【光學(xué)新突破】圓錐透鏡 Axicon：單幀波前傳感讓自適應(yīng)光學(xué)更快更準(zhǔn)

導(dǎo)語

在激光加工、眼科手術(shù)、自由空間通信等高精度光學(xué)系統(tǒng)中，哪怕是λ/100級(jí)別的波前畸變也可能導(dǎo)致成像失真或加工誤差。傳統(tǒng)波前傳感器（Shack?Hartmann、Pyramid、Shearing?Interferometer）要么成本高、體積大、要么只能捕獲有限的空間頻率。

如果只用一塊圓錐形的 Axicon 透鏡，就能實(shí)現(xiàn)低成本、單幀實(shí)時(shí)的全角度波前檢測，你相信嗎？本文將從光學(xué)原理、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)到性能評(píng)估，完整剖析這項(xiàng)結(jié)合 70 年光學(xué)元件與現(xiàn)代點(diǎn)衍射干涉（PDI）思想的創(chuàng)新技術(shù)。

圖1：軸錐鏡（錐形棱鏡）因其特殊形狀而具有特殊特性。

一、Axicon 的光學(xué)原理與 Bessel?like 光束

• 結(jié)構(gòu)：Axicon 是一塊截面為等腰三角形、繞其斜邊旋轉(zhuǎn)得到的圓錐形光學(xué)元件。其關(guān)鍵參數(shù)為 頂角 α（通常 5°–30°）和材料折射率 n。

• 光線偏折公式：入射光線在軸向距離 r 處的偏折角 θ 滿足θ=(n?1)α

無論入射光的半徑r為何，只要光線垂直于平面?zhèn)冗M(jìn)入，都以相同的θ斜向軸心聚焦，形成一條光軸線上的延伸焦點(diǎn)。

• 環(huán)形輸出：當(dāng)平面波或高斯束通過 Axicon 后，光強(qiáng)在橫截面上呈環(huán)形，環(huán)寬 w 與入射束徑 D 的比例約為 w ≈ D·\sinθ，而環(huán)徑 R(z) 隨傳播距離 z 線性增長R(z)=ztanθ

環(huán)寬w在整個(gè)傳播過程保持不變，這正是近似非衍射 Bessel?beam的特性。

• Bessel?like 特性：環(huán)形光束中心出現(xiàn) 暗核，能在很長距離保持高強(qiáng)度梯度，適用于光學(xué)捕獲、深度聚焦和材料加工。

圖2：軸錐鏡的獨(dú)特特性在于其能夠緊密重現(xiàn)貝塞爾光束，使得激光束沿著軸錐鏡的光軸傳播。

二、Axicon 為何能做波前傳感？

1.強(qiáng)度分布對(duì)波前畸變的敏感性

• 低階畸變（Tilt、焦距偏移、球差）會(huì)改變環(huán)的 中心位置、直徑 與 厚度。

• 通過 閾值檢測（如環(huán)徑 ΔR、厚度 Δw）即可在單幀圖像上獲得畸變量。

2.頂點(diǎn)散射實(shí)現(xiàn)自參考干涉

• Axicon 的頂點(diǎn)并非理想尖點(diǎn)，而是 微米級(jí)平坦區(qū)域（典型直徑 2–5 µm），該區(qū)域相當(dāng)于 點(diǎn)光源。

• 當(dāng)光束聚焦于該頂點(diǎn)時(shí)，部分能量被散射形成 準(zhǔn)球面波（參考波）。

• 主光束經(jīng) Axicon 產(chǎn)生環(huán)形 Bessel?like 結(jié)構(gòu)，兩者在成像平面疊加產(chǎn)生 點(diǎn)衍射干涉（PDI）條紋。

3.與傳統(tǒng)波前傳感器的對(duì)比

三、系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)細(xì)節(jié)（硬件與算法）

1.光學(xué)布局

• 光源（連續(xù)波或脈沖激光） → 擴(kuò)束鏡 Beam Expander（調(diào)節(jié)入射束徑 D）。

• 聚焦透鏡（f ≈ 50 mm）將束焦到 Axicon 頂點(diǎn)。

• Axicon （α ≈ 10°, n ≈ 1.5）放置于焦點(diǎn)處。

• 成像透鏡（f ≈ 200 mm）將干涉圖像投射至 CCD/CMOS 傳感器。

關(guān)鍵參數(shù)：

• 環(huán)寬 w ≈ D·sin[(n?1)α]

• 環(huán)徑 R 依 z 可調(diào)，以匹配探測器視場。

2.點(diǎn)衍射參考波形成

• 頂點(diǎn)平坦區(qū)域的 有效口徑 a 決定參考波的 Airy盤大小，滿足 a ≤ 1.22 λ f/ D 可保證參考波相對(duì)完整。

• 參考波的相位為 φ_ref = 2π r2/(λ f_ref)（近似球面），與主光束相干疊加。

3.圖像處理流程

該流程可在30 ms內(nèi)完成（CPU 實(shí)時(shí)），滿足多數(shù)高速 AO 系統(tǒng)需求。

4.性能評(píng)估

• 靈敏度：在實(shí)驗(yàn)中，環(huán)徑變化 ΔR = 0.1 µm 對(duì)應(yīng) ≈ λ/200 的波前誤差可被可靠檢測。

• 動(dòng)態(tài)范圍：環(huán)徑與厚度的線性響應(yīng)約 ±5 λ；超出該范圍后進(jìn)入 強(qiáng)度飽和 區(qū)域，需要切換至 PDI 條紋解調(diào)。

• 噪聲：參考波強(qiáng)度約占總功率的 1–3 %，對(duì)光子噪聲影響可通過 幀累計(jì) 降低至 < λ/500。

圖3：軸錐鏡波前傳感器的示意圖。聚焦在軸錐鏡頂點(diǎn)上的光束，其衍射圖樣中圓環(huán)的尺寸、數(shù)量和形狀的變化，可反映像差的情況。

四、典型應(yīng)用場景

五、設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵要點(diǎn)

1.頂角選取：α 越大，環(huán)徑增長更快，適合近場；α 較小產(chǎn)生更寬的 Bessel?like 區(qū)域，適合遠(yuǎn)場。

2.材料折射率：高 n 可減小 θ，降低環(huán)徑增長速率，提升對(duì)齊容差。

3.頂點(diǎn)加工精度：頂點(diǎn)平坦度 ≤ 0.5 µm，保證參考波相干性。

4.探測器動(dòng)態(tài)范圍：環(huán)強(qiáng)度與干涉條紋共存，建議使用 12?bit或更高 的 CMOS，以避免飽和。

5.算法實(shí)時(shí)化：GPU 加速的 Fourier 解析與 Zernike 擬合可將整體延遲壓至 < 10 ms。

結(jié)語

Axicon 波前傳感器把傳統(tǒng)圓錐光學(xué)元件與點(diǎn)衍射干涉融為一體，實(shí)現(xiàn)了低成本、體積緊湊、單幀實(shí)時(shí)的波前檢測方案。它既能夠用環(huán)形強(qiáng)度快速捕獲低階畸變，又能借助自參考干涉解析更高階相位信息，無缺契合當(dāng)下自適應(yīng)光學(xué)各種新興場景的需求。

如果你的項(xiàng)目正面臨光束畸變、對(duì)準(zhǔn)不穩(wěn)或?qū)崟r(shí)校正的難題，Axicon 波前傳感值得一試。

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