CN108919500B - 基于双光束激光阱的可调谐局域空心光束光镊系统 - Google Patents

基于双光束激光阱的可调谐局域空心光束光镊系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种双光束激光阱的可调谐局域空心光束光镊系统，其包括激光源、光束整形组件、分光组件、反射镜组件、空心光束生成组件和空心光束会聚组件；空心光束生成组件包括第一双锥透镜和第二双锥透镜；空心光束会聚组件包括第一抛物曲面镜和第二抛物曲面镜；激光源发出的光束经过光束整形组件进行整形；再经过分光组件分为第一光束和第二光束；第一光束和第二光束分别经过反射镜组件后入射第一双锥透镜和第二双锥透镜，再分别经过第一抛物曲面镜和第二抛物曲面镜，经过第一抛物曲面镜和第二抛物曲面镜会聚后的光束形成可调谐的局域空心光束。本发明系统结构简单、便于操作、成本较低，提高了对空气中微粒的操纵性。

Description

基于双光束激光阱的可调谐局域空心光束光镊系统
技术领域
本发明涉及应用光学技术领域，尤其涉及一种双光束激光阱的可调谐局域空心光束光镊系统。
背景技术
光镊系统是一种利用光阱来移动微小颗粒的光学系统。光镊技术使用激光束来实现对微米、纳米量级的微粒进行非机械接触式的捕获和操控，对微粒不会产生机械损伤，因而几乎不影响粒子周围的生物环境。一般情况下，光阱是由高数值孔径(NA)物镜将激光进行强聚焦，激光被聚焦的越厉害，光阱的梯度力越大，越有利于束缚微小颗粒。在光学领域中，局域空心光束具有局域三维封闭暗中空区域。由于局域空心光束具有三维封闭的暗中空区域和极高的强度梯度，从而根据局域空心光束的这种独特的光强分布使其在粒子操作与囚禁等领域有着非常重要的应用价值。
目前，现有的局域空心光束光镊系统，都是单光束光阱产生的局域空心光束，其限制了系统的工作距离及稳定性。同时，对于不同尺寸粒子，需要更换不同的装置进行捕获，其装置结构复杂，价格昂贵。
发明内容
为解决上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种双光束激光阱的可调谐局域空心光束光镊系统，该系统结构简单、便于操作、成本较低，提高了对空气中微粒的操纵性。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种双光束激光阱的可调谐局域空心光束光镊系统，其特殊之处在于：
包括激光源、光束整形组件、分光组件、反射镜组件、空心光束生成组件和空心光束会聚组件；
所述空心光束成长组件包括第一双锥透镜和第二双锥透镜，所述第一双锥透镜和第二双锥透镜锥顶相对设置；
所述空心光束会聚组件包括第一抛物曲面镜和第二抛物曲面镜，所述第一抛物曲面镜和第二抛物曲面镜位于第一双锥透镜和第二双锥透镜之间，且第一双锥透镜和第二双锥透镜对称设置，所述第一抛物曲面镜的光轴和第一双锥透镜的光轴在一条直线上；
所述激光源发出的光束经过光束整形组件进行整形，所述整形是指对光束进行准直；整形后的光束经过分光组件，分光组件将光束分为第一光束和第二光束，第一光束和第二光束分别经过反射镜组件后入射第一双锥透镜和第二双锥透镜后形成两束空心光束，两束空心光束再分别经过第一抛物曲面镜和第二抛物曲面镜，第一抛物曲面镜和第二抛物曲面镜分别对两束空心光束进行会聚，经过第一抛物曲面镜和第二抛物曲面镜会聚后的光束形成可调谐的局域空心光束。
进一步地，上述光束整形组件包括沿光束入射方向依次设置的非球面镜、第一柱面镜和第二柱面镜。
进一步地，上述分光组件包括分光棱镜。
进一步地，上述第一双锥透镜的一端为凹锥，另一端为凸锥，所述凹锥的曲率半径和面型与凸锥的保持一致；所述第二双锥透镜与第一双锥透镜的参数相同。
进一步地，上述激光源为半导体激光器。
进一步地，上述激光源为边发射式半导体激光器。
进一步地，上述非球面镜放置在激光源后2.83mm距离处，第一柱面镜和第一柱面镜之间的距离为其二者焦距之和。
本发明的优点：
本发明双光束激光阱的可调谐局域空心光束光镊系统，结构简单、便于操作，其包括激光源、光束整形组件、分光组件、反射镜组件、空心光束生成组件和空心光束会聚组件，激光源发出的激光经过光束整形系统后，进行分光后经空心光束生成组件形成两束空心光束，两个相向传播的空心光束会聚后形成局域空心光束，可将粒子困在其中，粒子在局域空心光束的边缘之间旋转和弹跳，从而达到囚禁的作用效果；本发明双光束激光阱的可调谐局域空心光束光镊系统，形成的局域空心光束暗区域的尺寸可由第一双锥透镜和第二双锥透镜、第一抛物曲面镜和第二抛物曲面镜精确调控，进而利用该尺寸可调的局域空心光束实现光镊系统中对空气中微粒的三维操纵，利用局域空心光束进行光镊操作，局域空心光束光场特性，不易对活体物质细胞造成损害，改善局域空心光束暗空区域强度的对称性，实现相同功率下对微粒的自由操控，避免由于功率过高对微粒造成光损伤；本发明双光束激光阱的可调谐局域空心光束光镊系统为光镊系统的应用提出了新的可调谐思路，解决了现有系统光镊装置的局限性。
附图说明
图1为本发明实施例的整体结构图；
图2为图1中光束整形组件结构示意图；
图3为图1中的第一双锥透镜结构图；
图4为图1中相向传播的空心光束产生局域空心光束的结构图；
图5为本发明实施例中可调谐局域空心光束直观结构示意图。
其中，1-激光源；2-非球面镜；3-第一柱面镜；4-第二柱面镜；5-分光棱镜；6-第一反射镜；7-第一双锥透镜；8-第一抛物曲面镜；9-第二抛物曲面镜；10-第二双锥透镜；11-第二反射镜；12-第三反射镜；13-局域空心光束。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多种”或“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参见图1，图1为本发明一个实施例的双光束激光阱的可调谐局域空心光束光镊系统的整体结构示意图，包括激光源1、光束整形组件、分光组件、反射镜组件、空心光束生成组件和空心光束会聚组件。
所述激光源1可采用边发射式半导体激光器，在本实施例中，边发射式半导体激光器为670nm的连续激光器，选取的半导体激光器慢轴发散角10°，快轴发散角40°，功率选取在300mW左右即可，在保证双势阱产生的同时，能够提高足够大的捕获力。
参见图1和图2，所述光束整形组件包括沿光束入射方向依次设置的非球面镜2、第一柱面镜3和第二柱面镜4。所述非球面镜2放置在半导体激光器后2.83mm距离处，第一柱面镜3和第二柱面镜4之间的距离为其二者焦距之和。
所述分光组件包括分光棱镜5。
所述反射镜组件包括第一反射镜6、第二反射镜11和第三反射镜12。
所述空心光束成长组件包括第一双锥透镜7和第二双锥透镜10，所述第一双锥透镜7和第二双锥透镜10锥顶相对设置。
所述空心光束会聚组件包括第一抛物曲面镜8和第二抛物曲面镜9，所述第一抛物曲面镜8和第二抛物曲面镜9位于第一双锥透镜7和第二双锥透镜10之间，且第一双锥透镜7和第二双锥透镜10对称设置，所述第一抛物曲面镜8的光轴和第一双锥透镜7的光轴在一条直线上。
所述激光源1发出的光束经过光束整形组件进行整形，先用非球面镜2准直光束，然后利用第一柱面镜3和第二柱面镜4把慢轴方向扩束，进而将椭圆光斑(沿光轴传播的光束的截面处)整形为圆光斑；整形后的光束经过分光棱镜5，分光棱镜5将光束分为第一光束和第二光束，第一光束通过45°设置的第一反射镜6偏转90°，第二光束通过第二反射镜11和第三反射镜12进行偏转，实现第一光束和第二光束方向相向，第一光束和第二光束分别经过第一双锥透镜7和第二双锥透镜10后，再分别经过第一抛物曲面镜8和第二抛物曲面镜9，第一抛物曲面镜8和第二抛物曲面镜9分别对两束光束进行会聚，经过第一抛物曲面镜8和第二抛物曲面镜9会聚后的光束形成可调谐的局域空心光束13。
参见图1和图3，所述第一双锥透镜7的一端为凹锥，另一端为凸锥，所述凹锥的曲率半径和面型与凸锥的保持一致；所述第二双锥透镜10与第一双锥透镜7的参数相同。
参见图4，图4为图1中相向传播的空心光束产生局域空心光束的结构图；整形后的中空光束，分别经过第一抛物曲面镜8和第二抛物曲面镜9进行反射会聚，形成完整的局域空心光束13，根据局域空心光束的光场强度分布，来相应优化抛物曲面的曲率半径值，在保证双势阱的局域空心光束13产生的同时，能够提高足够大的捕获力。
参见图5，图5为本发明实施例中可调谐局域空心光束直观结构示意图。通过调控第一抛物曲面镜8、第二抛物曲面镜9之间的间距，来进行局域空心光束的尺寸和光场受力的重新分配，从而形成可调谐的局域空心光束13，便于对不同粒子进行捕捉与操控。
本发明提供的实施例中，具体地，非球面镜2、第一柱面镜3、第二柱面镜4、第一双锥透镜7和第二双锥透镜10、第一抛物曲面镜8和第二抛物曲面镜9的参数如下：
非球面镜2的面型conic系数为-0.337，设计材料为H-LAK54，非球面镜2的前表面的曲率半径为42.19mm，后表面的曲率半径为-3.50mm；
第一柱面镜3，设计材料为N-BK7，其前表面曲率半径为4mm，后表面为平面；
第二柱面镜4，设计材料为N-BK7，其前表面为平面，后表面的曲率半径为7.8mm；
第一双锥透镜7和第二双锥透镜10的参数设置相同，设计材料为N-BK7，凹锥表面和凸锥表面曲率半径为-0.05mm；
第一抛物曲面镜8和第二抛物曲面镜9参数设置相同，设计材料为PMMA，conic系数-1，曲率半径值设计范围为2.5mm-4mm。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (6)

1.一种双光束激光阱的可调谐局域空心光束光镊系统，其特征在于：
包括激光源(1)、光束整形组件、分光组件、反射镜组件、空心光束生成组件和空心光束会聚组件；
所述空心光束成长组件包括第一双锥透镜(7)和第二双锥透镜(10)，所述第一双锥透镜(7)和第二双锥透镜(10)锥顶相对设置；所述第一双锥透镜(7)的一端为凹锥，另一端为凸锥，所述凹锥的曲率半径和面型与凸锥的保持一致；所述第二双锥透镜(10)与第一双锥透镜(7)的参数相同；
所述空心光束会聚组件包括第一抛物曲面镜(8)和第二抛物曲面镜(9)，所述第一抛物曲面镜(8)和第二抛物曲面镜(9)位于第一双锥透镜(7)和第二双锥透镜(10)之间，且第一双锥透镜(7)和第二双锥透镜(10)对称设置，所述第一抛物曲面镜(8)的光轴和第一双锥透镜(7)的光轴在一条直线上；
所述激光源(1)发出的光束经过光束整形组件进行整形；整形后的光束经过分光组件，分光组件将光束分为第一光束和第二光束，第一光束和第二光束分别经过反射镜组件后入射第一双锥透镜(7)和第二双锥透镜(10)，再分别经过第一抛物曲面镜(8)和第二抛物曲面镜(9)，第一抛物曲面镜(8)和第二抛物曲面镜(9)分别对两束光束进行会聚，经过第一抛物曲面镜(8)和第二抛物曲面镜(9)会聚后的光束形成可调谐的局域空心光束。
2.根据权利要求1所述的双光束激光阱的可调谐局域空心光束光镊系统，其特征在于：所述光束整形组件包括沿光束入射方向依次设置的非球面镜(2)、第一柱面镜(3)和第二柱面镜(4)。
3.根据权利要求2所述的双光束激光阱的可调谐局域空心光束光镊系统，其特征在于：所述分光组件包括分光棱镜(5)。
4.根据权利要求3所述的双光束激光阱的可调谐局域空心光束光镊系统，其特征在于：所述激光源(1)为半导体激光器。
5.根据权利要求4所述的双光束激光阱的可调谐局域空心光束光镊系统，其特征在于：激光源(1)为边发射式半导体激光器。
6.根据权利要求5所述的双光束激光阱的可调谐局域空心光束光镊系统，其特征在于：所述非球面镜(2)放在激光源(1)后2.83mm距离处，第一柱面镜(3)和第二柱面镜(4)之间的距离为其二者焦距之和。
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