CN102116882A - 一种产生单个局域空心光束的新型锥透镜 - Google Patents

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吴逢铁
张前安
马亮
郑维涛
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Huaqiao University
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Abstract

本发明公开一种产生单个局域空心光束的新型锥透镜，其为一轴棱锥，于该轴棱锥的底部形成一内凹的圆台结构，且该圆台结构的底角小于上述轴棱锥的底角；本发明能够通过单一元件即可获得单个局域空心光束(Bottle beam)，具有元件加工相对容易、结构简单、转换效率高、光损伤阈值高的优点，为获取Bottle beam提供了一种简洁、有效的新途径；另外，通过调节圆台结构的底角或内底半径大小，即可实现对单个局域空心光束(Bottle beam)的尺寸的可调作用，在实际应用中，可作为激光导管、光镊和光学扳手等的工具，还可以用于激光囚禁微观粒子和中性原子、分子、生物细胞等，在生命科学和纳米科技中，特别是对于微粒的单层面和多层面操控具有特殊意义。

Description

一种产生单个局域空心光束的新型锥透镜
技术领域
本发明涉及一种可产生单个局域空心光束(Bottle beam)的新型锥透镜，可作为激光导管、光镊和光学扳手等的工具，还可以用于激光囚禁微观粒子和中性原子、分子、生物细胞等，在生命科学和纳米科技中有重要应用。
背景技术
局域空心光束(Bottle beam)是一种在光束传播方向上有着强度极低(甚至为零)的三维封闭区域的光束，并且在此区域外的三维空间都围绕着高强度的光，具有极高的强度梯度；Bottle beam的这些特点，使其在激光俘获、诱导微观粒子(如微米粒子、纳米粒子、自由电子及生物细胞等)，以及实现全光冷却与囚禁玻色-爱因斯坦凝聚等领域具有广泛的应用。
目前，产生Bottle beam的方法有多种：如光学全息法、无衍射Bessel光相干法、轴棱锥-透镜法等；其中光学全息法的抗损伤阈值比较低，限制了Bottle的强度，Bessel光相干法和轴棱锥-透镜法都需要多个光学元件，且需要精确调试光路，在实际应用中存有一定的局限性。
有鉴于此，本发明人对产生单个局域空心光束的锥透镜结构进行了深入研究，本案由此产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种产生单个局域空心光束的新型锥透镜，能够通过单一元件即可获得尺寸可调的单个局域空心光束，并具有结构简单、元件加工简易、转换效率高、光损伤阈值高的优点。
为了达成上述目的，本发明的解决方案是：
一种产生单个局域空心光束的新型锥透镜，其为一轴棱锥，于该轴棱锥的底部形成一内凹的圆台结构，且该圆台结构的底角小于上述轴棱锥的底角。
上述圆台结构的外围半径与上述轴棱锥的底面半径相等。
采用上述方案后，本发明的新型锥透镜由于在轴棱锥的底部形成一内凹的圆台结构，且该圆台结构的底角小于轴棱锥的底角，则按对光线偏折能力的不同，可以将新型锥透镜分为中间部分和外围环形部分，该两部分相当于不同底角的轴棱锥，由于中间部分相对于外围环形部分对光线偏折能力较强，所以在平面波入射到该新型锥透镜时，中间部分和外围环形部分将产生两束分离的贝塞尔(Bessel)光，而在两束Bessel光之间则出现了一个没有光通过的区域，即单个局域空心光束(Bottle beam)。
因此，本发明通过单一元件即可获得单个局域空心光束(Bottle beam)，具有元件加工相对容易、结构简单、转换效率高、光损伤阈值高的优点，为获取Bottle beam提供了一种简洁、有效的新途径；另外，通过调节圆台结构的底角或内底半径大小，即可实现对单个局域空心光束(Bottle beam)的尺寸的可调作用，在实际应用中，特别是对于微粒的单层面和多层面操控具有特殊意义。
附图说明
图1为本发明的侧视图；
图2为本发明的立体视角图；
图3为本发明另一角度的立体视角图；
图4为本发明产生单个Bottle beam的光路示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实例对本发明新型锥透镜的结构和原理作进一步详细的说明。
如图1-3所示为本发明一种产生单个局域空心光束的新型锥透镜，其为一采用常用光学玻璃材料制成的轴棱锥1，于该轴棱锥1的底部通过磨削方式形成一内凹的圆台结构2，且该圆台结构2的底角小于轴棱锥1的底角。
作为本发明一较佳实施例，如图4所示，圆台结构2的外围半径与轴棱锥1的底面半径相等；其中，设置轴棱锥的底面半径为R1，底角为γ1，圆台结构2的外围半径为R1，内底面半径为R2，底角为γ2，且γ2＜γ1。则按对光线偏折能力的不同，可以将所述新型锥透镜分为中间部分3和外围环形部分4，该两部分相当于不同底角的轴棱锥。
由几何光学和波动光学分析可知，平面波入射该新型锥透镜时，中心部分3相当于底角为γ1的传统轴棱锥，外围环形部分4相当于底角为γ1-γ2的传统轴棱锥，已知出射锥面波的会聚角与轴棱锥底角近似成正比关系，因此新型锥透镜的中间部分3和外围环形部分4出射的锥面波将具有不同的会聚角，且中间部分3出射的锥面波具有较大的会聚角；所述中间部分3和外围环形部分4出射的不同会聚角的锥面波分别相干叠加，形成两束贝塞尔(Bessel)光，分别为ABCD区域和EFGH区域，并在该两束Bessel光之间则出现了一个没有光通过的区域，即单个局域空心光束(Bottle beam)，如图4中CE之间的阴影部分所示。
综上所述，本发明只需通过单一元件即可获得单个局域空心光束(Bottle beam)，具有元件加工相对容易、结构简单、转换效率高、光损伤阈值高的优点，为获取Bottle beam提供了一种简洁、有效的新途径；另外，通过调节圆台结构2的底角γ2或内底半径R2的大小，即可实现对单个局域空心光束(Bottle beam)的尺寸的可调作用。本发明在实际应用中，可作为激光导管、光镊和光学扳手等的工具，还可以用于激光囚禁微观粒子和中性原子、分子、生物细胞等，在生命科学和纳米科技中，特别是对于微粒的单层面和多层面操控具有特殊意义。
上述实施例和图式并非限定本发明的产品形态和式样，任何所属技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本发明的专利范畴。

Claims (2)

1.一种产生单个局域空心光束的新型锥透镜，为一轴棱锥，其特征在于：于该轴棱锥的底部形成一内凹的圆台结构，且该圆台结构的底角小于上述轴棱锥的底角。
2.如权利要求1所述的一种产生单个局域空心光束的新型锥透镜，其特征在于：上述圆台结构的外围半径与上述轴棱锥的底面半径相等。
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