CN102819109A

CN102819109A - 用led光源产生局域空心光束的光学系统

Info

Publication number: CN102819109A
Application number: CN2012102763658A
Authority: CN
Inventors: 吴逢铁; 范丹丹; 程治明; 方翔
Original assignee: Huaqiao University
Current assignee: Huaqiao University
Priority date: 2012-08-03
Filing date: 2012-08-03
Publication date: 2012-12-12

Abstract

本发明公开了一种用LED光源产生局域空心光束的光学系统。光学系统包括光学平台，蓝光LED灯珠，LED聚光透镜，聚光筒，光阑，望远镜准直扩束系统，轴棱锥，聚焦透镜。与以往产生Bottle beam的激光光源相比，具有结构简单、可以大幅度降低光源成本的优点。产生的Bottle beam可以用于粒子囚禁和原子冷却，为获取Bottle beam提供了一种简洁、有效的新途径，在生命科学和纳米科技中的应用具有重要的意义。

Description

用LED光源产生局域空心光束的光学系统

技术领域

本发明涉及一种利用非相干LED光源直接产生局域空心光束(Bottle beam)的光学系统。

背景技术

局域空心光束(Bottle beam)是光束沿光传播方向上有着强度为零的区域，而在此区域外三维空间都围绕着高强度光的一种空心光束。暗中空区域周围被光束包围，有着极高的强度梯度，可以实现对粒子的三维操控。近年来，Bottle beam在粒子囚禁、原子冷却等领域获得了广泛的应用，因此，一直是研究的热点。

目前，产生Bottle beam的方法有多种。例如光学全息法、高斯光束和拉盖尔-高斯光束干涉法，Bessel光相干法、新型锥透镜法、轴棱锥-透镜法等。传统Bottle beam的产生都是采用激光作为光源，对于非相干LED光源聚焦直接产生Bottle beam的研究国内外尚未见报道，而非相干光聚焦产生Bottle beam具有光强分布比较均匀、波前相位不易发生畸变等特性，对于粒子囚禁、激光光镊等具有极高的应用价值。LED光源作为一种新型固态光源，具有节能、环保、寿命长、造价低廉、极易获得等诸多优点。非相干LED光源聚焦产生Bottlebeam与用激光产生Bottle beam的光学系统相比大幅度降低了实验成本，同时对部分相干光产生的Bessel光束聚焦特性的研究具有现实指导意义。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用LED光源产生局域空心光束的光学系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

用LED光源产生局域空心光束的光学系统，包括光学平台、光具座、LED灯珠、LED聚光透镜、聚光筒、光阑、望远镜准直扩束系统、轴棱锥和聚焦透镜；

其中，LED聚光透镜通过光具座支设于光学平台的一端，以光学平台设置LED聚光透镜的一端为后，另一端为前，LED聚光透镜罩设于LED灯珠外用以将LED灯珠发出的光汇聚后投向前方，聚光筒、光阑、望远镜准直扩束系统、轴棱锥和聚焦透镜分别通过光具座依次支设于LED聚光透镜的前方；

聚光筒为锥形聚光筒，LED聚光透镜的开口套接于此锥形聚光筒的大端内，此锥形聚光筒的小端具有用以将光线出射至前方的小孔；

LED聚光透镜、聚光筒、光阑、望远镜准直扩束系统、轴棱锥和聚焦透镜的中心都在光轴上，聚光筒与光阑的间距D要满足

的条件，其中b为聚光筒小端的小孔的内径，d为光阑的直径，λ为入射光的波长；望远镜准直扩束系统包括由后至前依次设置的短焦距透镜和长焦距透镜，此短焦距透镜与此长焦距透镜的间距为两者焦距之和；光阑与此短焦距透镜的间距小于13cm；轴棱锥与此长焦距透镜的间距小于10cm，聚焦透镜与轴棱锥顶点间的距离大于聚焦透镜的焦距并小于轴棱锥后最大无衍射距离。

所述LED灯珠胶合于LED聚光透镜的内侧面上。

所述聚光筒用于与LED聚光透镜相套接的大端的直径略大于或等于所述LED聚光透镜的开口直径；所述小孔的直径约为2mm。

所述光阑为直径可调的圆孔光阑，用以提高LED光场的相干性。

所述LED灯珠采用频谱宽度小于80nm的LED灯珠。

所述LED灯珠为蓝光LED灯珠。

采用上述方案后，点亮LED灯珠，LED灯珠发出的光经LED聚光透镜汇聚后进入聚光筒，光线在聚光筒内经过多次反射并汇聚达到强度分布较均匀的状态从聚光筒的小孔出射，经过光阑光场空间相干性得到提高，通过望远镜准直扩束系统然后正入射轴棱锥，在轴棱锥后一定距离内形成近似无衍射区域，在无衍射区域内放置聚焦透镜，此时，聚焦透镜后形成局域空心光束。

与以往产生局域空心光束的激光光源相比，采用了非相干LED光源的本发明的光学系统具有结构简单、可以大幅度降低光源成本的优点。产生的局域空心光束可以用于粒子囚禁和原子冷却，为获取局域空心光束提供了一种简洁、有效的新途径，在生命科学和纳米科技中的应用具有重要的意义。

附图说明

图1为本发明光学系统的结构示意图；

图2为本发明的光路示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明系统的结构和原理作进一步详细的说明。

本发明用LED光源产生局域空心光束的光学系统，如图1所示，包括光学平台1，蓝光LED灯珠2，LED聚光透镜3，聚光筒4，光阑5，望远镜准直扩束系统6，轴棱锥7，短焦透镜8，和光具座9。其中，LED灯珠可选用频谱宽度小于80nm的LED灯珠，本实施例选用蓝光LED灯珠(蓝光的光源频谱较宽其相干性会好一些，满足频谱宽度要求的其他颜色的LED也可以)，频谱宽度为41nm。

其中，LED聚光透镜3通过光具座9支设于光学平台1的一端，以光学平台1设置LED聚光透镜3的一端为后，另一端为前，蓝光LED灯珠2胶合于LED聚光透镜3的内侧面上(朝向前方的这一面)大致中心的位置，通过LED聚光透镜3将蓝光LED灯珠2发出的光汇聚后投向前方，聚光筒4、光阑5、望远镜准直扩束系统6、轴棱锥7和短焦透镜8分别通过光具座9依次支设于LED聚光透镜3的前方，且LED聚光透镜3、聚光筒4、光阑5、望远镜准直扩束系统6、轴棱锥7和短焦透镜8的中心都在光轴上。

其中：聚光筒4为一端直径大、另一端直径小的锥形聚光筒，此锥形聚光筒大端的内径比LED聚光透镜3的开口直径(LED聚光透镜3的开口直径即LED聚光透镜3朝向前方的这一端的直径)略大，或锥形聚光筒大端的内径与LED聚光透镜3的开口直径相等，LED聚光透镜3的开口(即，LED聚光透镜4朝向前方的这一端)套接于锥形聚光筒的大端内；锥形聚光筒4的小端(靠近光阑5的一端)具有用以将光线出射至前方的小孔，此小孔的直径(即小端的内径)约为2mm；

光阑5为直径可调的圆孔光阑，用以提高LED光场的相干性，为达到相干性要求，光阑5与聚光筒4的间距D要求满足

的条件，其中b为聚光筒4的小端的小孔的内径，d为光阑的直径，λ为入射光的波长；

望远镜准直扩束系统6包括由后至前依次设置的短焦距透镜61和长焦距透镜62，短焦距透镜61与长焦距透镜62的间距为两者焦距之和，对通过光阑5后的LED光进行准直扩束；光阑5与短焦距透镜61的间距小于13cm，本实施例中，光阑5与短焦距透镜的间距可选择11cm；轴棱锥7与长焦距透镜62的间距小于10cm，本实施例中，此间距可选择7cm；短焦透镜8与轴棱锥7顶点间的距离应大于短焦透镜8的焦距并小于轴棱锥7后最大无衍射距离。

如图2所示，为本发明系统的光路示意图。蓝光LED灯珠2发出的光经LED聚光透镜3汇聚后进入聚光筒4，光线在聚光筒4内经过多次反射并汇聚达到强度分布较均匀的状态从聚光筒4的小孔出射，经过半径为a的光阑5，光场空间相干性得到提高，通过望远镜准直扩束系统6然后正入射轴棱锥7，在轴棱锥7后一定距离内形成近似无衍射区域。最大无衍射距离可由公式Z_max≈a/[(n-1)γ]计算得到，其中n为轴棱锥折射率，γ为轴棱锥底角。调节短焦透镜8的距离，使f₁＜Z₀＜Z_max，此时，短焦透镜8后形成局域空心光束10(图2中的阴影部分)。

与以往产生Bottle beam的激光光源相比，本发明的光学系统具有结构简单、可以大幅度降低光源成本的优点。产生的局域空心光束可以用于粒子囚禁和原子冷却，为获取局域空心光束提供了一种简洁、有效的新途径，在生命科学和纳米科技中的应用具有重要的意义。

Claims

1.用LED光源产生局域空心光束的光学系统，其特征在于：包括光学平台、光具座、LED灯珠、LED聚光透镜、聚光筒、光阑、望远镜准直扩束系统、轴棱锥和聚焦透镜；

2.根据权利要求1所述的用LED光源产生局域空心光束的光学系统，其特征在于：所述LED灯珠胶合于LED聚光透镜的内侧面上。

3.根据权利要求1所述的用LED光源产生局域空心光束的光学系统，其特征在于：所述聚光筒用于与LED聚光透镜相套接的大端的直径略大于或等于所述LED聚光透镜的开口直径；所述小孔的直径约为2mm。

4.根据权利要求1所述的用LED光源产生局域空心光束的光学系统，其特征在于：所述光阑为直径可调的圆孔光阑。

5.根据权利要求1所述的用LED光源产生局域空心光束的光学系统，其特征在于：所述LED灯珠采用频谱宽度小于80nm的LED灯珠。

6.根据权利要求5所述的用LED光源产生局域空心光束的光学系统，其特征在于：所述LED灯珠为蓝光LED灯珠。