本實用新型涉及光學系統，具體是一種能夠利用非相干LED光源直接產生部分相干Hollow Beam的光學系統，可作用于囚禁微觀粒子、原子和生物細胞等，在生物醫學和納米科技中有重要應用。

背景技術：

Hollow Beam是一種沿光傳播方向上軸上光強為零或接近零的環狀光束，可以實現對粒子的操控。Hollow Beam被廣泛用于粒子和生物細胞的囚禁，還可用作激光導管和光鑷等。在納米科技、生物醫學等領域的實際應用中，通常所需要的Hollow Beam應該穩定性高、傳輸性能好，因此如何產生滿足實際應用需求的Hollow Beam是目前研究的熱點。

目前，產生Hollow Beam的方法有多種。例如光學全息法、Bessel光相干法、新型錐透鏡法、軸棱錐-透鏡法等。實驗中一般使用相干光源產生Hollow Beam，而利用非相干LED光源聚焦直接產生Hollow Beam的研究很少。事實上部分相干光也具有很好的方向性，所得的Hollow Beam同樣可以用于粒子囚禁和光學引導，且某些實際應用中,部分相干Hollow Beam也比完全相干Hollow Beam更具優越性。例如,部分相干光在大氣中傳輸時，所受大氣擾動的影響要比完全相干光小得多,部分相干光束光強比較均勻,且受散斑的影響比相干光受到的影響要小。因此，部分相干Hollow Beam 在生物醫學和納米科技等具有極高的應用價值。LED作為一種新型、成本較低，易獲得的非相光的干光源，具有耗電量低、堅固耐用、安全可靠性強、高亮度低熱量、體積小、環保等優于激光光源的優點。本申請提出了一種利用非相干LED光源產生部分相干Hollow Beam的光學系統，且穩定性高，傳輸性能好，成本低廉，完全可以實際生產并且推廣。

技術實現要素：

本實用新型的目的在于提供一種結構簡單、成本低廉、穩定性高、傳輸性能好的產生部分相干Hollow Beam的光學系統。

為了實現上述目的，本實用新型采用如下技術方案：

一種產生部分相干Hollow Beam的光學系統,包括光學平臺、綠光LED、聚光筒、光闌、準直擴束系統、軸棱錐和環形孔徑；

聚光筒為錐形聚光筒，支設于光學平臺上，綠光LED放置于此錐形聚光筒的大端內，此錐形聚光筒的小端具有用以出射光線的小孔；

光學平臺上沿綠光LED的光路依次支設光闌、準直擴束系統、軸棱錐和環形孔徑，且錐形聚光筒、光闌、準直擴束系統、軸棱錐和環形孔徑的中心都在光軸上；

光闌與錐形聚光筒之間的距離應滿足空間相干性反比例公式；環形孔徑放置于軸棱錐后面的無衍射區域內，且環形孔徑的環半徑小于無衍射區域半徑。

所述光闌為直徑可調的圓孔光闌。

所述環形孔徑采用只有一個圓環透光，其余部分均不透光的菲林片。

采用上述方案后，本實用新型產生部分相干Hollow Beam的光學系統，工作時，首先打開綠光LED，經聚光筒匯聚的LED光束經過光闌提高其相干性，然后經過準直擴束系統后形成一個相干度和光強均成高斯分布的圓形光斑，光斑被軸棱錐聚焦后形成部分相干Bessel光束，Bessel光束經過環形孔徑的衍射，在一段距離后形成Hollow Beam。本實用新型產生部分相干Hollow Beam的光學系統，結構簡單、成本低廉、穩定性高、傳輸性能好，完全可以實際生產并且推廣。

附圖說明

圖1為本實用新型光學系統的結構示意圖。

圖2為本實用新型光學系統的幾何光路示意圖。

圖3為本實用新型中Mathcad模擬的Hollow Beam截面光強分布圖。

圖4為本實用新型中實驗測得Hollow Beam的截面光強分布圖。

具體實施方式

為了進一步解釋本實用新型光學系統的技術方案，下面通過圖示來對本實用新型的光學系統進行詳細闡述。

本實用新型的一種產生部分相干Hollow Beam的光學系統，如圖1所示，包括光學平臺1，入射光源系統2，光闌3，短焦距透鏡4，長焦距透鏡5，軸棱錐6，環形孔徑7，顯微鏡和CCD照相機系統8。

其中，聚光筒為一端直徑大、另一端直徑小的錐形聚光筒，錐形聚光筒通過光具座支設于光學平臺1上，綠光LED放置于此錐形聚光筒的大端 內，此錐形聚光筒的小端具有用以出射光線的出射孔，由綠色LED和聚光筒組成入射光源系統2。

光學平臺1上沿入射光源系統2的光路依次通過光具座支設有光闌3，短焦距透鏡4，長焦距透鏡5，軸棱錐6，環形孔徑7，以及顯微鏡和CCD照相機系統8，且各光學元件的中心同處于光軸上。

光闌3采用直徑可調的圓孔光闌，根據空間相干性反比例公式，光闌3與聚光筒的間距D滿足的條件時，從光闌出射的光具有一定相干性。其中b為聚光筒的出射孔的直徑，d為光闌3的直徑(圓孔的孔徑)，λ為入射光的波長。作為一個具體的實施例，光闌3置于錐形聚光筒后200mm處，錐形聚光筒的出射孔直徑為1mm，且光闌3選取直徑為0.1mm的孔徑。對于光源采用主波長為517nm的綠光LED的入射光源系統2，根據空間相干性反比例公式計算可知，光闌3與錐形聚光筒的間距D應大于193mm。因此，將光闌3置于錐形聚光筒后200mm處時，從光闌3出射的光具有一定相干性。

短焦距透鏡4和長焦距透鏡5的焦點重合，組成一個準直擴束系統，并可以通過選取不同焦距的透鏡組合來調節放大倍數。

環形孔徑7采用只有一個圓環透光，其余部分均不透光的菲林片，環形孔徑7即為此菲林片上的圓環透光區。將菲林片設置于軸棱錐6后的合適位置，使得環形孔徑7位于軸棱錐6后面的無衍射區域內，且圓環透光區的環半徑小于無衍射區域半徑。

工作時，如圖2所示，首先打開綠光LED2，經錐形聚光筒匯聚的LED光束經過圓形可調光闌3提高其相干性，然后經過短焦距透鏡4和長焦距 透鏡5組成的準直擴束系統后形成一個相干度和光強均成高斯分布的圓形光斑，光斑被軸棱錐6聚焦后形成部分相干Bessel光束，Bessel光束經過環形孔徑7的衍射，在一段距離后形成Hollow Beam。

作為實施例，我們選擇圓形可調光闌2的直徑r＝0.1mm，短焦距透鏡4的焦距f＝15mm、長焦距透鏡5的焦距f＝190mm，軸棱錐6的底角γ＝2°，折射率n＝1.458，環形孔徑7的內半徑R＝0.1mm，環縫寬d＝0.1mm。理論上，我們使用高斯謝爾模型和交叉譜密度的傳播公式得出環形孔徑7后的光強表達式，并利用Mathcad模擬得到環形孔徑7后的橫向光強分布圖，如圖3所示。實驗時，根據圖2所示光路搭建光學系統，在環形孔徑7后一定距離處用顯微鏡和CCD照相機系統8拍攝，拍攝結果如圖4所示。模擬和實驗均可看到，部分相干Bessel光束在環形孔徑7后10mm處形成了一個中心亮斑，之后亮斑光束向外擴散，在30mm處出現Hollow Beam，隨著傳播距離的增大，空心面積變大，形成了外環-空心環-內環-空心的光強分布，最后在50mm處，兩個光環因為光束的發散而重合在一起，形成了一個較好的Hollow Beam。由此，本光學系統提供了一種簡潔、有效的產生部分相干Hollow Beam方法。與傳統的完全相干Hollow Beam相比，它具有受到擾動和散斑的影響更少、光強分布比較均勻、波前相位不易發生畸變等優點，在實際應用中無疑更具有優勢。