LBTEK 平板柱透镜——技术说明

一、概述

LBTEK平板柱透镜是一种基于入射光的偏振态实现对光束单一方向会聚或发散的衍射光学元件，出射光的偏振态旋向与入射光的偏振态旋向相反，通过控制入射光的偏振态，能够调控会聚光斑和发散光斑的能量分布。平板柱透镜为平片结构的衍射器件，其衍射角sinθ=λ/p，θ为衍射角，λ为设计波长，p为沿径向的周期，周期结构连续变化使得平板柱透镜具有无球差特性，经过有效孔径的所有光线在x轴不同周期位置处发生衍射使得同一x轴线上的光线正好能会聚到相同位置，最终聚焦光斑形成一条与x轴垂直的竖线，长度与原光斑y方向尺寸一致。

与传统柱透镜相比，平板柱透镜可通过调控入射光的偏振态来实现会聚透镜和发散透镜的转换，且无物理凹凸，更易于集成，因此有更大的应用前景。

二、产品结构

LBTEK平板柱透镜基于N-BK7玻璃基底和液晶聚合物材料制成，呈现为典型的“上下玻璃衬底+中间LCP功能层”的三明治结构，裸片无机械外壳。光学元件上标识如下——

图1 平板柱透镜产品结构示意图

• 光学元件一侧带有1.5 mm切边，切边与结构栅线平行，与光束会聚发散方向垂直；
• 在光学元件侧边标注有箭头，箭头指向为规定的光入射方向，标注位置随机；
• 按照规定的入射方向经过平板柱透镜，若入射光为左旋圆偏光，则出射光为先会聚后发散的右旋圆偏光；若入射光为右旋圆偏振光，则出射光为发散的左旋圆偏光。

三、偏振特性

平板柱透镜是一种基于入射光的偏振态实现光束单一方向会聚或发散的衍射光学元件，通过控制入射光的偏振态能够调控出射光束会聚光斑和发散光斑的能量分布，且出射光的偏振态旋向与入射光偏振态旋向相反。按照规定的入射方向入射：

• 当入射光为非偏振光或线偏振光时，平板柱透镜同时有+1级和-1级衍射光；+1级衍射光为会聚的右旋圆偏振光，-1级衍射光为发散的左旋圆偏振光。
• 当入射光为左旋圆偏振光时，则只有+1级衍射光，衍射光为右旋圆偏振光，光斑先会聚后发散。
• 当入射光为右旋圆偏振光时，则只有-1级衍射光，衍射光为左旋圆偏振光，光斑发散。
• 当入射光为椭圆偏振光时，则同时存在+1级和-1级衍射光，并且两级衍射光束光强比值与入射光椭偏度相关

图2.1 按照规定方向左旋圆偏光入射且切边竖直，出射右旋圆偏光，x方向上光斑先会聚后发散

图2.2 x方向上光束会聚

图2.3 y方向上光束不变

图3.1 按照规定方向右旋圆偏振光入射且切边竖直，出射为左旋圆偏振光，x方向上光斑发散

图3.2 x方向上光束发散

图3.3 y方向上光束不变

四、参数说明

1. 衍射效率\( \eta \)

• 平板柱透镜作为衍射器件，除了大部分能量集中的±1级光斑，还存在零级等其他衍射级次光斑，因此定义平板柱透镜的衍射效率为：

\( \eta=\frac{I_1+I_{-1}}{\sum I_{all}} \times 100 \% \)

• 衍射效率测量方法：

图4 平板柱透镜衍射效率测量示意图

当激光器的出射光为准直线偏光时，正入射条件下，旋转1/4波片，使1/4波片的快轴方向与入射光的偏振方向成45°（以入射光偏振方向为基准），得到右旋圆偏振光，此时透过平板柱透镜之后只有发散的左旋圆偏振光。当在较远处观察时，发散光光强会发散的很弱， 而零级仍为准直的偏振光。这时测①处的光强记为I0，测②处的光强记为I1，则衍射效率：

\( \eta>\frac{I_0-I_1}{I_0} \times 100\% \)

2. 透镜发散角\( \theta \) 及焦距\( F \)

图5 平板柱透镜发散角及焦距示意图

• 发散角\( \theta \) ：平板柱透镜作为衍射光学元件，其主要是通过衍射原理来实现光的会聚或发散，对于准直平行光入射条件下，平板透镜衍射角近似等于出射光的发散角。平板透镜的衍射角\( \theta \) 受入射光波长\( \lambda \) 和平板透镜通光孔径边缘周期\( p \) 的共同影响，满足\( \sin\theta=\frac{\lambda}{p} \) 。
• 焦距\( F \) ：平板透镜焦距主要是利用通光孔径、发散角和焦距之间的三角函数关系来计算，满足\( F=\frac{D}{2\times\tan\theta} \) 。

3. 透射光偏转

• 透射光偏转这一参数主要用来表征光学元件平行度，透射光偏转角度越接近0 °，平行度越好；
• 对于未安装机械外壳的光学元件来说，影响平行度的主要因素为保护玻璃的贴合，透射光偏转角度一般控制在1 arcmin以内。

4. 损伤阈值

基于LCP材料的短波强吸收特性，平板柱透镜的工作波长越大，其损伤阈值会有所增加。LBTEK 平板柱透镜的损伤阈值参考值为：

• 2 J/cm^2@532 nm，10ns，10Hz；
• 10 J/cm^2@1064 nm，10ns，10Hz。

LBTEK 平板柱透镜——应用案例

平板柱透镜具有无球差的平板结构，且只对单一方向上的光束起作用，因此一般用于成像、单方向光束准直、光束整形等方面。典型的应用场景是用双柱透镜组准直和圆化激光二极管输出光束，从而得到准直的圆形输出光斑。如上图，PBCL1焦距为f1，对Y方向上光斑进行准直，且Y方向上光斑发散角为θ₁，PBCL2焦距为f2，对X方向上光斑进行准直，且X方向上光斑发散角为θ₂，则当满足\( f_1\times\theta_1=f_2\times\theta_2 \) 时，即可得到准直的圆形光斑。

图1 椭圆LD光斑准直圆化示意图

LBTEK 平板柱透镜——定制能力

*注：边缘最小周期指平板柱透镜通光孔径最边缘的相位变化周期，其与工作波长共同决定了平板柱透镜在该工作波长下的最大发散角和最短焦距。

若您需要的参数不在上表覆盖范围内，欢迎联系LBTEK技术支持详询！