[发明专利]一种产生空心光束的内外圆锥透镜的加工方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种产生空心光束的圆锥透镜的加工方法，属于光学技术领域。

背景技术

空心光束是指在光束的传播方向上中心光强较低或为零的环状光束，空心光束具有小暗斑尺寸、具有自旋和轨道角动量、传输不变性等特性，使之在现代物理、生物医学、光通信、光传感、光钳、光学漏斗、光学扳手等领域有着非常广泛的应用。例如，利用空心光束的特性，可以对包括为纳米粒子、分子、原子、自由电子在内的微观粒子进行精确无接触控制，实现对微小介质粒子的光学囚禁与四维操控以及冷原子的激光导引，并且对所囚禁的粒子没有折射率的限制。可利用空心光束对生物细胞进行操作，由于空心光束中心光强较低或为零，所以由光吸收而造成的粒子热损伤的可能性大大减小。随着物理、生物、通讯等方面的发展，激光空心光束的应用越来越广。

产生空心光束的方式主要有圆锥透镜、空心光纤、相位振幅全息和相位板等几种方法。从形成的空心光束的质量以及实施方式的难易程度来看，利用圆锥透镜的方法来产生空心光束最为简便易行且效果较好，特别是利用两个光轴重合、锥面与锥底所形成的夹角相等的内外圆锥透镜的组合，可以获得质量较好的准直空心光束(内外圆锥透镜组合产生空心光束的原理图见附图1所示)。但是利用内外圆锥透镜产生空心光束，对圆锥透镜的加工精度有着较高的要求。而目前还没有可靠的内外圆锥透镜的加工方法能达到这一要求，这是内外圆锥透镜组合产生空心光束发展和应用的瓶颈。因此，虽然国内外都有使用圆锥镜产生空心光束的设计报道，但始终因为加工的难度没有相关成型的报道。传统的透镜加工是主轴转动，镜盘摆动或偏心加工，圆锥透镜不能采用这些加工方法，因为圆锥是轴对称的，不能允许有偏心或镜盘摆动。有书上记载有使用车床加工外圆锥透镜的(田守信：高精度光学零件的加工)，车床加工存在抛光和精磨的吻合性难度大以及中心和边缘转动速度相差大的问题，目前还没有利用车床加工完成内外圆锥透镜精密加工的报道。在圆锥透镜的加工过程中，透镜轴心的位置往往是加工的盲点，因为主轴转动的速度越靠近中心线速度越低，最中心位置的线速度接近零，即在加工过程中圆锥透镜最中心的锥顶位置的线速度为零，往往加工不到，特别是内圆锥透镜中心的锥顶位置更难加工到，该部位在加工过程中往往容易形成一个球面，而很难按要求形成一个非球面的夹角。由于圆锥透镜加工过程中所存在的困难，目前采用内外圆锥透镜产生空心光束的技术尚处于研制的初期阶段，而目前国内加工圆锥镜厂家则几乎没有。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中存在的上述不足，提供一种能产生准直空心光束的内外圆锥透镜的加工方法。

本发明实现上述发明目的的技术方案包括内外圆锥透镜粗磨成型、精磨面形、抛光、检验等步骤，粗磨成型时需保证锥面与锥底的角度、内外圆锥透镜的偏心，以保证圆锥透镜的成像质量，精磨面形时包括内外圆锥透镜精磨抛光平面、外圆锥透镜精磨锥面面形、外圆锥透镜检验、内圆锥透镜精磨锥面面形、内圆锥透镜检验、对研修改面形、内外锥精磨检验、抛光、最终检验等几个步骤。本发明产生空心光束的内外圆锥透镜的具体加工方法如下：

1)、内外圆锥透镜粗磨成型：

将制作内外圆锥透镜的玻璃材料分别切割、下料，并滚圆成两端面平整、端面与侧壁垂直度良好的圆柱形玻璃毛坯，在滚圆过程中控制圆柱形玻璃毛坯的两端面与侧壁的垂直度以及两端面之间的平行度，端面与侧壁的垂直度保证在90°±3’，两端面的平行度误差控制在0.02mm以内；

用钻头在制作内圆锥透镜的圆柱形玻璃毛坯的一端面的中部打孔(即在圆锥的轴心所在位置打孔)，所打孔的深度比成品内圆锥透镜的锥高深2～3mm；

将打孔后的圆柱形玻璃毛坯在倒边机的圆锥形模具上粗磨成型，粗磨成型的过程中控制透镜锥面的偏心，并用角度尺检验锥面与锥底的夹角，粗磨成型的内圆锥透镜锥面的偏心应小于0.1mm，锥面与锥底的夹角比成品小0.45°～0.55°，锥顶处有一直径2～2.5mm的槽，槽的深度2～3mm；

将制作外圆锥透镜的圆柱形玻璃毛坯在倒边机的伞形磨具上粗磨成型，粗磨成型过程中控制透镜锥面的偏心并用角度尺检验锥面与锥底的角度，粗磨成型的外圆锥透镜锥面的偏心应小于0.1mm，锥面与锥底的夹角比成品大0.45°～0.55°；

粗磨成型的外圆锥透镜的锥面外圆直径比内圆锥透镜的实际内锥的外圆直径小0.8～1.2mm，以便内外圆锥透镜对研时，内圆锥透镜对外圆锥透镜具有限位作用，以避免内外圆锥透镜对研时，由于主轴转动使得外锥容易跑出内锥面，即摆动太大会造成面形和角度的改变；