CN103424871A - 周期局域空心光束自重建的光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种周期局域空心光束自重建的光学系统，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中心都在光轴上的可调衰减器、短焦距透镜、长焦距透镜、光阑、第一轴棱锥、第二轴棱锥和不透光障碍物。其中短焦距透镜和长焦距透镜之间的距离为两透镜的焦距之和；第一轴棱锥紧靠着光阑；第一轴棱锥的底角γ₁小于第二轴棱锥的底角γ₂；第二轴棱锥处在第一轴棱锥产生的1/2最大无衍射距离处；不透光障碍物与第二轴棱锥之间的距离小于10cm。本发明光学系统为研究周期Bottle beam自重建提供了新的方法，使得周期Bottle beam在操控粒子，甚至是微粒的多层面操控中提供了更为有力的条件。

Description

周期局域空心光束自重建的光学系统

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)光束进行线聚焦，产生周期局域空心光束(Bottle beam)后经障碍物发生自重建的技术研究。 

背景技术

自1987年J.Durnin首次提出了无衍射Bessel光束以来，由于其特有的性质而被广泛地应用于粒子囚禁、粒子的光学引导、生物细胞的成像和信息提取、光学成像、光学拉力等领域。 

无衍射Bessel光束经过整形后可以产生Bottle beam，它是一束在传播方向上有着光强极小(甚至为零)的暗中空区域，在此区域外围绕着高强度光的一种特殊空心光束。由于Bottle beam具有三维封闭的暗中空区域和极高的强度梯度，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，可以作为激光导管和光学扳手等工具，尤其是作为光镊操纵微粒具有非接触、低损伤等优点。它作为激光导管和光学扳手等在生命科学和纳米科技中起到了不可忽略的作用。 

无衍射Bessel光束除了无衍射特性外，它的另一个重要特性就是遇到障碍物后可以实现光束的自重建，周期Bottle beam也具有自重建的特性。 

基于周期Bottle beam的这种特性，本发明人提出了一种用轴棱锥对无衍射Bessel光束进行线聚焦来产生周期Bottle beam后经障碍物重建的光学系统，用于对周期Bottle beam自重建的特性进行研究。 

发明内容

本发明的目的在于提供一种周期Bottle beam自重建的光学系统，用于对周期Bottle beam自重建的特性进行研究，为研究周期Bottle beam自重建提供了一种简洁、有效的途径。 

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案： 

周期局域空心光束自重建的光学系统，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、第二轴棱锥和不透光障碍物；其中，激光器、可调衰减器、短焦距透镜、长焦距透镜、光阑、第一轴棱锥、第二轴棱锥和不透光障碍物的中心都在光轴上；上述短焦距透镜和长焦距透镜之间的距离为两透镜的焦距之和；上述第一轴棱锥紧靠着上述光阑；上述第一轴棱锥的底角γ₁小于上述第二轴棱锥的底角γ₂；上述第二轴棱锥处在上述第一轴棱锥产生的1/2最大无衍射距离处；上述不透光障碍物与上述第二轴棱锥之间的距离小于10cm。 

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。 

上述光阑为半径可调的圆形光阑，用于改变入射到上述第一轴棱锥的光束半径。 

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，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Bottle beam，在 周期Bottle beam范围内放入不透光障碍物，周期Bottle beam不会因此而停止，而是绕过不透光障碍物继续向前传播。在不透光障碍物后面将投下阴影区，而后逐渐恢复到周期Bottle beam的光强分布。 

本发明的光学系统为研究周期Bottle beam自重建提供了一种简洁、有效的方法。对周期Bottle beam在多层面粒子操控和光学微操作等方面的应用提供了有力的条件。 

附图说明

图1为本发明光学系统的结构示意图； 

图2为本发明光学系统的光路示意图； 

具体实施方式

为了进一步解释本发明系统的技术方案，下面结合附图来对本发明系统的结构和原理进行详细阐述。 

本发明的一种周期局域空心光束自重建的光学系统，用于对周期Bottle beam自重建的特性进行研究，如图1所示，包括光学平台1和分别用固定支架2支撑定位的He-Ne激光器3、可调衰减器4、短焦距透镜5、长焦距透镜6、光阑7、第一轴棱锥8、第二轴棱锥9和不透光障碍物10。具体地，在光学平台1上放置He-Ne激光器3，光学平台1上沿该He-Ne激光器3的激光光路依次放置所述可调衰减器4、短焦距透镜5、长焦距透镜6、光阑7、第一轴棱锥8、第二轴棱锥9和不透光障碍物10，且He-Ne激光器3、可调衰减器4、短焦距透镜5、长焦距透镜6、光阑7、第一轴棱锥8、第二轴棱锥9和不透光障碍物10的中心都在光轴上。 

其中，可调衰减器4由两片直径62mm的偏振片组成，两偏振片方向 之间的夹角可通过旋转偏振片得到改变，用于对He-Ne激光器3发出的光束进行衰减方便人眼观察。 

其中，短焦距透镜5和长焦距透镜6组成望远镜系统，用于对He-Ne激光器3输出的激光进行准直扩束，短焦距透镜5和长焦距透镜6之间的距离为此两透镜的焦距之和； 

其中，第一轴棱锥8紧靠着光阑7；第一轴棱锥8的底角γ₁小于第二轴棱锥9的底角γ₂；第二轴棱锥9处在第一轴棱锥8产生的1/2最大无衍射距离处；不透光障碍物10处在第二轴棱锥9之后，并且与第二轴棱锥9之间的距离小于10cm，此间距可选择5cm。 

其中，光阑7为半径可调的圆形光阑，用于改变入射到第一轴棱锥8的光束半径；本发明中，不透光障碍物10可采用菲林片。 

如图2所示，首先He-Ne激光器3打开，激光光束经可调衰减器4衰减、短焦距透镜5和长焦距透镜6进行准直扩束后，经过孔径为R的光阑7，再正入射第一轴棱锥8，在第一轴棱锥8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Z_max≈R/[(n-1)γ₁]计算得到，其中R为光阑7的半径，n为第一轴棱锥8和第二轴棱锥9的折射率，γ₁为第一轴棱锥8的底角。在第一轴棱锥8产生的1/2最大无衍射处，用底角为γ₂的第二轴棱锥9对无衍射光进行线聚焦。在第二轴棱锥9后将产生周期性Bottle beam，在第二轴棱锥9后，并且与第二轴棱锥相距小于10cm处放入不透光障碍物10。Z₀为第一轴棱锥8和第二轴棱锥9之间的距离，Z₀≈1/2·Z_max，在不透光障碍物10后可以观察到Bottle beam自重建的全过程。最小自重建距离为Z_min=min(a/[(n-1)(γ₁+γ₂)],a/[(n-1)(γ₂-γ₁)])，其中a 为不透光障碍物10的半径，γ₂为第二轴棱锥9的底角。 

由此，本光学系统为研究周期Bottle beam自重建提供了一种简洁、有效的方法。在实际应用中，特别是对于多层面粒子操控和光学微操作具有特殊意义。 

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 (4)

1.一种周期局域空心光束自重建的光学系统，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、第二轴棱锥和不透光障碍物；其中，激光器、可调衰减器、短焦距透镜、长焦距透镜、光阑、第一轴棱锥、第二轴棱锥和不透光障碍物的中心都在光轴上；上述短焦距透镜和长焦距透镜之间的距离为两透镜的焦距之和；上述第一轴棱锥紧靠着上述光阑；上述第一轴棱锥的底角γ₁小于上述第二轴棱锥的底角γ₂；上述第二轴棱锥处在上述第一轴棱锥产生的1/2最大无衍射距离处；上述不透光障碍物与上述第二轴棱锥之间的距离小于10cm。 

2.如权利要求1所述的一种周期局域空心光束自重建的光学系统，其特征在于：上述激光器为He-Ne激光器。 

3.如权利要求1所述的一种周期局域空心光束自重建的光学系统，其特征在于：上述可调衰减器由两片直径62mm的偏振片组成，两偏振片方向之间的夹角可通过旋转偏振片得到改变。 

4.如权利要求1所述的一种周期局域空心光束自重建的光学系统，其特征在于：上述光阑为半径可调的圆形光阑，用于改变入射到上述第一轴棱锥的光束半径。 

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