CN109613708B - 一种基于双光束结构的局域空心四阱系统 - Google Patents

一种基于双光束结构的局域空心四阱系统 Download PDF

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Abstract

本发明涉及了应用光学技术、光束整形领域以及生物操控领域，尤其涉及一种基于双光束结构的局域空心四阱系统，包括激光源、光束整形组件、空心光束生成组件、分光组件和反射镜组件；所述空心光束生成组件包括第一双锥空心整形透镜和第二双锥空心整形透镜；激光源出射的激光经过光束整形组件进行光束准直整形，准直整形后入射的激光束经过空心光束生成组件被分成双空心光束，双空心光束通过分光组件分成两束双空心光束后，通过反射镜组件反射后，形成可调谐的局域空心四阱结构的激光阱。本发明结构简单、便于操作、成本较低，并且拓展了光学捕获微粒的适用性。

Description

一种基于双光束结构的局域空心四阱系统
技术领域
本发明涉及了应用光学技术、光束整形领域以及生物操控领域，尤其涉及一种基于双光束结构的局域空心四阱系统。
背景技术
在空心光束中有一类特殊的种类引起广泛关注，在传播方向上存在着光强极小甚至为零的三维封闭区域，像一个特殊的密闭容器，称之为局域空心光束(bottle beam)。局域空心光束具备很多新颖且独特的特性，如桶状光强分布、自旋角动量和轨道角动量、暗斑尺寸小和无加热效应等。这些新颖的物理特性使得局域空心光束在激光冷却和囚禁、光学镊子、微观粒子(生物细胞、原子、分子和电介质粒子)操控等方面发挥了巨大潜能并具有广阔的应用前景。特别是在现代生物科学领域有着重要的应用，局域空心光束光镊由于其本身具有非接触、低损伤的优点已经被成功应用于活体细胞、亚细胞层次微粒的操纵。因此，如何方便简洁的获取合适尺寸的局域空心光束成为近年来的一个研究热点。
局域空心四阱，其结构设计灵活可调，这使得它具有捕获粒子的多样性及适用性。此种结构为产生可调局域空心四阱提供了一种非常有效而简便的办法。目前，对局域空心四阱光束研究较少，现有的局域空心光束可调谐系统结构复杂，其调谐系统的操纵不方便。同时，对于不同尺寸粒子，需要更换不同的装置进行捕获，费用较高。
发明内容
为解决上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种基于双光束结构的局域空心四阱系统，该系统结构简单、便于操作、成本较低，拓展了光学捕获微粒的适用性。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于双光束结构的局域空心四阱系统，其特殊之处在于：
包括激光源、光束整形组件、空心光束生成组件、分光组件和反射镜组件；
所述空心光束生成组件包括第一双锥空心整形透镜和第二双锥空心整形透镜；
所述激光源发出第一光束和第二光束，第一光束和第二光束经过光束整形组件进行整形，所述整形是指对第一光束和第二光束进行准直；整形后的光束经过空心光束生成组件，第一光束经过第一双锥空心整形透镜后被分成第一空心光束，第二光束经过第二双锥空心整形透镜后被分成第二空心光束；第一空心光束、第二空心光束共同组成双空心光束，双空心光束经过分光组件后分为：沿第一方向传播的第一双空心光束；沿第二方向传播的第二双空心光束；沿第一方向传播的第一双空心光束与沿第二方向传播的第二双空心光束分别经过反射镜组件反射后相交，形成可调谐的局域空心四阱光束。
进一步地，上述光束整形组件包括快轴准直镜、慢轴准直镜。
进一步地，上述分光组件包括分光棱镜。
进一步地，上述反射镜组件包括第一反射镜和第二反射镜。
进一步地，上述第一双锥空心整形透镜和第二双锥空心整形透镜的结构相同，第一双锥空心整形透镜的材料为F_SILICA，长度为1.08mm，宽度为0.54mm，厚度为1.15mm，前表面与后表面的曲率半径分别为-0.00001mm和0.00001mm，顶角为90°。
进一步地，上述激光源为双管半导体激光器。
进一步地，上述快轴准直镜的材料为S-TIH53，长度为0.75mm，宽度为0.75mm，厚度为1.5mm，有效焦距为0.91mm，后焦距为0.09mm，曲率半径为-0.88mm。
进一步地，上述慢轴准直镜的材料为S-TIH53，长度为1mm，宽度为1.5mm，厚度为0.55mm，有效焦距为2.88mm，后焦距为2.58mm，节距为0.5mm，曲率半径为2.37mm。
本发明的优点：
本发明将一束激光经过光束整形系统后，两个双空心光束复合形成局域空心四阱光束，该局域空心四阱光束的尺寸可由两个反射镜精确调控，进而利用该尺寸可调的局域空心四阱光束对微粒进行三维操纵；同时，本发明具有结构简单、便于操作的优点。
附图说明
图1为本发明实施例提供的整体结构图；
图2为图1中双管半导体激光器光束准直空心整形结构示意图；
图3为图1中双管半导体激光器光束准直空心整形光斑示意图；
图4为图1中的双锥空心整形透镜结构图；
图5为图1中可调谐局域空心四阱光束直观示意图。
其中，1-激光源；2-快轴准直镜；3-慢轴准直镜；401-第一双锥空心整形透镜；402-第二双锥空心整形透镜；5-分光棱镜；6-第一反射镜；7-第二反射镜。
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基于双光束结构的局域空心四阱系统的整体结构示意图，包括激光源1、光束整形组件、空心光束生成组件、分光组件和反射镜组件。所述空心光束成长组件包括第一双锥空心整形透镜401和第二双锥空心整形透镜402。
所述激光源1发出第一光束和第二光束，第一光束和第二光束经过光束整形组件进行整形，所述整形是指对第一光束和第二光束进行准直；整形后的光束经过空心光束生成组件，第一光束经过第一双锥空心整形透镜401后被分成第一空心光束，第二光束经过第二双锥空心整形透镜402后被分成第二空心光束；第一空心光束、第二空心光束构成双空心光束，双空心光束经过分光组件后分为：沿第一方向传播的第一双空心光束；沿第二方向传播的第二双空心光束；沿第一方向传播的第一双空心光束与沿第二方向传播的第一双空心光束分别经过反射镜组件反射后相交，形成可调谐的局域空心四阱光束。
在本实施例中，激光源1为双管半导体激光器，波长808nm，单个管芯发光面尺寸大约为1×100um，快轴发散角大约为30度(1um方向)，慢轴发散角大约为10度(100um方向)，管芯间距0.5mm。双管半导体激光器为min-bar芯片切割而成的双点短bar条作为整形光源的基础单元。
所述分光组件为分光棱镜5。
在本实施例中，图2为双管半导体激光器的出射光束准直空心整形示意图，先用快轴准直镜对快轴光束进行优化准直，然后利用慢轴准直镜对慢轴光束进行优化准直，进而将椭圆光斑整形为圆光斑。
在本实施例中，如图3所示为双管半导体激光器的出射光束准直空心整形后光斑示意图。
快轴准直镜2和慢轴准直镜3设置参数如下：
快轴准直镜2：材料S-TIH53，长度0.75mm，宽度0.75mm，厚度1.5mm，有效焦距0.91mm，后焦距0.09mm，曲率半径-0.88mm。
慢轴准直镜3：材料S-TIH53，长度1mm，宽度1.5mm，厚度0.55mm，有效焦距2.88mm，后焦距2.58mm，节距0.5mm，曲率半径2.37mm。
所述第一双锥空心整形透镜401和第二双锥空心整形透镜402的结构相同，“双凸”结构，大小锥表面的曲率半径大小和面型保持一致。
参见图4，第一双锥空心整形透镜401的材料为F_SILICA，长度为1.08mm，宽度为0.54mm，厚度为1.15mm，前表面与后表面的曲率半径分别为-0.00001mm和0.00001mm，顶角为90°。
在本实施例中，如图5所示，通过调控第一反射镜6和第二反射镜7的偏转角度，来控制两个双空心光束之间的夹角，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四阱光束，便于对不同多粒子进行捕捉与操控。
以上所述仅为本发明的实施例，并非以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 (8)

1.一种基于双光束结构的局域空心四阱系统，其特征在于：
包括激光源(1)、光束整形组件、空心光束生成组件、分光组件和反射镜组件；
所述空心光束成长组件包括第一双锥空心整形透镜(401)和第二双锥空心整形透镜(402)；
所述激光源(1)发出第一光束和第二光束，第一光束和第二光束经过光束整形组件进行整形，所述整形是指对第一光束和第二光束进行准直；整形后的光束经过空心光束生成组件，第一光束经过第一双锥空心整形透镜(401)后被分成第一空心光束，第二光束经过第二双锥空心整形透镜(402)后被分成第二空心光束；第一双空心光束、第二双空心光束构成双空心光束，双空心光束经过分光组件后分为：沿第一方向传播的第一双空心光束；沿第二方向传播的第二双空心光束；沿第一方向传播的第一双空心光束与沿第二方向传播的第二双空心光束分别经过反射镜组件反射后相交，形成可调谐的局域空心四阱光束。
2.根据权利要求1所述的基于双光束结构的局域空心四阱系统，其特征在于：所述反射镜组件包括第一反射镜(6)和第二反射镜(7)。
3.根据权利要求2所述的基于双光束结构的局域空心四阱系统，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1至3任一所述的基于双光束结构的局域空心四阱系统，其特征在于：所述光束整形组件包括快轴准直镜(2)、慢轴准直镜(3)。
5.根据权利要求4所述的基于双光束结构的局域空心四阱系统，其特征在于：所述第一双锥空心整形透镜(401)和第二双锥空心整形透镜(402)的结构相同，第一双锥空心整形透镜(401)的材料为F_SILICA，长度为1.08mm，宽度为0.54mm，厚度为1.15mm，前表面与后表面的曲率半径分别为-0.00001mm和0.00001mm，顶角为90°。
6.根据权利要求5所述的基于双光束结构的局域空心四阱系统，其特征在于：所述快轴准直镜(2)的材料为S-TIH53，长度为0.75mm，宽度为0.75mm，厚度为1.5mm，有效焦距为0.91mm，后焦距为0.09mm，曲率半径为-0.88mm。
7.根据权利要求6所述的基于双光束结构的局域空心四阱系统，其特征在于：所述慢轴准直镜(3)的材料为S-TIH53，长度为1mm，宽度为1.5mm，厚度为0.55mm，有效焦距为2.88mm，后焦距为2.58mm，节距为0.5mm，曲率半径为2.37mm。
8.根据权利要求7所述的基于双光束结构的局域空心四阱系统，其特征在于：激光源(1)为双管半导体激光器。
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