CN102116883B - 一种产生周期局域空心光束的新型锥透镜 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种产生周期局域空心光束的新型锥透镜，其由轴棱锥和胶合于该轴棱锥底部的圆台结构组成，该圆台结构的下底面与该轴棱锥的底面胶合，上述圆台结构的下底面的半径大于其上底面的半径；本发明能够通过单一元件即可获得多个周期再现的局域空心光束，且产生的多个Bottle beam的尺寸和再现周期可以通过控制圆台结构的底角和上底半径的大小来调节，与现有产生Bottle beam的方法相比，本案具有结构简单、元件加工简易、转换效率高、光损伤阈值高的优点，并为获取Bottle beam提供了一种简洁、有效的新途径，对于微粒的多层面操控具有特殊意义。

Description

一种产生周期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周期局域空心光束(Bottle beam)的新型锥透镜，可以实现微粒的单层面和多层面操控，对于微粒操控具有特殊意义。
背景技术
局域空心光束(Bottle beam)是一道沿光束传播方向上有着强度为零的区域，并在此区域外三维空间围绕着高强度的光的光束，正因为其特殊的光场分布以及在光镊、光学微操作等方面的重要应用引起了人们极大的兴趣。
目前，产生Bottle beam的方法有多种：如光学全息法、Bessel光相干法、高斯光束和拉盖尔-高斯光束干涉法、轴棱锥-透镜法等。但是这些方法都需要不止一个光学元件，且价格不菲，不但存在设备成本高的问题，而且存在系统安装调试难度较大的缺陷，不利于Bottle beam的实际应用。
有鉴于此，本发明人对可产生周期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周期局域空心光束的新型锥透镜，能够通过单一元件即可获得多个周期再现的局域空心光束，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：
一种产生周期局域空心光束的新型锥透镜，其由轴棱锥和胶合于该轴棱锥底部的圆台结构组成，该圆台结构的下底面与该轴棱锥的底面胶合，上述圆台结构的下底面的半径大于其上底面的半径。
上述圆台结构的下底面的半径与上述轴棱锥底面的半径相等。
采用上述方案后，本发明的新型锥透镜由轴棱锥和胶合于轴棱锥底部的圆台结构组成，由于圆台结构的下底面的半径大于其上底面的半径，则按对光线偏折能力的不同，相对圆台结构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，由于外围环形部分相对于中心部分对光线偏折能力较强，平面波入射该新型锥透镜时，中间部分和外围环形部分将产生两束不同会聚角的锥面波，且外围环形部分产生锥面波的会聚角较大，故两束锥面波会有一个交叠的区域，由此，两束具有不同会聚角的锥面波分别产生两束具有不同纵向波矢分量的贝塞尔(Bessel)光，而同频率且具有不同纵向波矢分量的Bessel光相干叠加将产生周期性的局域空心光束(Bottle beam)。
因此，本发明通过单一元件即可获得多个周期再现的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；另外通过控制圆台上底面的半径或底角大小，可以控制周期性Bottle beam的尺寸和重现周期，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为本发明产生多个周期性Bottle beam的光路示意图；
图5为本发明锥透镜后纵向上的光强分布图。
具体实施方式
下面结合附图和较佳实施例对本发明的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，本发明一种产生周期局域空心光束的新型锥透镜，其由轴棱锥1和胶合于该轴棱锥1底部的圆台结构2组成，轴棱锥1和圆台结构2只需采用常用的光学玻璃材料制成。如图1所示，本案新型锥透镜沿Z轴旋转对称，其中，圆台结构2的下底面与轴棱锥1的底面胶合，圆台结构2的下底面的半径大于其上底面的半径。
作为本发明一较佳实施例，如图4所示，圆台结构2的下底面的半径可以与轴棱锥1底面的半径相等；其中，设置轴棱锥1的底角为γ1，底面半径为R1，圆台结构2的底角为γ2，上底面半径为R2，下底面半径为R1，且R1＞R2。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，平面波入射新型锥透镜时，新型锥透镜的中心部分3相当于底角为γ1的传统轴棱锥，产生的无衍射区如图4所示虚线包围的ABCD区域；新型锥透镜的外围环形部分4相当于底角为γ1+γ2的传统轴棱锥，产生的无衍射区如图4所示实线包围的EFGH区域。已知出射光束的汇聚角与轴棱锥底角近似成正比关系，因此新型锥透镜的外围环形部分4产生较大的汇聚角，导致ABCD和EFGH两个无衍射区有交叠，如图4的阴影部分所示，此交叠区域由于贝塞尔(Bessel)光相干叠加将产生多个周期性的局域空心光束(Bottle beam)。
在一具体实验中，我们选择了参数R1＝8mm，R2＝3mm，γ1＝1°，γ2＝0.5°，n＝1.5，数值模拟波长λ＝632.8nm的平面波经过本发明的新型锥透镜，于新型锥透镜的后纵向所得到的光强分布图如图5所示，即平面波经过本发明的新型锥透镜后可形成周期Bottle beam；特别地，通过控制圆台结构2的底角为γ2或上底面半径R2的大小，可以便捷地实现Bottle beam的尺寸和重现周期的可调作用。
综上所述，本发明具有结构简单、元件加工简易、转换效率高、光损伤阈值高，且无需繁琐的安装调试等优点，在实际应用中，特别是微粒的单层面和多层面操控中具有特殊意义。
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)

1.一种产生周期局域空心光束的锥透镜，其特征在于：由轴棱锥和胶合于该轴棱锥底部的圆台结构组成，该圆台结构的下底面与该轴棱锥的底面胶合，上述圆台结构的下底面的半径大于其上底面的半径；上述轴棱锥和上述圆台结构采用常用的光学玻璃材料制成。
2.如权利要求1所述的一种产生周期局域空心光束的锥透镜，其特征在于：上述圆台结构的下底面的半径与上述轴棱锥底面的半径相等。
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