CN103217796B - 一种产生周期性Bottle beam的光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种产生周期性Bottle？beam的光学系统，其包括光学平台，该光学平台上放置有激光器，沿该激光器的激光光路依次放置可调衰减器、短焦距透镜、长焦距透镜、光阑、第一轴棱锥和第二轴棱锥；短焦距透镜的焦点和长焦距透镜的焦点重合；第一轴棱锥紧靠着光阑；第一轴棱锥的底角β小于第二轴棱锥的底角γ；第二轴棱锥处在第一轴棱锥产生的最大无衍射距离之内。通过本发明的光学系统可方便快捷地产生周期性的Bottle？beam，为获取周期性的Bottle？beam提供了一种简洁、有效的新途径。在实际应用中，特别是对于微粒的多层面操控具有特殊意义。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用圆锥透镜对无衍射贝塞尔(Bessel)光束进行聚焦产生周期性局域空心光束(Bottlebeam)的变换技术，可以方便快捷的产生周期性Bottlebeam。
背景技术
局域空心光束（Bottlebeam）是一种在传播方向上嵌入光强为零的空洞，是由一束高度汇聚的激光形成的三维势阱，可以捕获进而操控微小粒子，实现对微粒的全方位三维操作，尤其是作为光镊操纵微粒具有非接触、低损伤等优点，使操纵活体物质成为可能，已成功应用于生物医学领域，并在细胞、生物大分子的操控和生物大分子生命过程中的动力学行为研究等方面发挥着巨大的作用。它作为激光导管和光学扳手等在生命科学和纳米科技中也起到了不可忽略的作用。
目前，产生Bottlebeam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仅价格不菲，而且存在设备成本高的问题，还存在系统安装调试难度较大的缺陷，不利于Bottlebeam的实际应用。
为解决上述问题，本发明人提出了一种用轴棱锥对无衍射Bessel光束进行聚焦来产生周期性Bottlebeam的光学系统。
发明内容
本发明的目的在于提供一种方便快捷产生周期性Bottlebeam的光学系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种产生周期性Bottlebeam的光学系统，包括光学平台，该光学平台上放置有激光器，沿该激光器的激光光路依次放置可调衰减器、短焦距透镜、长焦距透镜、光阑、第一轴棱锥和第二轴棱锥；其中，上述短焦距透镜的焦点和上述长焦距透镜的焦点重合；上述第一轴棱锥紧靠着上述光阑；上述第一轴棱锥的底角β小于上述第二轴棱锥的底角γ；上述第二轴棱锥处在上述第一轴棱锥产生的最大无衍射距离之内。
上述激光器为He-Ne激光器。
上述可调衰减器由二偏振片组成，由该二偏振片的偏振方向形成的夹角为可调。
采用上述方案后，当激光器发出的激光光束依次经可调衰减器的衰减、短焦距透镜和长焦距透镜准直扩束后，经由光阑，再正入射到第一轴棱锥上，并在第一轴棱锥后一定距离内形成近似无衍射区域，最后在此无衍射区域内由第二轴棱锥对产生的无衍射光束进行聚焦而形成周期性的Bottlebeam；由于平行光经第一轴棱锥后可以产生会聚的锥面波，而其交叠区域即为无衍射光，在交叠区域内插入第二轴棱锥且第二轴棱锥γ的底角大于第一轴棱锥的底角β，会聚的锥面波将进一步被整形成两束会聚的锥面波，在这两束会聚的锥面波的交叠处将产生周期性的Bottlebeam，由此将方便快捷地产生周期性的Bottlebeam。故本发明为获取周期性的Bottlebeam提供了一种简洁、有效的新途径。在实际应用中，特别是对于微粒的多层面操控具有特殊意义。
附图说明
图1为本发明光学系统的组成原理图；
图2为本发明光学系统的光路示意图；
图3为本发明光学系统的原理说明图；
图4为本发明光学系统的结果图;
图5为本发明光学系统的实验光斑图。
具体实施方式
为了进一步解释本发明系统的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明系统进行详细阐述。
本发明的一种产生周期性Bottlebeam的光学系统，如图1所示，包括光学平台1和分别用固定支架9支撑定位的激光器2、可调衰减器3、短焦距透镜4、长焦距透镜5、光阑6、第一轴棱锥7和第二轴棱锥8；其中，在光学平台1上放置激光器2，沿该激光器2的激光光路依次放置所述可调衰减器3、短焦距透镜4、长焦距透镜5、光阑6、第一轴棱锥7和第二轴棱锥8。
其中，短焦距透镜4的焦点和长焦距透镜5的焦点重合；第一轴棱锥7紧靠着光阑6；第一轴棱锥7的底角β小于第二轴棱锥8的底角γ；第二轴棱锥8处在第一轴棱锥7产生的最大无衍射距离之内。
其中，激光器2采用He-Ne激光器，可调衰减器3可以由两片直径为62mm的偏振片组成，由该两偏振片的偏振方向形成的夹角可通过旋转偏振片以实现可调作用。
如图2所示，首先He-Ne激光器2打开，激光光束经可调衰减器3衰减、短焦距透镜4和长焦距透镜5进行准直扩束后，经过孔径为a的光阑6，再正入射第一轴棱锥7，在第一轴棱锥7后一定距离内形成近似无衍射区域。在该无衍射区域中，其最大无衍射距离可由公式Zmax≈a/[(n-1)β]计算得到，其中a为光阑6的孔径，n为第一轴棱锥7的折射率，β为第一轴棱锥7的底角。在最大无衍射区内，用底角为γ的第二轴棱锥8对无衍射光进行聚焦。在第二轴棱锥8后将产生周期性Bottlebeam。Z0为第一轴棱锥7和第二轴棱锥8之间的距离，Z0<Zmax，此时，在第二轴棱锥8后产生周期性Bottlebeam。
图3为用汉克尔波理论对产生周期性Bottlebeam的原理说明图。
作为一个实施例，我们选择短焦距透镜4的焦距f=15mm、长焦距透镜5的焦距f=190mm、光阑6的孔径为φ=6mm、第一轴棱锥7的底角β=1°，第二轴棱锥8的底角γ=2°进行理论模拟，计算得到周期性Bottlebeam的周期为模拟结果如图4所示。其中第一轴棱锥7和第二轴棱锥8之间的距离Z0=200mm。并跟据图2所示光路搭建光学系统，并对第二轴棱锥8后一定距离用显微镜和CCD照相机系统对光斑进行拍摄，拍摄结果如图5所示，实验中周期约为2.5mm。
由此，本光学系统为获取周期性的Bottlebeam提供了一种简洁、有效的新途径。在实际应用中，特别是对于微粒的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系统的产品形态和式样，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系统的专利范畴。
Claims (3)
1.一种产生周期性Bottlebeam的光学系统，其特征在于：包括光学平台，该光学平台上放置有激光器，沿该激光器的激光光路依次放置可调衰减器、短焦距透镜、长焦距透镜、光阑、第一轴棱锥和第二轴棱锥；其中，上述短焦距透镜的焦点和上述长焦距透镜的焦点重合；上述第一轴棱锥紧靠着上述光阑；上述第一轴棱锥的底角β小于上述第二轴棱锥的底角γ；上述第二轴棱锥处在上述第一轴棱锥产生的最大无衍射距离之内。
2.如权利要求1所述的一种产生周期性Bottlebeam的光学系统，其特征在于：上述激光器为He-Ne激光器。
3.如权利要求1所述的一种产生周期性Bottlebeam的光学系统，其特征在于：上述可调衰减器由二偏振片组成，由该二偏振片的偏振方向形成的夹角为可调。
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