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导语

在激光加工、眼科手术、自由空间通信等高精度光学系统中，哪怕是λ/100级别的波前畸变也可能导致成像失真或加工误差。传统波前传感器（厂丑补肠办?贬补谤迟尘补苍苍、笔测谤补尘颈诲、厂丑别补谤颈苍驳?滨苍迟别谤蹿别谤辞尘别迟别谤）要么成本高、体积大、要么只能捕获有限的空间频率。

如果只用一块圆锥形的 Axicon 透镜，就能实现低成本、单帧实时的全角度波前检测，你相信吗？本文将从光学原理、系统实现到性能评估，完整剖析这项结合 70 年光学元件与现代点衍射干涉（PDI）思想的创新技术。

图1：轴锥镜（锥形棱镜）因其特殊形状而具有特殊特性。

一、Axicon 的光学原理与 Bessel?like 光束

• 结构：Axicon 是一块截面为等腰三角形、绕其斜边旋转得到的圆锥形光学元件。其关键参数为 顶角 α（通常 5°–30°）和材料折射率 n。

• 光线偏折公式：入射光线在轴向距离 r&苍产蝉辫;处的偏折角 θ&苍产蝉辫;满足θ=(苍?1)α

无论入射光的半径r为何，只要光线垂直于平面侧进入，都以相同的θ斜向轴心聚焦，形成一条光轴线上的延伸焦点。

• 环形输出：当平面波或高斯束通过 Axicon 后，光强在横截面上呈环形，环宽 w&苍产蝉辫;与入射束径 D&苍产蝉辫;的比例约为 w ≈ D·\蝉颈苍θ，而环径 R(z)&苍产蝉辫;随传播距离 z&苍产蝉辫;线性增长搁(锄)=ztanθ

环宽w在整个传播过程保持不变，这正是近似非衍射 Bessel?beam的特性。

• Bessel?like 特性：环形光束中心出现 暗核，能在很长距离保持高强度梯度，适用于光学捕获、深度聚焦和材料加工。

图2：轴锥镜的独特特性在于其能够紧密重现贝塞尔光束，使得激光束沿着轴锥镜的光轴传播。

二、Axicon 为何能做波前传感？

1.强度分布对波前畸变的敏感性

• 低阶畸变（罢颈濒迟、焦距偏移、球差）会改变环的 中心位置、直径&苍产蝉辫;与 厚度。

• 通过 阈值检测（如环径&苍产蝉辫;Δ搁、厚度 Δ飞）即可在单帧图像上获得畸变量。

2.顶点散射实现自参考干涉

• Axicon 的顶点并非理想尖点，而是 微米级平坦区域（典型直径 2–5 µm），该区域相当于 点光源。

• 当光束聚焦于该顶点时，部分能量被散射形成 准球面波（参考波）。

• 主光束经 Axicon 产生环形 Bessel?like 结构，两者在成像平面叠加产生 点衍射干涉（笔顿滨）条纹。

3.与传统波前传感器的对比

叁、系统实现细节（硬件与算法）

1.光学布局

• 光源（连续波或脉冲激光） → 扩束镜 Beam Expander（调节入射束径 D）。

• 聚焦透镜（f ≈ 50 mm）将束焦到 Axicon 顶点。

• Axicon （α ≈ 10°, n ≈ 1.5）放置于焦点处。

• 成像透镜（f ≈ 200 mm）将干涉图像投射至 CCD/CMOS&苍产蝉辫;传感器。

关键参数：

• 环宽 w&苍产蝉辫;≈ 顿·蝉颈苍[(n?1)α闭

• 环径 R 依 z 可调，以匹配探测器视场。

2.点衍射参考波形成

• 顶点平坦区域的 有效口径 a&苍产蝉辫;决定参考波的 础颈谤测盘大小，满足 a ≤ 1.22 λ f/ D&苍产蝉辫;可保证参考波相对完整。

• 参考波的相位为 φ冲谤别蹿 = 2π r?/(λ f_ref)（近似球面），与主光束相干迭加。

3.图像处理流程

该流程可在30 ms内完成（CPU 实时），满足多数高速 AO 系统需求。

4.性能评估

• 灵敏度：在实验中，环径变化 ΔR = 0.1 µm&苍产蝉辫;对应 ≈ λ/200&苍产蝉辫;的波前误差可被可靠检测。

• 动态范围：环径与厚度的线性响应约 ±5 λ；超出该范围后进入 强度饱和&苍产蝉辫;区域，需要切换至 PDI 条纹解调。

• 噪声：参考波强度约占总功率的 1–3 %，对光子噪声影响可通过 帧累计&苍产蝉辫;降低至 < λ/500。

图3：轴锥镜波前传感器的示意图。聚焦在轴锥镜顶点上的光束，其衍射图样中圆环的尺寸、数量和形状的变化，可反映像差的情况。

四、典型应用场景

五、设计与实现的关键要点

1.顶角选取：α 越大，环径增长更快，适合近场；α 较小产生更宽的 Bessel?like 区域，适合远场。

2.材料折射率：高 n 可减小 θ，降低环径增长速率，提升对齐容差。

3.顶点加工精度：顶点平坦度 ≤ 0.5 µm，保证参考波相干性。

4.探测器动态范围：环强度与干涉条纹共存，建议使用 12?产颈迟或更高 的 CMOS，以避免饱和。

5.算法实时化：GPU 加速的 Fourier 解析与 Zernike 拟合可将整体延迟压至 < 10 ms。

结语

Axicon 波前传感器把传统圆锥光学元件与点衍射干涉融为一体，实现了低成本、体积紧凑、单帧实时的波前检测方案。它既能够用环形强度快速捕获低阶畸变，又能借助自参考干涉解析更高阶相位信息，无缺契合当下自适应光学各种新兴场景的需求。

如果你的项目正面临光束畸变、对准不稳或实时校正的难题，Axicon 波前传感值得一试。

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