讓光束保持“恒定形狀”——圓錐透鏡在醫學、加工與科研中的神奇應用

導語

你是否在激光加工、顯微捕獲或眼科手術中，苦惱于光束隨距離衍射、聚焦點漂移？答案很可能就在一塊小小的圓錐透鏡！本文將從“它到底是什么"“為什么能產生近似 Bessel 光束"“典型應用場景"“如何選型與搭配"四個維度，幫你快速洞悉圓錐透鏡的價值，助力項目提效、降低成本。

一、 圓錐透鏡是什么？ 

• 圓錐形透鏡，由傾斜角 α 與頂角共同決定。

• 與普通聚焦透鏡不同，圓錐透鏡 不把光聚成點，而是利用相位干涉在光軸上形成一條焦線（即 Bessel Beam 區域），從而將光束在較大深度范圍內保持橫向分布不變。

• 該區域內光束呈 環形，厚度保持恒定，只隨距離改變直徑，實現“近似非衍射"特性。

圖1: 用錐透鏡聚光

二、Bessel Beam 的獨特優勢

這意味著在激光加工、顯微捕獲、光學測量等對光束形狀要求嚴苛的場景，圓錐透鏡能讓系統更穩、更精準。

三、典型應用場景

1.醫療——激光角膜手術

環形光束可平滑、均勻蒸發角膜組織，利用正負兩片圓錐透鏡調節環徑，滿足不同患者與手術需求。通過改變兩片之間的距離，即可實現從細小到較大直徑的靈活切割，提升手術效率并降低組織損傷。

2.光學捕獲（Optical Trapping）

Bessel 區域能夠在顯微載玻片平面長時間保持粒子停留，無需頻繁重新聚焦；環形光束還能分離捕獲對象，實現多目標的選擇性操作，特別適合細胞、生物大分子等微小樣品的非接觸操控。

3.高功率材料加工

反射型圓錐透鏡產生的高功率 Bessel Beam適合納米通道鉆孔、玻璃微加工等需求。由于光強分布均勻，鉆孔直徑保持一致、壁面光滑，顯著提升加工質量與產能。

4.測量、對準與科研

因為環厚不變、直徑可預測，圓錐透鏡成為光路對準、光學元件尺度校準的理想工具。無論在實驗室還是工業現場，都能快速驗證光學系統的對稱性與焦深。

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四、如何選型？

選型時，請重點關注：

• 傾斜角 α：α 越大，環徑隨距離增長越快；α 越小，DOF（深度焦區）越長。

• 材料折射率 n：高?n 材料可在同等α下獲得更短的 DOF，適合需要緊湊焦深的系統。

• 表面質量：光學加工精度直接決定環厚均勻性，建議選取 λ/10 以上的表面粗糙度。

搭配的常用光學元件

• 激光擴束鏡：將入射束半徑 R 調整到合適大小，R 越大，DOF 越長。

• 高精度鏡頭座：實現亞微米級的軸線對準，確保光束中心精準通過圓錐透鏡頂點。

• 可調支架：靈活改變圓錐透鏡與目標之間的距離 L，以精準控制環徑。

圖2: L = 228.6mm時，綠色激光通過錐透鏡的成像

圖3: L = 355.6mm時，綠色激光通過錐透鏡的成像

五、快速上手——打造你的首條 Bessel Beam

1.確定激光波長（如 532 nm 綠光）并選用匹配的光學鍍膜。

2.使用擴束鏡 將光束半徑調至所需 R（影響 DOF 長度）。

3.將圓錐透鏡安裝在光軸中心，使用微調鏡頭座進行精確對準。

4.調節圓錐透鏡與目標之間的距離 L，依據公式 dr ≈ 2 L tan[(n?1)α] 獲得所需環徑。

5.檢測環厚：理論上等于入射半徑 R，若出現偏差，可檢查對準或更換傾斜角更合適的圓錐透鏡。

完成以上步驟后，你便擁有一束非衍射的 Bessel Beam，可直接用于實驗驗證、材料加工或醫學演示。

結語 & 行動號召

圓錐透鏡通過其獨特的圓錐結構，為激光系統提供幾乎非衍射的 Bessel Beam，讓光束在醫學、加工、科研等領域實現更高的精度、更低的成本。如果你正在尋找可靠的光束整形元件，請聯系技術顧問獲取專屬選型建議。