[科普中国]-双焦透镜

简介

双焦透镜即有两个焦点的透镜。最初为本杰明·富兰克林所发明。当时他所戴的眼镜只有一个焦点，看近处和远处不停的切换，就会造成眼睛的疲劳。后来他将镜片一分为二，上下两片焦距不同的透镜合起来，组成新镜片。上半片适合看远处，下半片适合看近处。由于透镜的成像原理，即使是半片镜片依然能呈现完整的像，且两个像之间互不干扰。以前，无论近视眼镜还是老花眼镜，都称单焦镜，只有一个焦点。后来发展到双焦透镜，同一个镜片上分为上、下两个部分。看远的时候用镜片的上部分，看近时向下看，正好是咱们的阅读距离，自然就用了下半部分。假如有400度近视，上面的部分400度，看远处清楚。下面的部分减掉150-200度的近视度数，也就剩下200度的近视。大量的实验证明减这个度数孩子能够接受。为了预防近视，正视眼的人也可以使用，上半部分是0度，也就是没有近视度数，用在看远处。下半部分，有150度~200度的远视度数，用来看书写字用。目前一些保护视力，预防近视的眼镜主要就是双焦透镜。

双焦透镜对Bessel光束传输的影响空心光束(dark hollow beam, DHB)指的是一种在传播方向上中心光强为零的环状光束，也称为“暗中空光束”由于DHB具有一系列新颖独特的物理性质，其作为激光导管、光镊和光学扳手，己成为实现微观粒子(如微米粒子、纳米粒子、生物细胞、原子和分子等)精确操纵和控制的有力工具，在生命科学和纳米技术中发挥着重要的作用。自20世纪90年代以来，人们提出了各种不同的DHB模型，如局域空心光束(bottlebeam)、面包圈光束、椭圆空心光束、矩形空心光束等，组成了一个DHB家族。为了在实验上实现这些空心光束，多种产生DHB光束的技术和方法相继被提出，比如几何光学方法、模式转换方法和光学全息技术等。基于轴棱锥或者透镜聚焦无衍射Bessel光束的方法简单高效、成本低，国内外有许多相关的报道。然而在DHB应用中，光学系统不可避免地受光路失准直、光学元件的加工制造误差和热变形等影响。由此而引起的象散对DHB的应用具有现实指导意义。近年来，许多学者在此方面做了详细的研究。Cai等对DHB在失准直光学系统、象散光学系统和大气中的传输方面做了大量的研究;Zhao等和Ez-Zariy等分别研究了由于光路失准直情况下的透镜聚焦无衍射Bessel-Gauss光束对产生DHB的影响。在实际应用中，由于光学元件的加工误差、挤压或者热变形，导致透镜发生形变，使其在x方向和，方向的聚焦不等，因此谢晓霞等建立了一个双焦透镜模型来研究透镜聚焦Bessel光束所产生的DHB的影响。双焦透镜是一种重要的光学元件，在高阶涡旋光束的均匀性研究中经常用到。谢晓霞研究了一般情况下非轴对称象散光学元件双焦透镜对无衍射Bessel光束的聚焦特性，通过广义惠更斯一菲涅耳衍射理论衍射积分导出了广义光强分布表达式，这一表达式包括了普通透镜、双焦透镜和柱透镜的所有情况。数值模拟了聚焦光束光强分布，并分析双焦透镜在x-y，平面上的焦距之差对产生的bottle beam特性的影响。1

非球面双焦距徽透镜制造方法研究光刻胶热熔法是一种制作周期短、效率高、成本低的常用方法。一般光刻胶热熔法主要用来制作球形微透镜，即通过设计制作圆形图案的掩膜，曝光显影后得到圆柱状的结构，再进行热熔，利用光刻胶融化后自身表面张力形成球冠状微透镜。

而由于平凸型双焦距微透镜厚度一定，透镜弧矢和子午两个方向的面型轮廓不一样，所以两个方向的底径也不一样，这样双焦距微透镜的底面轮廓应该是椭圆形。因此为了利用光刻胶热熔法制作双焦距微透镜，可以设计如图(a)所示的椭圆形图案掩膜，曝光显影后就得到了如图(b)所示的椭圆柱状结构，经过热熔即得到图 (c)所示椭圆形微透镜，显然该透镜长轴和短轴面型轮廓是不一样的，这样就利用热熔法得到了双焦距微透镜。

液滴双焦距微透镜的制作目前对于表面微结构的制作，常见的方法一般都是利用硅进行刻蚀，利用体硅刻蚀技术制作各种微纳结构也是研究热点。

刻蚀最简单分类是:干法刻蚀和湿法刻蚀。感应祸合等离子体(InductivelyCoupled Plasma. ICP)刻蚀是一种干法刻蚀，原理是通过电感祸合等离子体辉光放电分解反应气体，对样品表面进行物理轰击以及化学反应生成挥发性气体，达到刻蚀的目的。ICP刻蚀技术由于其具有精度高、刻蚀快、均匀性和刻蚀垂直度好、污染少和刻蚀表面平整光滑等优点，常用于刻蚀高深宽比结构，在微结构加工中被广泛应用。

沟槽型的微结构基底可以得到双焦距微透镜，但在制作沟槽型基底前，首先要制作一些阵列柱状的微结构进行一些规律的探索与验证。由热力学分析可知影响接触角的微结构特征参数主要就是柱宽、柱间距和柱高，所以制作这几个参数不同的微结构基底进行接触角实验。2