CN104020567A - 空心光束转换装置 - Google Patents
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Abstract
空心光束转换装置,包括:接收来自光源的光束的聚焦透镜;设置于所述聚焦透镜后方的光纤耦合透镜,所述光纤耦合透镜的光轴与所述聚焦透镜的光轴相交,从所述聚焦透镜出射的光倾斜射入所述光纤耦合透镜;设置于所述光纤耦合透镜后的多模光纤,所述光纤耦合透镜设置于所述多模光纤输入端之前,所述多模光纤输出端的后方设置有短焦整形透镜,所述多模光纤的输出端位于所述短焦整形透镜的焦点处。本发明可以产生中心暗斑为全黑的空心光束,耦合效率高,得到的空心光束光斑质量好,可应用于原子导管、光镊、光扳手等设备上,避免传统实心光束对微小物体进行移位或手术操作时灼伤细胞,从而提高细胞活性。
Description
技术领域
本发明属于光学技术领域,尤其涉及一种将高斯光束转换为空心光束的光束转换装置。
背景技术
光是一种特殊的物质,携带有能量和动量,光与物质相互作用时彼此交换能量和动量,产生各种效应。光与物质间交换动量时可以使受光照射的物体受到一个力或力矩,即产生光的力学效应。捕获微小粒子的光镊是利光的力学效应的典型应用。日常生活中,我们用来挟持物体的镊子都是有形物体,通过镊子施加一定的力钳住物体;而光镊是一个特别的光场,这个光场与物体相互作用时,物体受到光的作用从而达到被钳的效果,然后可以通过移动光束来实现迁移物体的目的。光镊产生的激光聚集可形成光阱,微小物体受光压而被束缚在光阱处,移动光束使微小物体随光阱移动,借此可在显微镜下对微小物体(如病毒、细菌以及细胞内的细胞器及细胞组分等)进行移位或手术操作。
光镊常用来对生物细胞进行操纵,光镊产生的用于移动微小物体的光束多为实心光束,当实心光束照射在微小物体表面时,光束产生的热量会使被照射到的物体表面温度升高,容易灼伤生物细胞,降低其活性。为了避免这种现象,可将实心光束转换为空心光束,使生物细胞位于空心光束的中心暗斑处,其生物活性和本质不受操纵光的影响。如今学者们进行了很多将实心光束转换为空心光束的研究。空心光束是垂直光束传播方向上光束中心光强为零、周围光强较强的环状光束,此光束的光强分布可以对位于中心零光强处的微粒产生束缚力。产生空心光束的方法很多,如遽逝波法、计算全息图法、角锥法、空心光纤法等。其中,遽逝波法局限于介质表面,并且作用区域很小(μm量级);计算全息法或者角锥法使用的光栅和角锥在制作工艺复杂,不易实现,而且这两种方法产生的空心光束中心暗斑不完全为黑;用空心光纤产生空心光束的方法耦合效率较低,仅为50%。
发明内容
针对以上不足,本发明的目的是提供一种空心光束转换装置,可应用于原子导管、光镊、光扳手等设备。
为了实现上述目的,本发明采取如下的技术解决方案:
空心光束转换装置,包括:接收来自光源的光束的聚焦透镜;设置于所述聚焦透镜后方的光纤耦合透镜,所述光纤耦合透镜的光轴与所述聚焦透镜的光轴相交,从所述聚焦透镜出射的光倾斜射入所述光纤耦合透镜;设置于所述光纤耦合透镜后的多模光纤,所述光纤耦合透镜设置于所述多模光纤输入端之前,所述多模光纤输出端的后方设置有短焦整形透镜,所述多模光纤的输出端位于所述短焦整形透镜的焦点处。
本发明更具体的技术方案为,所述聚焦透镜的光轴与光纤耦合透镜的光轴之间的夹角为0.6°~1.4°。
本发明更具体的技术方案为,所述短焦整形透镜包括依次设置第一短焦透镜和第二短焦透镜,所述第一短焦透镜的光轴和所述第二短焦透镜的光轴重合,所述多模光纤的输出端位于所述第一短焦透镜的焦点处。
本发明更具体的技术方案为,所述第一短焦透镜的焦距和所述第二短焦透镜的焦距不同。
本发明更具体的技术方案为,所述第一短焦透镜的焦距为4.5mm,所述第二短焦透镜的焦距为30mm。
本发明更具体的技术方案为,所述第一短焦透镜与所述第一短焦透镜之间的距离为60mm。
本发明更具体的技术方案为,所述光纤耦合透镜的焦距为4.5mm,
本发明更具体的技术方案为,所述聚焦透镜的焦距为60mm。
本发明更具体的技术方案为,所述第一短焦透镜与所述多模光纤的输出端之间的距离为4.5mm。
由以上可知,本发明通过设置光轴相交的聚焦透镜和光线耦合透镜,使(激)光束倾斜入射至多模光纤中,采用多模光纤对实心光束进行空心光束的转换,可以产生中心暗斑为全黑的空心光束,耦合效率很高,可以达到80%,从多模光纤出射的光束经短焦透镜整形输出后,得到的空心光束光斑质量好,可应用于原子导管、光镊、光扳手等设备上,避免传统实心光束对微小物体进行移位或手术操作时灼伤细胞,从而提高细胞活性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中需要使用的附图做简单介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行详细描述,在详述本发明实施例时,为便于说明,表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大,而且所述示意图只是示例,其在此不应限制本发明保护的范围。需要说明的是,附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例,仅用以方便、清晰地辅助说明本发明实施例的目的。
如图1所示,本发明的空心光束转换装置包括聚焦透镜1、光纤耦合透镜2、多模光纤3、第一短焦透镜4和第二短焦透镜5,第一短焦透镜4和第二短焦透镜5构成用于输出整形的短焦整形透镜组,多模光纤3采用市场销售的商用多模光纤。为了便于描述,将光源的发射端定义为前端,聚焦透镜1设置于光纤耦合透镜2之前,光纤耦合透镜2设置于多模光纤3输入端的前方,短焦整形透镜设置于多模光纤3的输出端,多模光纤3的输出端位于短焦整形透镜的焦点处。本实施例的第一短焦透镜4设置于多模光纤3输出端的后方,第二短焦透镜5设置于第一短焦透镜4的后方,第一短焦透镜4的光轴和第二短焦透镜5的光轴重合。
本发明的聚焦透镜1的光轴与光纤耦合透镜2的光轴相交,使从聚焦透镜1出射的光倾斜入射至光纤耦合透镜2,从而可以通过多模光纤3形成空心光束。作为本发明的一个优选方案,聚焦透镜1的焦距为60mm,光纤耦合透镜2的焦距为4.5mm,第一短焦透镜4的焦距为4.5mm,第二短焦透镜5的焦距为30mm。第一短焦透镜4与1米左右的多模光纤3的输出端之间的距离为4.5mm,第二短焦透镜5与第一短焦透镜4之间的距离为60mm。
使用时,高斯激光束由聚焦透镜1聚焦后,以微小角度倾斜入射到光纤耦合透镜2上,进入到多模光纤3内,光束经多模光纤3传播后从多模光纤3输出端出射,形成空心光束,出射的光束经过第一短焦透镜4和第二短焦透镜5整形形成平行光束,最后输出中心为全黑的空心光束。
下表为前述实施例的聚焦透镜1的光轴与光纤耦合透镜2的光轴之间的夹角α变化时对应测得的耦合效率列表,从下表可知,当聚焦透镜1的光轴与光纤耦合透镜2的光轴之间的夹角在0.6~1.4°之间时,耦合效率在50%以上,耦合效率较高。下表中0°入射时输出的为实心光束。
入射角α | 0° | 0.6° | 1.19° | 1.31° | 1.42° | 1.59° | 1.62° |
耦合效率 | 91% | 87% | 80% | 78% | 56% | 19% | 13% |
本发明采用多模光纤进行普通光束转换,从而得到空心光束。多模光纤转换效率高,得到的空心光束光斑质量好,而且与现有技术中采用特殊结构的棱镜相比,多模光纤结构更简单,可直接购买,对加工精度没有很高的要求。本发明的空心光束转换装置可直接应用在光镊设备中,将当前光镊中使用的实心光束转换为空心光束。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对其限制,尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明,所属领域的普通技术人员应当理解,依然可以对本发明的具体实施方式进行修改或者等同替换,而未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换,其均应涵盖在本发明的权利要求范围之中。例如,各透镜的焦距可以根据不同需求而改变,当透镜的焦距改变时,各组件间的距离则根据透镜的焦距进行相应变化,诸如此等改变以及等效变换均应包含在权利要求所述的范围之内。
Claims (9)
1.空心光束转换装置,其特征在于,包括:
接收来自光源的光束的聚焦透镜;
设置于所述聚焦透镜后方的光纤耦合透镜,所述光纤耦合透镜的光轴与所述聚焦透镜的光轴相交,从所述聚焦透镜出射的光倾斜射入所述光纤耦合透镜;
设置于所述光纤耦合透镜后的多模光纤,所述光纤耦合透镜设置于所述多模光纤输入端之前,所述多模光纤输出端的后方设置有短焦整形透镜,所述多模光纤的输出端位于所述短焦整形透镜的焦点处。
2.如权利要求1所述的空心光束转换装置,其特征在于:所述聚焦透镜的光轴与光纤耦合透镜的光轴之间的夹角为0.6°~1.4°。
3.如权利要求1或2所述的空心光束转换装置,其特征在于:所述短焦整形透镜包括依次设置第一短焦透镜和第二短焦透镜,所述第一短焦透镜的光轴和所述第二短焦透镜的光轴重合,所述多模光纤的输出端位于所述第一短焦透镜的焦点处。
4.如权利要求3所述的空心光束转换装置,其特征在于:所述第一短焦透镜的焦距和所述第二短焦透镜的焦距不同。
5.如权利要求3所述的空心光束转换装置,其特征在于:所述第一短焦透镜的焦距为4.5mm,所述第二短焦透镜的焦距为30mm。
6.如权利要求5所述的空心光束转换装置,其特征在于:所述第一短焦透镜与所述第一短焦透镜之间的距离为60mm。
7.如权利要求1或3或5或6所述的空心光束转换装置,其特征在于:所述光纤耦合透镜的焦距为4.5mm。
8.如权利要求1或5或6所述的空心光束转换装置,其特征在于:所述聚焦透镜的焦距为60mm。
9.如权利要求1或5或6所述的空心光束转换装置,其特征在于:所述第一短焦透镜与所述多模光纤的输出端之间的距离为4.5mm。
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