一种在太赫兹波段产生无衍射光束的球谐锥透镜制造技术

本发明专利技术公开了一种在太赫兹波段产生无衍射光束的球谐锥透镜，所述球谐锥透镜为两斜边上均具有凸起的轴棱锥透镜；所述凸起的两端点与斜边的两端点重合，所述凸起的形状基于概率密度函数确定，所述概率密度函数为球谐函数的平方。本发明专利技术提供的在太赫兹波段产生无衍射光束的球谐锥透镜，通过在轴棱锥透镜两斜边外延增加一定特殊形状的凸起，与现有的固定倾斜角的轴棱锥透镜相比，能够增加太赫兹高斯波束经过此特殊透镜时产生的波束的无衍射距离，获得更长的无衍射区域长度；从而在太赫兹成像时，在波束的无衍射距离内都可以获得物体较为清晰的像，使太赫兹成像系统具有更长的焦深，纵向测量范围大，横向分辨率高。横向分辨率高。横向分辨率高。

【技术实现步骤摘要】
一种在太赫兹波段产生无衍射光束的球谐锥透镜


[0001]本专利技术属于光学领域，更具体地，涉及一种在太赫兹波段产生无衍射光束的球谐锥透镜。

技术介绍

[0002]太赫兹(Terahertz,THz)波是指频率位于0.1～10THz，波长在30um～3mm之间的电磁波，在某些地方特指频率为0.3～3THz的电磁波，太赫兹波在电磁波谱中位于红外波和微波之间。自然界拥有大量的太赫兹辐射，例如绝大多数物体的热辐射就是太赫兹波。由于超快光电子技术和半导体技术的发展，太赫兹波段被提供了合适的太赫兹发射和探测技术。太赫兹波段的长波方向是从传统电磁学领域发展起来的，短波方向是从光学领域发展起来的。在电磁学领域，太赫兹辐射又称为毫米波和亚毫米波，发展主要依靠电子学技术；在光谱学领域，它被称为远红外射线，发展主要依靠光子学技术。
[0003]太赫兹成像在安全检查、无损检测和医疗诊断等领域有广泛的应用前景。太赫兹成像技术是利用THz射线照射被测物，通过物品的透射或反射获得样品的信息，进而成像。根据太赫兹波的产生和探测方式，太赫兹成像可以被分为太赫兹脉冲成像和连续太赫兹波成像。传统的太赫兹脉冲成像技术，时域波形的记录主要依靠延迟线的机械移动，系统结构复杂，搭建困难，发射源功率低，成像耗时过长，并且飞秒激光器造价昂贵，系统成像的成本过高。传统的太赫兹成像技术中，运用高斯波束入射到样品上，聚焦高斯成像系统只能对在焦点附近的物体进行清晰的成像，基于高斯波束的太赫兹成像系统难以兼具较长的景深和较高的横向分辨率。因此近年来，太赫兹无衍射光束的发展为这个问题提供了有效的解决方案。
[0004]光在真空中沿着某一固定方向传播时，遇到障碍物时光会产生绕射现象，这种现象称之为衍射。它对传统的光波场都有较大的影响，一般准直的单光束在自由空间中传播瑞利距离后，光束就开始产生明显的衍射扩散。无衍射光束是现代物理光学的一项重要发现，它具有优良的传播特性，光束传播距离较远，并且强度及尺寸与高斯光束大不相同，可实现大的测量范围以及高分辨率。无衍射光束可以应用于光通信，激光机械加工，精密加工等众多领域。无衍射波束可以在波束的无衍射距离内都可以获得物体较为清晰的像，从而提升二维成像的焦深。
[0005]贝塞尔光束是一种典型的无衍射光束，它具有无衍射，中心光斑小，传播过程中保持光强分布不变且光强高度集中。产生贝塞尔光束的方法有环缝法、轴棱锥法和计算机全息法。在太赫兹波段，轴棱锥透镜由于结构简单、转换效率高等优点被广泛使用。贝塞尔光的无衍射距离与轴棱锥的底角成反比，轴棱锥底角越小，光束的无衍射距离越长。但是底角越小的轴棱锥对加工技术要求越高，成本也越高，并且轴棱锥的角度过小时，在加工过程中很容易产生误差。因而一般不会选择较小角度的轴棱锥。当轴棱锥角度一定时，它的无衍射距离也是有限的，但在一些应用过程中需要更长的无衍射距离。

技术实现思路

[0006]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种在太赫兹波段产生无衍射光束的球谐锥透镜，由此解决现有的轴棱锥透镜产生的无衍射长度有限的技术问题。
[0007]为实现上述目的，按照本专利技术的第一方面，提供了一种在太赫兹波段产生无衍射光束的球谐锥透镜，所述球谐锥透镜为两斜边上均具有凸起的轴棱锥透镜；
[0008]所述凸起的两端点与斜边的两端点重合，所述凸起的形状基于概率密度函数确定，所述概率密度函数为球谐函数的平方。
[0009]优选地，在直角坐标系下，所述概率密度函数的表达式为：
[0010][0011]其中，l为角量子数，m为磁量子数，
[0012]优选地，在极坐标系下，所述概率密度函数的表达式为：
[0013][0014]其中，θ为高度角，为方位角，l为角量子数，m为磁量子数，P
lm
为勒让德函数，
[0015]优选地，l＝m。
[0016]优选地，1≤m≤20。
[0017]优选地，所述球谐锥透镜的底面厚度为2mm。
[0018]优选地，所述球谐锥透镜由3D打印制成。
[0019]按照本专利技术的第二方面，提供了一种太赫兹成像系统，包括如第一方面所述的在太赫兹波段产生无衍射光束的球谐锥透镜。
[0020]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
[0021]1、本专利技术提供的在太赫兹波段产生无衍射光束的球谐锥透镜，通过在轴棱锥透镜两斜边外延增加一定特殊形状的凸起，与现有的固定倾斜角的轴棱锥透镜相比，能够增加太赫兹高斯波束经过此特殊透镜时产生的波束的无衍射距离，获得更长的无衍射区域长度；从而在太赫兹成像时，在波束的无衍射距离内都可以获得物体较为清晰的像，使太赫兹成像系统具有更长的焦深，纵向测量范围大，横向分辨率高，在一些应用场合具有独特的优势。
[0022]2、本专利技术提供的在太赫兹波段产生无衍射光束的球谐锥透镜，当角量子数与磁量子数均为9、10或11时，太赫兹高斯波束经过此特殊透镜时产生的波束的无衍射距离为固定角度的轴棱锥的3倍，获得相较固定倾斜角的轴棱锥大约3倍的无衍射区域长度，能够达到最佳的太赫兹成像效果。
[0023]3、本专利技术提供的在太赫兹波段产生无衍射光束的球谐锥透镜，采用3D打印技术制成，使用了先进的增材制造技术，生产速度快、制作成本低，产品结构精准。
附图说明
[0024]图1为本专利技术提供的在太赫兹波段产生无衍射光束的球谐锥透镜结构示意图；
[0025]图2为本专利技术提供的在太赫兹波段产生无衍射光束的球谐锥透镜三维示意图；
[0026]图3为本专利技术提供的在太赫兹波段产生无衍射光束的球谐锥透镜后产生的无衍射光束在xoz面的强度分布图；
[0027]图4为本专利技术提供的在太赫兹波段产生无衍射光束的球谐锥透镜后产生的无衍射光束在z方向传播的中心光强曲线。
具体实施方式
[0028]为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0029]本专利技术实施例提供一种在太赫兹波段产生无衍射光束的球谐锥透镜，如图1所示，所述球谐锥透镜为两斜边上均具有凸起的轴棱锥透镜；
[0030]所述凸起的两端点与斜边的两端点重合，所述凸起的形状基于概率密度函数确定，所述概率密度函数为球谐函数的平方。
[0031]具体地，所述轴棱锥透镜和凸起均由折射率相同的LY1101材料制成。
[0032]在极坐标系下，所述概率密度函数的表达式为：
[0033][0034]其中，θ为高度角，为方位角，l为角量子数，m为磁量子数，P
lm
为勒让德函数，
[0035]优选地，所述概率密度函数的表达式为：
[0036][0037]其中，l为角量子数，m为磁量子本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种在太赫兹波段产生无衍射光束的球谐锥透镜，其特征在于，所述球谐锥透镜为两斜边上均具有凸起的轴棱锥透镜；所述凸起的两端点与斜边的两端点重合，所述凸起的形状基于概率密度函数确定，所述概率密度函数为球谐函数的平方。2.如权利要求1所述的在太赫兹波段产生无衍射光束的球谐锥透镜，其特征在于，在直角坐标系下，所述概率密度函数的表达式为：其中，l为角量子数，m为磁量子数，3.如权利要求1所述的在太赫兹波段产生无衍射光束的球谐锥透镜，其特征在于，在极坐标系下，所述概率密度函数的表达式为：其中，θ为高度角，为方位角，l为角量子数，m为磁量子数，为勒让德函数，4.如权...

【专利技术属性】
技术研发人员：涂思语，杨超，刘德峰，刘伟，王可嘉，刘劲松，杨振刚，
申请(专利权)人：中国航空工业集团公司北京长城航空测控技术研究所，
类型：发明
国别省市：