CN106646896B - 一种基于渐变折射率透镜的流式细胞仪光束整形系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于渐变折射率的流式细胞仪光束整形系统，该光束整形系统包括透镜组和激光器，其特征在于通过具有方向相关折射率特性的光学透镜组对激光器发出的光束进行汇聚，使其在不同方向上具有不同的轴向放大率，从而实现汇聚光斑的椭圆化。本发明实现了流式细胞仪点照明光斑的单透镜成形，极大简化了双柱面透镜的系统复杂性及装调难度。

Description

一种基于渐变折射率透镜的流式细胞仪光束整形系统

技术领域

本发明涉及流式细胞仪的仪器领域，具体涉及一种基于渐变折射率透镜的流式细胞仪光束整形系统。

背景技术

在激光的许多实际应用中，例如激光驱动核聚变、激光材料加工、激光医疗等领域，常要求光强空间分布均匀的激光光束。但实际所用的激光器发出的激光光束通常为高斯光束，因此需要通过特殊设计的光学系统将高斯光束整形为光强均匀分布的平顶光束。

经过光学调制技术的进一步发展，如今的光束的空间整形方法很多，除了人们最初使用的光阑拦截法，还可利用非球面透镜组、全息滤波器、二元相位、振幅调制光栅、相位型光束整形、衍射光学元件、微透镜阵列整形、双折射透镜组、液晶空间光调制器、长焦深整形元件(圆锥镜光束变换)等将高斯光束整形为平顶光束。激光光束整形是激光光学领域近些年来兴起的一种新技术，针对激光光束的特点，人们研究并发明了大量的针对激光光束整形的方法，以上介绍的是在激光光束整形中常用的几种方法，各种方法都有它的优劣点，每一种整形方法都不尽人意，要么是适用性不高，要么是结构复杂，制作困难，成本高。在这些方法中非球面镜整形以结构简单、整形效率高的特点，适合于高功率固体激光激光器高斯光束的整形。

国内外学者针对激光束整形问题进行了很多研究，2000年，J.A.Hoffnagle和C.M.Jefferson全面介绍了利用非球面透镜组将高斯光束转化为平顶光束的设计方法和评价方法，该方法能够在短距离内获得超高斯函数分布的激光束输出，但是激光束无法在较长距离内保持其光强分布。2006年，P.W.Rhodes和D.L.shealy针对激光束的传播问题，详细讨论了超高斯函数分布、洛伦兹函数分布、费米狄克拉函数分布等几种光强平项分布的激光束的光强特征、相位特征以及传播特性。在此基础上，2007年9月，S.Zhang提出了一种改进式双凸非球面高斯光束整形器，通过选用洛伦兹函数分布的激光束输出作为目标，明显地提高了激光束的传播距离，同时降低了非球面透镜的加工制作难度。2010年10月华中科技大学光电子科学与工程学院的尚健力等人，提出了一种新型折射式高斯光束平顶器，仅用一块非球面透镜就达到了良好的整形效果，改进了传统整形器具有的体积大、不易调节的缺点，但是该系统只适用于较小扩束倍数的高斯光束整形方案中。2011年6月，国防科技大学光电子科学与工程学院的马浩统等人，提出了伽利略式非球面透镜组整形高斯光束的改进方法，使得整形系统不仅能够对激光束进行扩束整形，还可以对激光束进行缩束整形，同时该整形效果已接近衍射极限，但是所设计的非球面的面型曲线不单调，使得加工难度非常高。2011年7月，长春理工大学光电学院的高踽含等人，提出了利用光学软件ZEMAX编程宏语言来设计高斯光束整形系统，相比于之前的求解数值方程计算非球面系数的方法，该方法更加快捷实用。

综上所述，目前国内外研究学者使用非球面透镜组对高斯光束进行整形的研究，主要建立在轴对称光学系统的理论基础上，该方法最大的不足在于只能对光束的光强分布进行调制，而不能改变光斑的形状。而且目前改变光斑形状的方法是在透镜间增加1/2波晶片或1/4波晶片，通过改变1/2波晶片或1/4波晶片与偏振方向的位置实现对光斑形状的改变。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种基于渐变折射率透镜的流式细胞仪光束整形系统，在减少光学元器件的同时又能够有效的兼顾光强调制和光斑大小形状调制。

本发明的技术方案是：一种基于渐变折射率透镜的流式细胞仪光束整形系统，包括透镜组和激光器，所述的透镜组包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜是聚光透镜，第二透镜为散光透镜，所述第一透镜和第二透镜具有方向相关折射率特性。

优选的，所述第一透镜和第二透镜的方向相关折射率特性是第一透镜折射率沿轴向逐渐增大，第二透镜折射率沿轴向逐渐减小。

优选的，所述的第一透镜最大折射率与第二透镜最大折射率相同。

优选的，所述透镜组包括的透镜不限于两个。

优选的，所述透镜组包括的透镜的几何中心在同一条直线上。

优选的，所述的透镜组包括的透镜的截面形状是圆形、椭圆形或矩形。

本发明的有益效果是：一种基于渐变折射率透镜的流式细胞仪光束整形系统，通过使用具有方向相关折射率特性的光学透镜对激光器发出的光束进行汇聚，实现有效地兼顾光强调制和光斑形状调制。该光学系统安装方便、使用简单。

附图说明

参考随附的附图，本发明更多的目的、功能和优点将通过本发明实施方式的如下描述得以阐明，其中：

图1示出本发明一种基于渐变折射率透镜的流式细胞仪光束整形系统的系统图；

图2示出本发明实施例1渐变折射率透镜的折射率变化曲线图；

图3示出本发明实施例2渐变折射率透镜的折射率变化曲线图；

图4示出本发明实施例3渐变折射率透镜的折射率变化曲线图。

具体实施方式

通过参考示范性实施例，本发明的目的和功能以及用于实现这些目的和功能的方法将得以阐明。然而，本发明并不受限于以下所公开的示范性实施例；可以通过不同形式来对其加以实现。说明书的实质仅仅是帮助相关领域技术人员综合理解本发明的具体细节。

在下文中，将参考附图描述本发明的实施例。在附图中，相同的附图标记代表相同或类似的部件，或者相同或类似的步骤。

本发明的工作原理是由具有方向相关折射率特性的光学透镜对激光器发出的光束进行汇聚，使其在不同方向上具有不同的轴向放大率，从而实现汇聚光斑的椭圆化。

实施例1

图1为本发明一种基于渐变折射率透镜的流式细胞仪光束整形系统的系统图。如图1所示，一种基于渐变折射率透镜的流式细胞仪光束整形系统包括第一透镜101、第二透镜102和激光器(未标出)。激光器发出的入射激光束103通过第一透镜101和第二透镜102形成出射激光束104。入射激光束103的截面光斑是A，出射激光束的截面光斑是B。截面光斑是B与截面光斑是A相比较区别是光斑的大小发生了变化。

入射激光束103到达第一透镜101，由于第一透镜101的折射率沿轴向逐渐增大，如图2左图所示，纵轴N代表折射率，横轴L代表透镜长度，第一透镜101的折射率N随着长度L的增加而增加，趋势是反比例函数分支的递增分支，使沿轴向传输的激光束发生折射，从而实现出射激光束被平滑且连续的汇聚到Q点；汇聚到Q点的激光束，由于第二透镜102的折射率沿轴向逐渐增大，如图2右图所示，纵轴第二透镜102的折射率N随着长度L的增加而减小，趋势是反比例函数分支的递减分支，Q点的激光束沿轴向传输并发生折射，在折射率的作用下，Q点的激光束渐渐形成光斑，但由于第一透镜101的最小折射率与第二透镜102的最小折射率不相同且第二透镜102的最小折射率大于第一透镜101的最小折射率，最终的出射激光束104的截面光斑B小于入射激光束103的截面光斑A，实现了改变激光束光斑的大小，当通过第二透镜102不同方向的轴向放大率不同，当长轴轴向放大率不等于短轴放大率时，形状也会跟着发生变化，将圆形光斑在渐变折射率透镜中形成椭圆形光斑。

本实施例中采用的第一透镜和第二透镜的截面形状为矩形，其中渐变折射率透镜还可以选用截面形状是圆形或椭圆形的透镜。

其中，因为第一透镜101最大折射率和第二透镜102最大折射率相同，使得当光斑到达第二透镜102再次发生折射时不会突然产生跳变，保证了光斑变化的连续性。

如图1所述的第一透镜101和第二透镜102的几何中心与激光光束的发射点在同一条直线上，确保光束在透镜中传播始终处于透镜中心，不会在第一透镜101和第二透镜102的结合处突然发生位置改变，保证了光斑变化的连续性。

其中，透镜组的个数不限于是两个，可以根据实际情况根据透镜的折射率关系合理组合透镜实现改变激光束的大小和形状。

实施例2

图3为本发明实施例2渐变折射率透镜的折射率变化曲线图。如图3所示，左图代表第一透镜101的折射率变化曲线图，右图代表第二透镜102的折射率变化曲线图，本实施例与实施例1的区别在于，渐变折射率透镜的折射率发生了改变，本实施例的透镜折射率曲线的每一处斜率的绝对值随着长度L的增加而逐渐增加。

入射激光束到达第一透镜，如图3所示，纵轴N代表折射率，横轴L代表透镜长度，第一透镜的折射率N随着长度L的增加而增加，折射率曲线趋势为抛物线函数的递增曲线，折射率为入射角正弦比折射角正弦值，由于抛物线函数的递增曲线特征，曲线斜率随着长度L的增加而逐渐减小，在第一透镜中沿轴向传输的激光束不断发生折射，光斑大小逐渐减小和形状逐渐变化，实现出射激光束被平滑且连续的汇聚到一点；第二透镜的折射率N随着长度L的增加而减小，趋势是抛物线函数分支的递减分支，汇聚一点的激光束沿轴向传输并发生折射，由于抛物线函数的递减曲线特征，曲线斜率随着长度L的增加而逐渐增加，激光束在第二透镜中传播，在折射率作用下，汇聚一点的光斑的大小逐渐增大，通过第二透镜光斑不同方向的轴向放大率不同，当长轴轴向放大率不等于短轴放大率时，形状也会跟着发生变化，将圆形光斑在渐变折射率透镜中形成椭圆形光斑。

实施例3

图4为本发明实施例3渐变折射率透镜的折射率变化曲线图。如图4所示，左图代表第一透镜101的折射率变化曲线图，右图代表第二透镜102的折射率变化曲线图，本实施例与实施例1的区别在于，渐变折射率透镜的折射率发生了改变，本实施例中透镜折射率曲线趋势为一次函数曲线图，折射率曲线斜率处处相等，激光束在渐变折射率透镜中传播时光斑大小产生匀速变化。

结合这里披露的本发明的说明和实践，本发明的其他实施例对于本领域技术人员都是易于想到和理解的。说明和实施例仅被认为是示例性的，本发明的真正范围和主旨均由权利要求所限定。

Claims (4)

1.一种基于渐变折射率透镜的流式细胞仪光束整形系统，所述整形系统包括透镜组和激光器，所述的透镜组包括第一透镜和第二透镜，所述第一透镜为聚光透镜，第二透镜为散光透镜，所述第一透镜和第二透镜具有方向相关折射率特性；

所述第一透镜和第二透镜的方向相关折射率特性是第一透镜折射率沿轴向逐渐增大，第二透镜折射率沿轴向逐渐减小，具体的其中所述第一透镜的折射率曲线趋势包括反比例函数分支的递增分支，抛物线函数的递增曲线，一次函数曲线图；所述第二透镜的折射率曲线趋势包括反比例函数分支的递减分支，抛物线函数的递减曲线，一次函数曲线图，所述的第一透镜最大折射率与第二透镜最大折射率相同。

2.根据权利要求1所述的一种基于渐变折射率透镜的流式细胞仪光束整形系统，其特征在于，所述透镜组包括的透镜不限于两个。

3.根据权利要求2所述的一种基于渐变折射率透镜的流式细胞仪光束整形系统，其特征在于，所述透镜组包括的透镜的几何中心在同一条直线上。

4.根据权利要求2所述的一种基于渐变折射率透镜的流式细胞仪光束整形系统，其特征在于，所述的透镜组包括的透镜的截面形状是圆形、椭圆形或矩形。