CN109633916B - 一种基于bar条的阵列局域空心光束系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了应用光学技术、光束整形领域以及粒子囚禁领域，尤其涉及一种基于bar条的阵列局域空心光束系统，包括激光源、光束整形组件、空心光束生成组件和三棱镜；激光源包括至少两个激光二极管bar条；空心光束生成组件包括双锥阵列透镜；激光源发出光束，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；整形后的光束经过其各自对应的空心光束生成组件，形成多条平行传输的阵列空心光束，多条平行传输的阵列空心光束再经过三棱镜折射会聚形成阵列局域空心光束的激光阱。本发明结构简单、便于操作，为阵列局域空心光束系统的应用提出了新的设计思路。

Description

一种基于bar条的阵列局域空心光束系统
技术领域
本发明涉及了应用光学技术、光束整形领域以及粒子囚禁领域，尤其涉及一种基于bar条的阵列局域空心光束系统。
背景技术
局域空心光束是一束在传播轴向上存在光强度极小值(或为零)的空间区域、同时其周围区域完全被高强度的光所包围的特种空心光束。目前局域空心光束可作为光镊和光学扳手等现代粒子操纵工具；特别是在现代生物科学领域有着重要的应用，作为光镊，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，对于局域空心光束的研究一直都受到重视。随着半导体激光器在激光加工、医疗、军事等领域已发挥重大的作用，针对应用半导体激光器光源产生局域空心光束显得十分重要。半导体激光器输出光的功率密度大，形成的局域空心光束的光捕获效率高。
目前，现有的产生局域空心光束系统，大多数系统都是产生单局域空心光束；而对于产生阵列局域空心光束研究较少。
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bar条的阵列局域空心光束系统，本系统采用简单的光学系统设计结构，利用激光二极管bar条便于微型化和集成化的特点，采用其作为光源产生阵列局域空心光束，阵列局域空心光束可以提供多粒子的同时捕获与操作，最大程度提供其系统操作效率。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于bar条的阵列局域空心光束系统，其特殊之处在于：
包括激光源、光束整形组件、空心光束生成组件和三棱镜；
所述激光源包括至少两个激光二极管bar条，每个激光二极管bar条包括多个发光单元；
所述空心光束生成组件包括双锥透镜阵列单元，所述双锥透镜阵列单元的数量与激光二极管bar条的数量相同；所述每个双锥透镜阵列单元包括多个双锥透镜，多个双锥透镜与激光二极管bar条的发光单元一一对应；
所述激光源发出光束，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；整形后的光束经过其各自对应的空心光束生成组件，形成多条平行传输的阵列空心光束，多条平行传输的阵列空心光束再经过三棱镜折射会聚形成阵列局域空心光束的激光阱。
进一步地，上述激光二极管bar条包括19个管芯，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)，19个管芯按慢轴方向线阵排开，管芯间距0.5mm。
进一步地，上述双锥透镜为“双凸”结构，大小锥表面的曲率半径的值和面型保持一致。
进一步地，上述光束整形组件包括快轴准直镜、慢轴准直镜阵列单元，快轴准直镜、慢轴准直镜阵列单元的数量与激光二极管bar条的数量相同，慢轴准直镜阵列单元内的慢轴准直镜与激光二极管bar条的发光单元一一对应。
进一步地，上述双锥透镜的材料为F_SILICA，长度为10.26mm,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，双锥透镜顶角为90°。
进一步地，上述快轴准直镜的材料为S-TIH53，长度为12.0mm，宽度为1.5mm，厚度为1.5mm，有效焦距为0.91mm，后焦距为0.09mm，数值孔径为NA0.8。
进一步地，上述慢轴准直镜的材料为S-TIH53，长度为12.0mm，宽度为1.5mm，厚度为0.55mm，有效焦距为2.88mm，后焦距为2.58mm，数值孔径为NA 0.065，节距为0.5mm，曲率半径为2.37mm。
本发明的优点：
本发明将激光二极管bar条作为光源，光束准直整形系统后，光束透过双锥透镜阵列单元产生多束阵列的空心光束，后经过三棱镜形成阵列局域空心光束；本发明改善了单局域空心光束对粒子操作数量少的现象，实现相同功率下对多微粒的操控；同时，本发明装置的结构简单、便于操作，为阵列局域空心光束系统的应用提出了新的设计思路。
附图说明
图1为本发明提供的一个实施例基于bar条的阵列局域空心光束系统的整体结构示意图；
图2为图1的立体结构图；
图3为本发明提供的实施例中激光二极管bar条光束整形结构示意图；
图4为本发明提供的实施例中激光二极管bar条光束整形后光斑示意图；
图5为本发明提供的实施例中双锥阵列透镜的设计结构图；
图6为本发明提供的实施例中准直光束经过双锥阵列透镜后光斑示意图；
图7为本发明提供的实施例中两束阵列空心光束经过三棱镜会聚形成的阵列局域空心光束示意图。
其中，1-第一激光二极管bar条；2-第二激光二极管bar条；3-第一快轴准直镜；4-第二快轴准直镜；5-第一慢轴准直镜阵列单元；6-第二慢轴准直镜阵列单元；7-第一双锥透镜阵列单元；8-第二双锥透镜阵列单元；9-三棱镜；10-双锥透镜。
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。
一种基于bar条的阵列局域空心光束系统，包括激光源、光束整形组件、空心光束生成组件和三棱镜9；所述激光源包括至少两个激光二极管bar条，每个激光二极管bar条包括多个发光单元。
所述空心光束生成组件包括双锥透镜阵列单元，所述双锥透镜阵列单元的数量与激光二极管bar条的数量相同；所述每个双锥透镜阵列单元包括多个双锥透镜，多个双锥透镜与激光二极管bar条的发光单元一一对应。
所述激光源发出光束，经过光束整形组件进行整形(参见图3)，所述整形是指对光束进行准直；整形后的光束经过其各自对应的空心光束生成组件，形成多条平行传输的阵列空心光束(参见图6)，多条平行传输的阵列空心光束再经过三棱镜9折射会聚形成阵列局域空心光束的激光阱。
上述光束整形组件包括快轴准直镜、慢轴准直镜阵列单元，快轴准直镜、慢轴准直镜阵列单元的数量与激光二极管bar条的数量相同，慢轴准直镜阵列单元内的慢轴准直镜与激光二极管bar条的发光单元一一对应。
参见图1、2，图1为本发明一个实施例的整体结构示意图，图2为图1的立体结构图。
本实施例中，激光二极管bar条的数量为两条，分别为第一激光二极管bar条1和第二激光二极管bar条2，二者参数相同，包括19个管芯，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)，19个管芯按慢轴方向线阵排开，管芯间距0.5mm。
本实施例中，光束整形组件的数量为两个，第一个光束整形组件包括第一快轴准直镜3和第一慢轴准直镜阵列单元5，第二个光束整形组件包括第二快轴准直镜4和第二慢轴准直镜阵列单元6。参见图2-图4，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。
第一快轴准直镜3和第二快轴准直镜4的参数相同，其材料为S-TIH53，长度为12.0mm，宽度为1.5mm，厚度为1.5mm，有效焦距为0.91mm，后焦距为0.09mm，数值孔径为NA0.8。
第一慢轴准直镜阵列单元5和第二慢轴准直镜阵列单元6的参数相同，其材料为S-TIH53，长度为12.0mm，宽度为1.5mm，厚度为0.55mm，有效焦距为2.88mm，后焦距为2.58mm，数值孔径为NA 0.065，节距为0.5mm，曲率半径为2.37mm。
本实施例中，双锥阵列透镜包括两个双锥阵列透镜，分别为第一双锥透镜阵列单元7和第二双锥透镜阵列单元8，每个双锥透镜阵列单元包括多个双锥透镜10(参见图5)，所有双锥透镜10参数相同，双锥透镜10为“双凸”结构，大小锥表面的曲率半径的值和面型保持一致。
进一步地，上述双锥透镜10的材料为F_SILICA，长度为10.26mm,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，双锥透镜10顶角为90°。
在本实施例中，如图6所示为准直光束经过双锥阵列透镜后光斑示意图。
在本实施例中，如图7所示，整形后的两个阵列空心光束，经过三棱镜9折射会聚后，形成由19个局域空心光束组成的阵列局域空心光束。该系统形成的阵列局域空心光束，便于对多粒子进行捕捉与操控。
本实施例中只提供了一个双激光二极管bar条的阵列局域空心光束系统，具体应用时，可根据实际情况进行扩展，例如：激光二极管bar条的数量可以4、6、8等偶数条，激光二极管bar条内的发光单元数量也可以根据实际需要来确定，快轴准直镜、慢轴准直镜、双锥透镜以及三棱镜可以根据激光二极管bar条、发光单元数量来确定。
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 (6)

1.一种基于bar条的阵列局域空心光束系统，其特征在于：
包括激光源、光束整形组件、空心光束生成组件和三棱镜；
所述激光源包括至少两个激光二极管bar条，每个激光二极管bar条包括多个发光单元；
所述空心光束生成组件包括双锥透镜阵列单元，所述双锥透镜阵列单元的数量与激光二极管bar条的数量相同；所述每个双锥透镜阵列单元包括多个双锥透镜，多个双锥透镜与激光二极管bar条的发光单元一一对应；所述双锥透镜为“双凸”结构，两个锥表面的曲率半径的值和面型保持一致；
所述激光源发出光束，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；整形后的光束经过其各自对应的空心光束生成组件，形成多条平行传输的阵列空心光束，多条平行传输的阵列空心光束再经过三棱镜折射会聚形成阵列局域空心光束的激光阱。
2.根据权利要求1所述的基于bar条的阵列局域空心光束系统，其特征在于：所述激光二极管bar条包括19个管芯，单个管芯发光面尺寸大约为1×100um，快轴发散角大约为30度，慢轴发散角大约为10度，19个管芯按慢轴方向线阵排开，管芯间距0.5mm。
3.根据权利要求1或2所述的基于bar条的阵列局域空心光束系统，其特征在于：所述光束整形组件包括快轴准直镜、慢轴准直镜阵列单元，快轴准直镜、慢轴准直镜阵列单元的数量与激光二极管bar条的数量相同，慢轴准直镜阵列单元内的慢轴准直镜与激光二极管bar条的发光单元一一对应。
4.根据权利要求3所述的基于bar条的阵列局域空心光束系统，其特征在于：所述双锥透镜的材料为F_SILICA，长度为10.26mm,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，双锥透镜顶角为90°。
5.根据权利要求4所述的基于bar条的阵列局域空心光束系统，其特征在于：所述快轴准直镜的材料为S-TIH53，长度为12.0mm，宽度为1.5mm，厚度为1.5mm，有效焦距为0.91mm，后焦距为0.09mm，数值孔径为NA0.8。
6.根据权利要求5所述的基于bar条的阵列局域空心光束系统，其特征在于：所述慢轴准直镜的材料为S-TIH53，长度为12.0mm，宽度为1.5mm，厚度为0.55mm，有效焦距为2.88mm，后焦距为2.58mm，数值孔径为NA 0.065，节距为0.5mm，曲率半径为2.37mm。
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