一种基于衍射透镜的色散补偿装置

摘要

本发明提供的基于衍射透镜的色散补偿装置，可以解决光束通过光栅或类似光栅的色散衍射器件在不同衍射级次或光栅常数时，光束色散不能同时补偿的问题；该装置是由光路依次连接的光学元件(5)、衍射透镜(2)、消色差胶合透镜组(3)和显微镜物镜(4)组成。本发明实用性强，可以同时实现调节光路和补偿色散的作用，还可以用于声光偏转器扫描色散的补偿。

说明书

技术领域

本发明涉及一种色散补偿转置。该色散补偿装置对光束不同衍射角的不同色散进行同时补偿。本发明属于光学领域。

背景技术

声光偏转器是根据声光偏转原理制成的器件。声光晶体的折射率受声光晶体内声波的调制沿声波传播方向形成高低周期性分布，类似于一个光栅，其空间周期(光栅常数)就等于声波的波长。声光偏转器可以应用于光束扫描，通过快速改变声波波长，能够快速改变其空间周期进而改变光束的衍射角。声波频率的改变通过电子电路和压电换能器实现，可以达到很高的速度，并且因为不存在机械惯性的作用能够很快地稳定于一个指定频率，因而衍射角变化的速度也非常快，同时以很高的速度扫描光束至指定的扫描位置，即具有高速随机寻访能力。

但是有一定光谱宽度的光束经过声光偏转器时，和光栅一样，声光偏转器是一种色散元件，光束通过声光偏转器后，不同波长的光在空间上分开引入空间角色散。利用棱镜或光栅等光学色散元件对角色散补偿是光学领域常用的手段，但是这种补偿方法只能对特定的某一衍射级次或固定的光栅常数进行补偿，在光栅常数或衍射级次变化的情况下，无法对角色散完全补偿。声光偏转器就是一个光栅常数变化的光栅，在进行光束扫描时，光栅常数不同，偏转角不同，同时引入不同的角色散。使用棱镜或光栅只能完全补偿特定偏转角的空间色散，其余偏转角有残余色散。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：针对现有技术的缺陷或改进提高，提供一种基于衍射透镜的色散补偿装置，以解决目前色散补偿装置只能补偿光栅特定衍射级或光栅常数的色散问题，采用由衍射透镜组和消色差胶合透镜组组成的共焦系统，同时补偿不同衍射角的角色散。

本发明解决其技术问题采用以下的技术方案：

本发明提供的基于衍射透镜的色散补偿装置，是由光路依次连接的光学元件、衍射透镜、消色差胶合透镜组和显微镜物镜组成。

所述的衍射透镜和消色差胶合透镜组，其组成共焦系统，该共焦系统同时实现调节光路和补偿色散的作用，对剩余色散完全补偿。

所述的衍射透镜和消色差胶合透镜组，分别是前透镜组、后透镜组，两透镜组的距离为其焦距之和，其中衍射透镜的焦距为中心波长的透镜焦距。

所述的前透镜组的焦距为f₁，后透镜组的焦距为f₂，则：

前透镜组的焦距与波长的关系为：

前后透镜组的焦距比为：

式中：f₀为对应于中心波长λ₀的透镜组焦距值，λ为光波长。

所述的衍射透镜组，为前透镜组，其由二元光学衍射面和普通平面构成。

所述的二元光学衍射面是一种在普通平面上制作出浮雕相位波带结构形成一个相位衍射面，用于构成某一固定焦距的衍射透镜，提供聚焦和引入色散。

所述的消色差胶合透镜组，为后透镜组，由两片或多片普通消色透镜构成，用于和衍射透镜构成共焦系统，并且提供一个固定焦距的透镜，使光束经过色散补偿后仍为平行光。

所述的消色差胶合透镜组，是双消色差胶合透镜，其有三个球形面，其中：第一球形面为凹面，用于发散光束,通过与第三球形面一起决定该胶合透镜的焦距大小；第二球形面为胶合面，凸面，用于胶合两个不同材料的透镜，同时决定着消除色差的大小；第三球形面为凸面，用于汇聚光束，确保该胶合透镜为一个正透镜。

本发明提供的上述的基于衍射透镜的色散补偿装置，其在引入色散的光学元器件中进行补偿，或者声光偏转器扫描色散中进行补偿的应用。

该基于衍射透镜的色散补偿装置应用时，可以对不同衍射角的不同色散同时进行补偿， 也可以在动态色散补偿光路中对不同衍射角进行补偿；补偿时，该装置将需要补偿的光学元件置于共焦系统前透镜的前焦平面处，使该光学元件的色散得到补偿。

本发明与现有技术相比具有以下主要特点：

1.采用一种由二元光学衍射透镜组和普通消色差透镜组组成的共焦系统，可以同时实现调节光路和补偿色散的作用。

2.可以用于声光偏转器扫描色散的补偿。在声光偏转器扫描光束时,使用棱镜补偿色散过后，不同的扫描出射角拥有不同的角色散,使用该共焦系统可以同时补偿不同扫描角的色散。当使用工作频率范围为40MHZ到100MHZ范围的声光偏转器扫描谱宽为6.7nm，中心波长为840nm的光束时，不同工作频率扫描光束产生不同的角色散，最大角色散为0.3mrad。经过该色散补偿转置后，角色散可以得到补偿。

附图说明

图1是二元光学衍射面的光路追迹示意图。

图2是本发明所属色散补偿装置原理图。

图3是衍射透镜组的结构示意图。

图4是图3的左视放大图。

图5是消色差胶合透镜组的结构示意图，图5中以双胶合透镜作为代表。

图中：1.二元光学衍射面，2.衍射透镜组，3.消色差胶合透镜组，4.显微镜物镜，5.光学元件，6.普通平面，7.第一球形面，8.第二球形面，9.第三球形面。

具体实施方式

本发明提供的基于衍射透镜的色散补偿装置，是利用二元光学衍射透镜的色散特性来设计的。可以解决光束通过光栅或类似光栅的色散衍射器件在不同衍射级次或光栅常数时，光束色散不能同时补偿的问题。该装置采用了由二元光学衍射透镜组和普通消色差透镜组组成的共焦系统，可以同时实现调节光路和补偿色散的作用。该装置还可以用于声光偏转器扫描色散的补偿。

下面结合实施例及附图对本发明做进一步说明，但并不局限于下面所述的内容。

本发明提供的基于衍射透镜的色散补偿装置，如图2所示，由光路依次连接的光栅或类似光栅的光学元件5、衍射透镜2、消色差胶合透镜组3和显微镜物镜4组成，其中：衍射透镜2和消色差胶合透镜组3组成共焦系统，该共焦系统可以同时实现调节光路和补偿色散的作用，对剩余色散完全补偿。

所述的衍射透镜组2，为前透镜组，如图3和图4所示，可以由二元光学衍射面1和普通平面6构成，其中：二元光学衍射面1是一种在普通平面上制作出浮雕相位波带结构形成一个相位衍射面，用于构成某一固定焦距的衍射透镜,提供聚焦和引入色散；普通平面6用于构成衍射透镜,使用普通平面可使该衍射透镜是一个纯相位衍射透镜而不是折衍透镜,使该衍射透镜的焦距完全由衍射面决定。

所述的消色差胶合透镜组3，为后透镜组，属于折射透镜，可以由两片或多片普通消色透镜构成，该后透镜组用于和衍射透镜构成共焦系统,提供一个固定焦距的透镜,使光束经过色散补偿后仍为平行光。所述普通消色透镜为保证在使用时不引入过多色差。

以双消色差胶合透镜作为例，说明消色差胶合透镜组3的结构，如图5所示，有三个球形面，其中：第一球形面7为凹面，可以用于发散光束,通过与第三球形面9一起决定该胶合透镜的焦距大小；第二球形面8为胶合面，凸面，可以用于胶合两个不同材料的透镜，同时决定着消除色差的大小；第三球形面9为凸面，用于汇聚光束，确保胶合透镜为一个正透镜。

上述两透镜组的距离为前透镜组和后透镜组的焦距之和，这里前透镜组焦距为中心波长的透镜焦距，其中：

前透镜组的焦距与波长的关系为：

前后透镜组的焦距比为：

式中：f₁为前透镜组的焦距，f₂为后透镜组的焦距，f₀为对应于中心波长λ₀的透镜组焦距值，λ为光波长。

所述的光学元件5是光栅或类似光栅的光学元件，其可以采用可改变光栅常数的动态光栅，用于引入不同角度的光束拥有不同的色散。

本发明采用的由衍射透镜组和消色差胶合透镜组组成的共焦系统，可以对光栅不同的光栅常数或衍射级次的衍射角的色散同时补偿。以零色散光束的主光线为光轴，不同光栅常数或衍射级次的衍射角以不同的入射角进入共焦系统，不同的入射角拥有不同的角色散。在共焦系统中，由于二元光学衍射透镜，共焦系统对光束造成色散的特性也是不同的入射角引入不同的角色散，正好与要补偿的色散分布特性相似，可以完全补偿剩余色散。

本发明提供的基于衍射透镜的色散补偿装置，其针对于类似光栅的光学元器件引入的色散进行补偿，可以同时补偿不同衍射角的不同色散。其中，声光偏转器用于扫描时，通过改变光栅常数来改变衍射角，该色散补偿装置可以完全补偿声光偏转器的色散。

本发明提供的基于衍射透镜的色散补偿装置，用于动态色散补偿光路中对不同衍射角进行补偿，如图2所示，将需要补偿的色散元件置于共焦系统前透镜的前焦平面处，色散元件的色散可以得到补偿。其工作原理及过程如下：

一束有一定宽带的光束通过一个二元光学衍射面，如图1。λ₀为中心波长,m为衍射级,为二元光学面的相位参数，光程差为ΔF。两种不同波长λ₁和λ₂光的光程差为：

从上式可以知道,通过控制二元光学衍射面的相位参数可以补偿由材料及其他原因引入的色散,而补偿能力则取决于相位参数的大小，在此所讨论的范围内,可以利用光线追迹的办法对二元光学器件进行色差补偿设计,从而进行色散补偿设计。

在旋转对称二元光学衍射面的相位函数表示形式为：

上式r为径向坐标，A_λ和G_λ为二次相位系数和四次相位系数。

衍射透镜的焦距与入射光的波长有关，不同波长光有不同的衍射透镜焦距：

$f\left(\lambda \right)=\frac{f_0{\lambda }_0}{\lambda }$

式中f₀为对应于中心波长λ₀的透镜焦距值。

当一束平行光经过共焦系统后，其角度大小的比值为前后两个透镜的焦距比。

$\frac{{\theta }_2}{{\theta }_1}=\frac{f_1}{f_2}=\frac{f_0{\lambda }_0}{{\mathrm{\lambda f}}_2}$

式中θ₁和θ₂为光束入射与出射共焦系统的角度大小。由上式可知光束经过共焦系统后，出射角的大小与波长有关，引入了色散，色散大小为：

${\mathrm{\Delta \theta }}_2=\frac{f_0{\lambda }_0}{{\mathrm{\Delta \lambda f}}_2}{\theta }_1$

光束经过基于衍射透镜的色散补偿装置后，光束出射角度θ₂的改变由以下公式计算出：

${\theta }_2=\frac{f_1}{f_2}·{\theta }_1$

式中：θ₁和θ₂为光束入射与出射共焦系统的角度大小。f₁与f₂为共焦系统第一组透镜与第二组透镜的焦距。

所述衍射透镜组2的色散与入射光的波长有关，不同波长光有不同的衍射透镜焦距，衍射透镜为共焦系统的前透镜，透镜焦距为：

$f_1=f\left(\lambda \right)=\frac{f_0{\lambda }_0}{\lambda }$

式中：f₀为对应于中心波长λ₀的透镜焦距值。光束经过衍射透镜和消色差透镜组组成的共焦系统的角度大小改变为：

${\theta }_2=\frac{f_1}{f_2}·{\theta }_1=\frac{f\left(\lambda \right)}{f_2}·{\theta }_1=\frac{f_0{\lambda }_0}{{\mathrm{\lambda f}}_2}·{\theta }_1$

出射角的大小与波长有关，引入了色散，色散大小为：

${\mathrm{\Delta \theta }}_2=\frac{f_0{\lambda }_0}{{\mathrm{\Delta \lambda f}}_2}{\theta }_1$

共焦系统对光束造成色散的特性是不同的入射角引入不同的角色散。

光栅衍射角很小时，光束进入光栅的入射角为0时，衍射角可表示为：

$\theta =\frac{m\lambda }{d}$

式中：m为衍射级次，d为光栅常数。

光栅的衍射角大小等于光束进入共焦系统的入射角：

$\theta =\frac{m\lambda }{d}={\theta }_1$

光束经过光栅和共焦系统后的出射角为：

${\theta }_2==\frac{f_0{\lambda }_{0}m}{f_{2}d}$

由以上论述，光束经过光栅后产生色散，经过共焦系统后，光束的出射角度与波长无关即色散被补偿，同时在多个衍射级次或光栅常数时，色散也可以同时被补偿。除了完成色散补偿，共焦系统也相当于一个中继光路，可以调节光路，将光路成像于需要的地方以及对光束进行扩束。

波长谱宽为7nm，中心波长为840nm的光束，经过光栅后产生角色散，光栅常数为10um到50um之间的任意常数，光束产生的角色散经过图2的光路后，色散都可以得到很好的补偿。当图2中的衍射透镜2的前透镜组焦距为225mm，消色差胶合透镜组3的焦距为180mm时，显微镜物镜4为40倍物镜(NA＝0.8)，焦距为4.5mm。未经色散补偿的光斑半径为2u，经过该色散补偿装置补偿色散后光斑半径小于0.7um。