束的新方法。

1 设计思路

几何光学法产生圆环光束的关键光学元件为轴棱锥，轴棱锥为回转体形状，一侧是平面，另一面是圆锥面，可以将它设计成折射式或者反射式。

图1为经过准直后的激光光束通过轴棱锥的几何光线示意图。半径为r的平行光束通过轴棱锥以相同角度偏离光轴，所有折射光线与z轴相交，焦线长度z'为：式中 是通过轴棱锥后光线与 z轴的夹角，为锥角。

图1 轴棱锥产生圆环光束原理图Fig.1 Principle diagrams of the generation ofannular beam by using Axicon

当<时，得到一实心光束，半径为：

当>时，得到一个圆环光束。

圆环内径为：

圆环宽度为：

对于正轴棱锥，其透过率函数为：

轴棱锥的成像特点是：不同带高的光线具有不同的像点位置，所以它能将轴上点光源发出的光线连续地会聚到沿轴线不同位置的点上，而不像透镜那样只会聚到一点。平行光束通过正轴棱锥透镜后以等角 偏离光轴。根……