● 摘要
圆锥透镜是目前常用的一种非球面透镜。当平面波入射圆锥透镜时，出射光束为近似无衍射光束，光束的焦深有限，在焦深范围内，无衍射光中心斑尺寸和横截面上光强基本保持不变，但近似无衍射光束的焦深较小。当使用发散球面波代替平面波入射圆锥透镜时，由于出射光束的中心光斑直径和横截面上光强沿光轴有明显的变化，不能称为近似无衍射光束，但是将圆锥透镜的出射光束与相同条件下普通激光光束相比较可以发现，传输距离相同时，出射光束的中心光斑直径远远小于普通激光光束的光斑直径，但大于近似无衍射光束的中心光斑直径。所以，使用球面波光束入射圆锥透镜可以在保证中心光斑直径较小的同时大幅度扩展出射光束的焦深。这为未来将圆锥透镜用于长距离、大范围测量和准直以及通讯领域奠定了基础。 本文研究了圆锥透镜环形聚焦特性的三个相关问题，完成了如下工作： 一．将圆锥透镜对于不同曲率半径球面波的衍射模式分为球面波通过锥镜后光束完全会聚和部分会聚两种情况。在这两种情况下，按一定规律分别改变球面波的曲率半径进行仿真和实验研究，发现光束在部分会聚时，在理论上焦深可以达到无穷远，且出射光束中心光斑直径远远小于普通激光光束的光斑直径。 二．球面波光束入射时很可能与圆锥透镜的光轴发生偏移或倾斜，此时衍射光场将发生变化。通过衍射理论和稳相法分析，着重研究了圆锥透镜对偏轴和倾斜球面波光束的衍射模式，其径向衍射光场的分布特性以及激光光源、圆锥透镜和光束传输的各项参数对于衍射图样的影响，并进行了计算机仿真和实验。 三．在使用圆锥透镜的出射光束和中心光斑进行测量的过程中，存在着很多难以避免的因素会造成测量误差，这些因素也构成了圆锥透镜系统测量不确定度的主要来源。本论文逐一分析了球面波光束入射到圆锥透镜时，各主要因素对于测量结果的影响。