用軸棱錐聚焦貝塞爾-謝爾模型光場(chǎng)產(chǎn)生空心光束的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種用軸棱錐聚焦貝塞爾?謝爾模型光場(chǎng)產(chǎn)生空心光束的光學(xué)系統(tǒng)，包括光學(xué)平臺(tái)，該光學(xué)平臺(tái)上放置有激光器，沿該激光器的光路依次放置準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、孔徑光闌、軸棱錐、薄透鏡、旋轉(zhuǎn)毛玻璃、薄透鏡和軸棱錐。通過(guò)本技術(shù)可以產(chǎn)生一種尺寸隨距離增大而增大的空心光束，且該空心光束具有自重建特性。本實(shí)用新型的光學(xué)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、光學(xué)元件價(jià)格便宜且產(chǎn)生的空心光束質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)，將為人們囚禁多層面、不同尺寸和數(shù)目的粒子提供有力的手段。
【專利說(shuō)明】
用軸棱錐聚焦貝塞爾-謝爾模型光場(chǎng)產(chǎn)生空心光束的光學(xué)系統(tǒng)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本實(shí)用新型涉及光學(xué)領(lǐng)域，具體是用軸棱錐聚焦貝塞爾-謝爾模型光場(chǎng)產(chǎn)生空心光束的光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]空心光束是一種在傳播方向上中心光強(qiáng)為零的特種光束。該特種光束具有中心光強(qiáng)度為極小值，周圍被高強(qiáng)度的光環(huán)繞等優(yōu)點(diǎn)，使之在光鑷，粒子囚禁，原子冷卻等方面都有重要的應(yīng)用。目前空心光束已被人們廣泛應(yīng)用于各式各樣微粒的捕獲與操控，捕獲環(huán)境從液體向氣體擴(kuò)展，操控粒子從無(wú)機(jī)小分子向活體細(xì)胞延伸。因此，對(duì)空心光束的產(chǎn)生和應(yīng)用一直是研究的熱門課題。
[0003]目前產(chǎn)生空心光束的有多種，如光子篩法、多模光纖法、螺旋相位板法、艾里光束陣列等，但這些方法常受限于光學(xué)系統(tǒng)精度的穩(wěn)定性或價(jià)格昂貴等原因，使得在實(shí)際應(yīng)用中受到諸多限制。
【實(shí)用新型內(nèi)容】
[0004]本實(shí)用新型的目的在于提供一種用軸棱錐聚焦貝塞爾-謝爾模型光場(chǎng)產(chǎn)生空心光束的光學(xué)系統(tǒng)，其可簡(jiǎn)單、便捷和高效率地產(chǎn)生空心光束。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本實(shí)用新型采用如下技術(shù)方案:
[0006]用軸棱錐聚焦貝塞爾-謝爾模型光場(chǎng)產(chǎn)生空心光束的光學(xué)系統(tǒng)，包括光學(xué)平臺(tái)，該光學(xué)平臺(tái)上放置有激光器，沿該激光器的激光光路依次放置準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、孔徑光闌、第一軸棱錐、第一薄透鏡、旋轉(zhuǎn)毛玻璃、第二薄透鏡和第二軸棱錐;其中，第一薄透鏡放置在第一軸棱錐后向外發(fā)散的空心光束區(qū)；第一薄透鏡的焦點(diǎn)與第二薄透鏡的焦點(diǎn)重合，且旋轉(zhuǎn)毛玻璃放置在第一薄透鏡和第二薄透鏡焦點(diǎn)重合的位置;旋轉(zhuǎn)毛玻璃與第二薄透鏡的距離等于第二薄透鏡的焦距。
[0007]采用上述方案后，當(dāng)激光器發(fā)出的激光光束經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)準(zhǔn)直擴(kuò)束后進(jìn)入第一軸棱錐后，產(chǎn)生一個(gè)無(wú)衍射聚焦區(qū)以及向外發(fā)散的空心光束區(qū)；在向外發(fā)散的空心光束區(qū)放置第一薄透鏡，在第一薄透鏡的焦平面上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)完全相干的環(huán)形光源，并在此環(huán)形光源處放置旋轉(zhuǎn)毛玻璃，使其變成非相干環(huán)形光源;再經(jīng)過(guò)第二薄透鏡聚焦后會(huì)產(chǎn)生貝塞爾-謝爾模型光束，最后經(jīng)第二軸棱錐聚焦，產(chǎn)生空心光束。本光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)非常簡(jiǎn)單，易于搭建與調(diào)試，且所產(chǎn)生的空心光束具有光斑均勻、光強(qiáng)梯度大且具有自重建等特性。因此，本實(shí)用新型具有非常重要的現(xiàn)實(shí)意義。
【附圖說(shuō)明】

[0008]圖1為本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)的組成裝置圖；
[0009]圖2為本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)的光路示意圖；
[0010]圖3為本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)圖；
[0011 ]圖4為本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)模擬圖；
[0012]圖5為本實(shí)用新型光學(xué)系統(tǒng)的自重建過(guò)程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0013]為了進(jìn)一步解釋本實(shí)用新型系統(tǒng)的技術(shù)方案，下面通過(guò)具體實(shí)施例來(lái)對(duì)本實(shí)用新型系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)闡述。
[0014]本實(shí)用新型的用軸棱錐聚焦貝塞爾-謝爾模型光場(chǎng)產(chǎn)生空心光束的光學(xué)系統(tǒng)，如圖1所示，包括光學(xué)平臺(tái)I，光學(xué)平臺(tái)I上設(shè)置有He-Ne激光器2，沿He-Ne激光器2的激光光路依次放置短焦距透鏡3、長(zhǎng)焦距透鏡4、孔徑光闌5、第一軸棱錐6、第一薄透鏡7、旋轉(zhuǎn)毛玻璃
8、第二薄透鏡9和第二軸棱錐10。第二軸棱錐10的后方設(shè)置有C⑶成像系統(tǒng)11。
[0015]激光器2、短焦距透鏡3、長(zhǎng)焦距透鏡4、孔徑光闌5、第一軸棱錐6、第一薄透鏡7、旋轉(zhuǎn)毛玻璃8、第二薄透鏡9、第二軸棱錐10和C⑶成像系統(tǒng)11均通過(guò)固定支架12支撐定位于光學(xué)平臺(tái)I上。
[0016]其中，孔徑光闌5的通光尺寸應(yīng)與第一薄透鏡7的位置相匹配，即第一薄透鏡7應(yīng)放置在第一軸棱錐6后面的向外發(fā)散空心光束區(qū)，第一薄透鏡7的焦點(diǎn)f7與第二薄透鏡f9的焦點(diǎn)重合，且旋轉(zhuǎn)毛玻璃8應(yīng)放置在第一薄透鏡7與第二薄透鏡9焦點(diǎn)重合的位置，旋轉(zhuǎn)毛玻璃8與第二薄透鏡9的距離等于第二薄透鏡9的焦距。
[0017]工作時(shí)，如圖2所示，首先He-Ne激光器2以及旋轉(zhuǎn)毛玻璃8的小馬達(dá)打開(kāi)，激光光束經(jīng)過(guò)短焦距透鏡3和長(zhǎng)焦距透鏡4準(zhǔn)直擴(kuò)束后，再經(jīng)過(guò)孔徑光闌5以及第一軸棱錐6后產(chǎn)生一個(gè)無(wú)衍射聚焦區(qū)以及向外發(fā)散的空心光束區(qū)；在向外發(fā)散的空心光束區(qū)放置第一薄透鏡7進(jìn)行聚焦，在第一薄透鏡7的焦平面上會(huì)產(chǎn)生一個(gè)完全相干的環(huán)形光源，并在此焦平面放置旋轉(zhuǎn)毛玻璃8，把相干環(huán)形光源變成非相干環(huán)形光源;第二薄透鏡9聚焦非相干環(huán)形光源產(chǎn)貝塞爾-謝爾模型光場(chǎng)，再經(jīng)過(guò)第二軸棱錐10的線聚焦作用，最后在第二軸棱錐10后產(chǎn)生空心光束，且該空心光束具有自重建特性。
[0018]作為實(shí)施例，我們選擇短焦距透鏡3的焦距f= 15mm、長(zhǎng)焦距透鏡4的焦距f =190mm，孔徑光闌5的半徑為r = 3.5mm，第一軸棱錐6的底角γ =2ο，第一軸棱錐6與第一薄透鏡7的距離Dl = 415mm，第一薄透鏡7的焦距f 7 = 50mm，第二薄透鏡9的焦距f 9= 150mm，第二軸棱錐1的底角和折射率分別為β = I ο、η = 1.458。實(shí)驗(yàn)時(shí)，根據(jù)圖2的光學(xué)元件順序搭建光路，在第二軸棱錐10后一定距離(Z)處用CCD成像系統(tǒng)11拍攝，拍攝結(jié)果如圖3所示，相應(yīng)的計(jì)算機(jī)模擬圖見(jiàn)圖4。對(duì)比圖3和圖4不同Z平面的截面光斑尺寸，最大誤差為0.038mm，說(shuō)明軸向光強(qiáng)分布與理論預(yù)測(cè)的是一致的。
[0019]為了驗(yàn)證空心光束的自重建特性，在第二軸棱錐10后Z=10mm位置處放置一塊直徑為0.9_障礙物，通過(guò)體式顯微鏡與照相機(jī)記錄空心光束的自重建過(guò)程，如圖5所示，其中
(a)表示障礙物未放置在中心位置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖；(b)、(c) (d) (e)表示障礙物放置在中心的實(shí)驗(yàn)結(jié)果示意圖。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表示，該空心光束具有自重建特性。
[0020]由此，本實(shí)用新型為產(chǎn)生空心光束提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操縱方便的方法。且該空心光束的自重建特性將為人們囚禁多層面、不同尺寸的粒子提供有力的手段，因此，該實(shí)用新型具有廣闊的市場(chǎng)前景。
[0021]上述實(shí)施例和圖式并非限定本實(shí)用新型系統(tǒng)的產(chǎn)品形態(tài)和式樣，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員對(duì)其所做的適當(dāng)變化或修飾，皆應(yīng)視為不脫離本實(shí)用新型系統(tǒng)的專利范疇。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.用軸棱錐聚焦貝塞爾-謝爾模型光場(chǎng)產(chǎn)生空心光束的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于:包括光學(xué)平臺(tái)，該光學(xué)平臺(tái)上放置有激光器，沿該激光器的激光光路依次放置準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、孔徑光闌、第一軸棱錐、第一薄透鏡、旋轉(zhuǎn)毛玻璃、第二薄透鏡和第二軸棱錐;其中，第一薄透鏡放置在第一軸棱錐后向外發(fā)散的空心光束區(qū)；第一薄透鏡的焦點(diǎn)與第二薄透鏡的焦點(diǎn)重合，且旋轉(zhuǎn)毛玻璃放置在第一薄透鏡和第二薄透鏡焦點(diǎn)重合的位置;旋轉(zhuǎn)毛玻璃與第二薄透鏡的距離等于第二薄透鏡的焦距。
【文檔編號(hào)】G02B27/09GK205720905SQ201620406322
【公開(kāi)日】2016年11月23日
【申請(qǐng)日】2016年5月6日
【發(fā)明人】吳逢鐵, 朱清智, 馮聰明, 何西
【申請(qǐng)人】華僑大學(xué)