CN105807432B - 用轴棱锥聚焦贝塞尔-谢尔模型光场产生空心光束的光学系统 - Google Patents

用轴棱锥聚焦贝塞尔-谢尔模型光场产生空心光束的光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用轴棱锥聚焦贝塞尔‑谢尔模型光场产生空心光束的光学系统，包括光学平台，该光学平台上放置有激光器，沿该激光器的光路依次放置准直扩束系统、孔径光阑、轴棱锥、薄透镜、旋转毛玻璃、薄透镜和轴棱锥。通过本技术可以产生一种尺寸随距离增大而增大的空心光束，且该空心光束具有自重建特性。本发明的光学结构简单、光学元件价格便宜且产生的空心光束质量高等优点，将为人们囚禁多层面、不同尺寸和数目的粒子提供有力的手段。

Description

用轴棱锥聚焦贝塞尔-谢尔模型光场产生空心光束的光学 系统
技术领域
本发明涉及光学领域，具体是用轴棱锥聚焦贝塞尔-谢尔模型光场产生空心光束的光学系统。
背景技术
空心光束是一种在传播方向上中心光强为零的特种光束。该特种光束具有中心光强度为极小值，周围被高强度的光环绕等优点，使之在光镊，粒子囚禁，原子冷却等方面都有重要的应用。目前空心光束已被人们广泛应用于各式各样微粒的捕获与操控，捕获环境从液体向气体扩展，操控粒子从无机小分子向活体细胞延伸。因此，对空心光束的产生和应用一直是研究的热门课题。
目前产生空心光束的有多种，如光子筛法、多模光纤法、螺旋相位板法、艾里光束阵列等，但这些方法常受限于光学系统精度的稳定性或价格昂贵等原因，使得在实际应用中受到诸多限制。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用轴棱锥聚焦贝塞尔-谢尔模型光场产生空心光束的光学系统，其可简单、便捷和高效率地产生空心光束。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
用轴棱锥聚焦贝塞尔-谢尔模型光场产生空心光束的光学系统，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准直扩束系统、孔径光阑、第一轴棱锥、第一薄透镜、旋转毛玻璃、第二薄透镜和第二轴棱锥；其中，第一薄透镜放置在第一轴棱锥后向外发散的空心光束区；第一薄透镜的焦点与第二薄透镜的焦点重合，且旋转毛玻璃放置在第一薄透镜和第二薄透镜焦点重合的位置；旋转毛玻璃与第二薄透镜的距离等于第二薄透镜的焦距。
采用上述方案后,当激光器发出的激光光束经过准直扩束系统准直扩束后进入第一轴棱锥后，产生一个无衍射聚焦区以及向外发散的空心光束区；在向外发散的空心光束区放置第一薄透镜，在第一薄透镜的焦平面上会产生一个完全相干的环形光源，并在此环形光源处放置旋转毛玻璃，使其变成非相干环形光源；再经过第二薄透镜聚焦后会产生贝塞尔-谢尔模型光束，最后经第二轴棱锥聚焦，产生空心光束。本光学系统结构非常简单，易于搭建与调试，且所产生的空心光束具有光斑均匀、光强梯度大且具有自重建等特性。因此，本发明具有非常重要的现实意义。
附图说明
图1为本发明光学系统的组成装置图；
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实验图；
图4为本发明光学系统的计算机模拟图；
图5为本发明光学系统的自重建过程图。
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。
本发明的用轴棱锥聚焦贝塞尔-谢尔模型光场产生空心光束的光学系统，如图1所示，包括光学平台1，光学平台1上设置有He-Ne激光器2，沿He-Ne激光器2的激光光路依次放置短焦距透镜3、长焦距透镜4、孔径光阑5、第一轴棱锥6、第一薄透镜7、旋转毛玻璃8、第二薄透镜9和第二轴棱锥10。第二轴棱锥10的后方设置有CCD成像系统11。
激光器2、短焦距透镜3、长焦距透镜4、孔径光阑5、第一轴棱锥6、第一薄透镜7、旋转毛玻璃8、第二薄透镜9、第二轴棱锥10和CCD成像系统11均通过固定支架12支撑定位于光学平台1上。
其中，孔径光阑5的通光尺寸应与第一薄透镜7的位置相匹配，即第一薄透镜7应放置在第一轴棱锥6后面的向外发散空心光束区，第一薄透镜7的焦点f7与第二薄透镜f9的焦点重合，且旋转毛玻璃8应放置在第一薄透镜7与第二薄透镜9焦点重合的位置，旋转毛玻璃8与第二薄透镜9的距离等于第二薄透镜9的焦距。
工作时，如图2所示，首先He-Ne激光器2以及旋转毛玻璃8的小马达打开，激光光束经过短焦距透镜3和长焦距透镜4准直扩束后，再经过孔径光阑5以及第一轴棱锥6后产生一个无衍射聚焦区以及向外发散的空心光束区；在向外发散的空心光束区放置第一薄透镜7进行聚焦，在第一薄透镜7的焦平面上会产生一个完全相干的环形光源，并在此焦平面放置旋转毛玻璃8，把相干环形光源变成非相干环形光源；第二薄透镜9聚焦非相干环形光源产贝塞尔-谢尔模型光场，再经过第二轴棱锥10的线聚焦作用，最后在第二轴棱锥10后产生空心光束，且该空心光束具有自重建特性。
作为实施例，我们选择短焦距透镜3的焦距f＝15mm、长焦距透镜4的焦距f＝190mm，孔径光阑5的半径为r＝3.5mm，第一轴棱锥6的底角γ＝2°，第一轴棱锥6与第一薄透镜7的距离D1＝415mm，第一薄透镜7的焦距f7＝50mm，第二薄透镜9的焦距f9＝150mm，第二轴棱锥10的底角和折射率分别为β＝1°、n＝1.458。实验时，根据图2的光学元件顺序搭建光路，在第二轴棱锥10后一定距离(Z)处用CCD成像系统11拍摄，拍摄结果如图3所示，相应的计算机模拟图见图4。对比图3和图4不同Z平面的截面光斑尺寸，最大误差为0.038mm，说明轴向光强分布与理论预测的是一致的。
为了验证空心光束的自重建特性，在第二轴棱锥10后Z＝100mm位置处放置一块直径为0.9mm障碍物，通过体式显微镜与照相机记录空心光束的自重建过程，如图5所示，其中(a)表示障碍物未放置在中心位置的实验结果示意图；(b)、(c)(d)(e)表示障碍物放置在中心的实验结果示意图。实验结果表示，该空心光束具有自重建特性。
由此，本发明为产生空心光束提供了一种结构简单，操纵方便的方法。且该空心光束的自重建特性将为人们囚禁多层面、不同尺寸的粒子提供有力的手段，因此，该发明具有广阔的市场前景。
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 (1)

1.用轴棱锥聚焦贝塞尔-谢尔模型光场产生空心光束的光学系统，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准直扩束系统、孔径光阑、第一轴棱锥、第一薄透镜、旋转毛玻璃、第二薄透镜和第二轴棱锥；其中，第一薄透镜放置在第一轴棱锥后向外发散的空心光束区；第一薄透镜的焦点与第二薄透镜的焦点重合，且旋转毛玻璃放置在第一薄透镜和第二薄透镜焦点重合的位置；旋转毛玻璃与第二薄透镜的距离等于第二薄透镜的焦距。
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