CN104950455A - 实现用于产生空心光束的内外圆锥镜同轴的方法 - Google Patents

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Abstract

实现用于产生空心光束的内外圆锥镜同轴的方法属于光学技术领域。在现有技术中尚无内外圆锥镜光学系统装调技术。本发明首先由字符叠加模块程序将CCD图像传感器的像素阵列中心指定为光学图像的中心，作为装调基准靶心显示出来；其次，装调光经准直后再分成光路彼此垂直的两束，之后分别由各自光路上的正透镜聚焦成像于各自光路上的CCD图像传感器上，得到的装调光图像电信号被传送给显示器显示为装调光图像，分别在水平方向、垂直方向上分别调整两个正透镜的位置，使所述装调光图像移向所述装调基准靶心；第三，将待装调内外圆锥镜光学系统安放于装调光路上，分别在水平方向、垂直方向上分别调整内圆锥镜、外圆锥镜的位置，直到装调光图像移向所述装调基准靶心。

Description

实现用于产生空心光束的内外圆锥镜同轴的方法
技术领域
本发明涉及一种实现用于产生空心光束的内外圆锥镜同轴的方法，应用于内外圆锥镜光学系统的装调，使内圆锥镜、外圆锥镜各自的几何轴线与共同的光学轴线同轴，避免由其产生的空心光束发生变形，属于光学技术领域。
背景技术
空心光束(空心激光束)是一种在传播方向上中心光强为零的环状光束，具有许多特殊物理性质，如桶状强度分布、较小的暗斑尺寸(DSS)和传播不变性，并且具有自旋与轨道角动量等。空心光束作为激光导管、光学镊子(光钳)和光学扳手，目前已成为实现微观粒子(如微米粒子、纳米粒子和生物细胞等)精确操纵和控制的有力工具。因此，空心光束在激光光学、二元光学、计算全息、微观粒子的光学囚禁、材料科学、生物医学等方面有着广泛的应用前景。
现有技术能够获得多种空心光束，如拉盖尔-高斯光束、高阶贝塞尔光束、面包圈空心光束和LP01模输出空心光束等，形成了一个空心激光束(HLB)大家族。获得多种空心光束的方法多种多样，如横模选择法、几何光学法、模式变换法、光学全息法、计算全息法、中空光纤法和π位相板法等。其中几何光学法采用内外圆锥镜光学系统产生空心光束，如图1所示，光斑呈规则的圆环形，如图2所示。不过，如果构成内外圆锥镜光学系统的内圆锥镜、外圆锥镜各自的几何轴线与共同的光学轴线不同轴，如图3、图4所示，那么，由其产生的空心光束会发生变形，光斑不再是规则的圆环形，如变成了大致的渐开环形、心形环形、椭圆环形等。这种质量的空心光束已经无法作为空心光束使用。
现有技术虽然能够实现圆锥镜的精密加工，如申请号为200810306055.X的一件中国发明专利申请公开了一项称为“一种产生空心光束的内外圆锥透镜的加工方法”的方案。然而，尚无内外圆锥镜光学系统的准确、有效、快捷的装调技术。现有定心仪等传统的光学仪器只适用于有确定的球心的球面透镜光学系统的装调。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够准确、有效、快捷装调内外圆锥镜光学系统的方法，为此我们发明了一种实现用于产生空心光束的内外圆锥镜同轴的方法。
本发明之实现用于产生空心光束的内外圆锥镜同轴的方法其特征在于，如图5所示，首先，在显示器1上显示装调基准靶心：将字符叠加模块2连接于CCD图像传感器3与显示器1之间，由字符叠加模块程序将CCD图像传感器3的像素阵列中心指定为光学图像的中心，并在显示器1上作为装调基准靶心显示出来；其次，建立基准装调光路：由激光器4给出的装调光经由望远系统5准直后由半透半反镜6分成光路彼此垂直的两束，该两束装调光分别由各自光路上的正透镜7聚焦成像于各自光路上的CCD图像传感器3上，由CCD图像传感器3获得装调光图像电信号并经由放大及A/D转换模块8后传送给显示器1显示为装调光图像，分别在水平方向、垂直方向上分别调整两个正透镜7的位置，使所述装调光图像移向所述装调基准靶心；第三，装调内外圆锥镜光学系统：将由内圆锥镜9、外圆锥镜10构成的待装调内外圆锥镜光学系统安放于望远系统5与半透半反镜6之间的光路上，如果此时装调光图像偏离装调基准靶心，则分别在水平方向、垂直方向上分别调整内圆锥镜9、外圆锥镜10的位置，直到装调光图像移向所述装调基准靶心。
本发明其效果在于，由激光器4、望远系统5、半透半反镜6、两个正透镜7、两个CCD图像传感器3、字符叠加模块2、放大及A/D转换模块8及显示器1构成一个内外圆锥镜光学系统装调装置，在确定装调基准靶心和建立装调基准光路后，只需将待装调内外圆锥镜光学系统安放于所述装调装置的装调光路上，假如内圆锥镜9、外圆锥镜10各自的几何轴线与它们共同的光学轴线不同轴，虽然也能产生空心光束，但是，此时所产生的空心光束会发生变形，光斑不再是规则的圆环形，如变成了大致的渐开环形、心形环形、椭圆环形等，在光斑中光能量分布不匀，由正透镜7聚焦成像后，在显示器1上显示的装调光图像发生偏离，接下来装调者只需在用肉眼观察显示器1显示的装调光图像的同时，在水平方向、垂直方向上分别有限次调整内圆锥镜9、外圆锥镜10的位置，一旦装调光图像与装调基准靶心重合，则内圆锥镜9、外圆锥镜10各自的几何轴线与它们共同的光学轴线同轴，内外圆锥镜光学系统避免的装调即完成。可见，本发明之方法实现了内外圆锥镜光学系统的准确、有效和快捷装调。
附图说明
图1是由内圆锥镜、外圆锥镜构成的内外圆锥镜光学系统结构示意图，该图还表示由内外圆锥镜光学系统产生空心光束的过程。图2是由内外圆锥镜光学系统产生的空心光束光斑形态示意图。图3、图4是在未经装调的内圆锥镜、外圆锥镜二者之间可能出现的不同轴情况示意图。图5是采用内外圆锥镜光学系统装调装置按本发明之实现用于产生空心光束的内外圆锥镜同轴的方法完成内外圆锥镜光学系统装调过程示意图，该图同时作为摘要附图。
具体实施方式
本发明之实现用于产生空心光束的内外圆锥镜同轴的方法具体实施方式如下所述，如图5所示。首先，在显示器1上显示装调基准靶心：由字符叠加模块程序先将显示器1预设为CCD图像传感器3的显示设备；将字符叠加模块2连接于CCD图像传感器3与显示器1之间，由字符叠加模块程序将CCD图像传感器3的像素阵列中心指定为光学图像的中心，并在显示器1上作为装调基准靶心显示出来。其次，建立基准装调光路：由激光器4给出的装调光经由望远系统5准直后由半透半反镜6分成光路彼此垂直的两束，所述装调光为He-Ne激光，光斑直径为Φ1mm，在所述望远系统5中，负透镜的焦距为f＝-20mm、正透镜的焦距f＝200mm，是一个倍率为10的准直扩束系统，所述半透半反镜6与所述望远系统5光轴呈45°角，所述两束装调光分别由各自光路上的正透镜7聚焦成像于各自光路上的CCD图像传感器3上，所述正透镜7其焦距f＝150mm，之后由CCD图像传感器3获得装调光图像电信号并经由放大及A/D转换模块8后传送给显示器1显示为装调光图像，分别在水平方向、垂直方向上分别调整两个正透镜7的位置，使所述装调光图像移向所述装调基准靶心。第三，装调内外圆锥镜光学系统：将由内圆锥镜9、外圆锥镜10构成的待装调内外圆锥镜光学系统安放于望远系统5与半透半反镜6之间的光路上，如果此时装调光图像偏离装调基准靶心，则分别在水平方向、垂直方向上分别调整内圆锥镜9、外圆锥镜10的位置，直到装调光图像移向所述装调基准靶心。

Claims (4)

1.一种实现用于产生空心光束的内外圆锥镜同轴的方法，其特征在于，首先，在显示器(1)上显示装调基准靶心：将字符叠加模块(2)连接于CCD图像传感器(3)与显示器(1)之间，由字符叠加模块程序将CCD图像传感器(3)的像素阵列中心指定为光学图像的中心，并在显示器(1)上作为装调基准靶心显示出来；其次，建立基准装调光路：由激光器(4)给出的装调光经由望远系统(5)准直后由半透半反镜(6)分成光路彼此垂直的两束，该两束装调光分别由各自光路上的正透镜(7)聚焦成像于各自光路上的CCD图像传感器(3)上，由CCD图像传感器(3)获得装调光图像电信号并经由放大及A/D转换模块(8)后传送给显示器(1)显示为装调光图像，分别在水平方向、垂直方向上分别调整两个正透镜(7)的位置，使所述装调光图像移向所述装调基准靶心；第三，装调内外圆锥镜光学系统：将由内圆锥镜(9)、外圆锥镜(10)构成的待装调内外圆锥镜光学系统安放于望远系统(5)与半透半反镜(6)之间的光路上，如果此时装调光图像偏离装调基准靶心，则分别在水平方向、垂直方向上分别调整内圆锥镜(9)、外圆锥镜(10)的位置，直到装调光图像移向所述装调基准靶心。
2.根据权利要求1所述的实现用于产生空心光束的内外圆锥镜同轴的方法。其特征在于，由字符叠加模块程序先将显示器(1)预设为CCD图像传感器(3)的显示设备。
3.根据权利要求1所述的实现用于产生空心光束的内外圆锥镜同轴的方法。其特征在于，所述装调光为He-Ne激光，光斑直径为Φ1mm；在所述望远系统(5)中，负透镜的焦距为f＝-20mm、正透镜的焦距f＝200mm，是一个倍率为10的准直扩束系统；所述半透半反镜(6)与所述望远系统(5)光轴呈45°角。
4.根据权利要求1所述的实现用于产生空心光束的内外圆锥镜同轴的方法。其特征在于，所述正透镜(7)其焦距f＝150mm。
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