CN105807433B - 一种产生部分相干Hollow Beam的光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种产生部分相干空心光束(Hollow Beam)的光学系统，其包括光学平台，该光学平台上放置有绿光LED及聚光筒，沿光路依次放置圆形可调光阑，准直扩束系统，轴棱锥和环形孔径。通过本发明的光学系统可以利用非相干LED光源产生部分相干Hollow Beam，结构简单且稳定性高，传输性能好。该光束可以用于纳米科技和生物医学等领域。

Description

一种产生部分相干Hollow Beam的光学系统

技术领域

本发明涉及光学系统，具体是一种能够利用非相干LED光源直接产生部分相干Hollow Beam的光学系统，可作用于囚禁微观粒子、原子和生物细胞等，在生物医学和纳米科技中有重要应用。

背景技术

Hollow Beam是一种沿光传播方向上轴上光强为零或接近零的环状光束，可以实现对粒子的操控。Hollow Beam被广泛用于粒子和生物细胞的囚禁，还可用作激光导管和光镊等。在纳米科技、生物医学等领域的实际应用中，通常所需要的Hollow Beam应该稳定性高、传输性能好，因此如何产生满足实际应用需求的Hollow Beam是目前研究的热点。

目前，产生Hollow Beam的方法有多种。例如光学全息法、Bessel光相干法、新型锥透镜法、轴棱锥-透镜法等。实验中一般使用相干光源产生Hollow Beam，而利用非相干LED光源聚焦直接产生Hollow Beam的研究很少。事实上部分相干光也具有很好的方向性，所得的Hollow Beam同样可以用于粒子囚禁和光学引导，且某些实际应用中,部分相干HollowBeam也比完全相干Hollow Beam更具优越性。例如,部分相干光在大气中传输时，所受大气扰动的影响要比完全相干光小得多,部分相干光束光强比较均匀,且受散斑的影响比相干光受到的影响要小。因此，部分相干Hollow Beam在生物医学和纳米科技等具有极高的应用价值。LED作为一种新型、成本较低，易获得的非相光的干光源，具有耗电量低、坚固耐用、安全可靠性强、高亮度低热量、体积小、环保等优于激光光源的优点。本申请提出了一种利用非相干LED光源产生部分相干Hollow Beam的光学系统，且稳定性高，传输性能好，成本低廉，完全可以实际生产并且推广。

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单、成本低廉、稳定性高、传输性能好的产生部分相干Hollow Beam的光学系统。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种产生部分相干Hollow Beam的光学系统,包括光学平台、绿光LED、聚光筒、光阑、准直扩束系统、轴棱锥和环形孔径；

聚光筒为锥形聚光筒，支设于光学平台上，绿光LED放置于此锥形聚光筒的大端内，此锥形聚光筒的小端具有用以出射光线的小孔；

光学平台上沿绿光LED的光路依次支设光阑、准直扩束系统、轴棱锥和环形孔径，且锥形聚光筒、光阑、准直扩束系统、轴棱锥和环形孔径的中心都在光轴上；

光阑与锥形聚光筒之间的距离应满足空间相干性反比例公式；环形孔径放置于轴棱锥后面的无衍射区域内，且环形孔径的环半径小于无衍射区域半径。

所述光阑为直径可调的圆孔光阑。

所述环形孔径采用只有一个圆环透光，其余部分均不透光的菲林片。

采用上述方案后，本发明产生部分相干Hollow Beam的光学系统，工作时，首先打开绿光LED，经聚光筒汇聚的LED光束经过光阑提高其相干性，然后经过准直扩束系统后形成一个相干度和光强均成高斯分布的圆形光斑，光斑被轴棱锥聚焦后形成部分相干Bessel光束，Bessel光束经过环形孔径的衍射，在一段距离后形成Hollow Beam。本发明产生部分相干Hollow Beam的光学系统，结构简单、成本低廉、稳定性高、传输性能好，完全可以实际生产并且推广。

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几何光路示意图。

图3为本发明中Mathcad模拟的Hollow Beam截面光强分布图。

图4为本发明中实验测得Hollow Beam的截面光强分布图。

具体实施方式

为了进一步解释本发明光学系统的技术方案，下面通过图示来对本发明的光学系统进行详细阐述。

本发明的一种产生部分相干Hollow Beam的光学系统，如图1所示，包括光学平台1，入射光源系统2，光阑3，短焦距透镜4，长焦距透镜5，轴棱锥6，环形孔径7，显微镜和CCD照相机系统8。

其中，聚光筒为一端直径大、另一端直径小的锥形聚光筒，锥形聚光筒通过光具座支设于光学平台1上，绿光LED放置于此锥形聚光筒的大端内，此锥形聚光筒的小端具有用以出射光线的出射孔，由绿色LED和聚光筒组成入射光源系统2。

光学平台1上沿入射光源系统2的光路依次通过光具座支设有光阑3，短焦距透镜4，长焦距透镜5，轴棱锥6，环形孔径7，以及显微镜和CCD照相机系统8，且各光学元件的中心同处于光轴上。

光阑3采用直径可调的圆孔光阑，根据空间相干性反比例公式，光阑3与聚光筒的间距D满足的条件时，从光阑出射的光具有一定相干性。其中b为聚光筒的出射孔的直径，d为光阑3的直径(圆孔的孔径)，λ为入射光的波长。作为一个具体的实施例，光阑3置于锥形聚光筒后200mm处，锥形聚光筒的出射孔直径为1mm，且光阑3选取直径为0.1mm的孔径。对于光源采用主波长为517nm的绿光LED的入射光源系统2，根据空间相干性反比例公式计算可知，光阑3与锥形聚光筒的间距D应大于193mm。因此，将光阑3置于锥形聚光筒后200mm处时，从光阑3出射的光具有一定相干性。

短焦距透镜4和长焦距透镜5的焦点重合，组成一个准直扩束系统，并可以通过选取不同焦距的透镜组合来调节放大倍数。

环形孔径7采用只有一个圆环透光，其余部分均不透光的菲林片，环形孔径7即为此菲林片上的圆环透光区。将菲林片设置于轴棱锥6后的合适位置，使得环形孔径7位于轴棱锥6后面的无衍射区域内，且圆环透光区的环半径小于无衍射区域半径。

工作时，如图2所示，首先打开绿光LED2，经锥形聚光筒汇聚的LED光束经过圆形可调光阑3提高其相干性，然后经过短焦距透镜4和长焦距透镜5组成的准直扩束系统后形成一个相干度和光强均成高斯分布的圆形光斑，光斑被轴棱锥6聚焦后形成部分相干Bessel光束，Bessel光束经过环形孔径7的衍射，在一段距离后形成Hollow Beam。

作为实施例，我们选择圆形可调光阑2的直径r＝0.1mm，短焦距透镜4的焦距f＝15mm、长焦距透镜5的焦距f＝190mm，轴棱锥6的底角γ＝2°，折射率n＝1.458，环形孔径7的内半径R＝0.1mm，环缝宽d＝0.1mm。理论上，我们使用高斯谢尔模型和交叉谱密度的传播公式得出环形孔径7后的光强表达式，并利用Mathcad模拟得到环形孔径7后的横向光强分布图，如图3所示。实验时，根据图2所示光路搭建光学系统，在环形孔径7后一定距离处用显微镜和CCD照相机系统8拍摄，拍摄结果如图4所示。模拟和实验均可看到，部分相干Bessel光束在环形孔径7后10mm处形成了一个中心亮斑，之后亮斑光束向外扩散，在30mm处出现Hollow Beam，随着传播距离的增大，空心面积变大，形成了外环-空心环-内环-空心的光强分布，最后在50mm处，两个光环因为光束的发散而重合在一起，形成了一个较好的HollowBeam。由此，本光学系统提供了一种简洁、有效的产生部分相干Hollow Beam方法。与传统的完全相干Hollow Beam相比，它具有受到扰动和散斑的影响更少、光强分布比较均匀、波前相位不易发生畸变等优点，在实际应用中无疑更具有优势。

Claims (1)

1.一种产生部分相干Hollow Beam的光学系统,其特征在于：包括光学平台、绿光LED、聚光筒、光阑、准直扩束系统、轴棱锥和环形孔径；

聚光筒为锥形聚光筒，支设于光学平台上，绿光LED放置于此锥形聚光筒的大端内，此锥形聚光筒的小端具有用以出射光线的小孔；

光学平台上沿绿光LED的光路依次支设光阑、准直扩束系统、轴棱锥和环形孔径，且锥形聚光筒、光阑、准直扩束系统、轴棱锥和环形孔径的中心都在光轴上；

光阑与锥形聚光筒之间的距离应满足空间相干性反比例公式；环形孔径放置于轴棱锥后面的无衍射区域内，且环形孔径的环半径小于无衍射区域半径；

所述光阑为直径可调的圆孔光阑；

所述环形孔径采用只有一个圆环透光，其余部分均不透光的菲林片。