背景介绍
在光学成像、激光加工、粒子操控和光数据存储等领域，焦深（Depth of Focus, DOF）与横向分辨率之间的矛盾是与生俱来的。对于传统的高斯光束照明，焦深与数值孔径（NA）的平方成反比，而横向分辨率与NA成反比——这意味着提高分辨率必然导致焦深急剧缩短。例如，在高分辨率光学相干显微术中，使用高NA物镜可获得微米级的横向分辨率，但焦深通常仅有数微米，严重限制了三维成像的深度范围。
这一矛盾在诸多应用中成为瓶颈：生物医学成像需要在保持高分辨率的同时对大体积组织进行成像；激光加工希望在高精度切割的同时拥有较大的加工深度容差；粒子操控需要长距离稳定捕获。因此，如何突破高斯光束的焦深-分辨率制约关系，实现长焦深且高分辨率的光场调控，成为光学领域的重要研究方向。
建模任务
在这个案例中为大家介绍基于HOE的贝塞尔光束产生。如图1所示为基于HOE的贝塞尔光束产生的装置。在这个案例中光源为单模光纤输出的高斯光源，波长1064nm，束宽为3.3μm. 通过叠加准直透镜透过率函数和轴锥镜透过率函数生成HOE的结构，利用探测器探查后方光场的分布。
图1. HOE产生具有长焦深的贝塞尔光束
建模过程
光路编辑器如图2所示，HOE放置在光源后方1.5mm位置，在HOE后700μm处放置了一个探测平面。探测器602、601和600分布探测HOE前表面、后表面和HOE后700μm的光场分布。
图2. 光路编辑器
HOE的相位结构如图3所示，在HOE元件的编辑对话框中通过可编程透过率函数编程了透镜相位和轴锥镜相位响应。对应的相位结构可以在图3右侧看到。这里设置透镜焦距为1.5mm，轴锥镜的角度为7°。VirtualLab Fusion支持导出各种格式的加工文件，如ASCII, Plain Text, bmp, CIF, GDSII等。
图3. HOE的相位结构（聚焦透镜相位+轴锥镜相位）以及加工文件预览与导出
为了探查长焦深Bessel光束的纵向分布，需要用到Parameter Run的功能，原理是改变探测器的位置，然后保存中心的数据，将这些数据组成一个二维的数组。所以这里需要将探测器的采样定义为N×1的格式，在这个N为512。如何去更改探测器的采样呢？感兴趣的小伙伴可以关注黉论网校的案例视频。
图4. XZ截面扫描
结果呈现
如图5，从仿真结果来看，在 HOE 后 200μm、700μm 和 1200μm 三个关键位置，光场分布的半高全宽（FWHM）分别为 3.1μm、3.0μm 和 3.2μm。这一数据直观地表明，在长达 1000μm 的传输距离内，光束的主瓣尺寸波动极小，仅在 3.0μm 至 3.2μm 之间微幅变化，有效维持了无衍射传输的核心特征。
从光场分布图中可以清晰地观察到，光束在传输过程中始终保持着典型的同心环结构，中心主瓣能量集中，旁瓣强度逐级衰减。这种稳定的能量分布模式，不仅验证了 HOE 对光束相位调制的有效性，也为其在高精度应用中的可靠性提供了有力支撑。
图5. 200μm，700μm和1200μm的光场分布
利用XZ的参数扫描创建横向的强度分布，如图6所示。可以看到在HOE后面0到1.5mm的范围内光束保持聚焦的状态，和高斯光束的聚焦相比，贝塞尔光束保持较大的DOF。这种长焦深得益于轴锥镜的相位分布函数。
图6. 贝塞尔光束的纵向结构
总结
这个案例展示了如何用HOE产生具有长焦深的贝塞尔光束。结合轴锥镜相位和透镜相位实现了对应产生Bessel光束的HOE设计。在VirtualLab Fusion中可以方便的编程各种相位分布，支持导出多种格式的加工文件，助力HOE器件的生产成型，案例展现了VirtualLab Fusion在设计全息衍射元件的巨大优势。案例还展示了如何在VirtualLab Fusion中通过Parameter Run创建切面强度文件
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参考文献：
1. Modeling of Bessel Beam Generation from Axicon with Round Tip, LightTrans.
2. Extended focal depth Fourier domain optical coherence microscopy with a Bessel-beam – LP02 mode – from a higher order mode fiber, PMC, 2021.
3. Underwater Bessel-like beams with enlarged depth of focus based on fiber microaxicon, Chinese Optics Letters, 2022.
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