CN109683331A - 一种基于双焦透镜的多局域空心光束光镊系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及了应用光学技术领域，尤其涉及一种基于双焦透镜的多局域空心光束光镊系统，包括沿光线传播方向依次设置的激光源、扩束系统组件、双焦透镜、轴棱锥；所述激光源发出的激光经过扩束系统组件后，入射到双焦透镜发生折射，之后通过轴棱锥会聚，最后形成多局域空心光束激光阱。本发明为多局域空心光束的产生提供了有效途径和方法，本发明为光镊系统的囚禁、冷却粒子和多重操作的应用提出了新的思路，解决了现有系统光镊装置的局限性，可实现系统操作简单、快捷、稳定。

Description

一种基于双焦透镜的多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，尤其涉及一种基于双焦透镜的多局域空心光束光镊系统。
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。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。这些特性使得空心光束在激光囚禁与冷却、光学镊子、玻色-爱因斯坦凝聚、光学测量、计算全息等方面有其独特应用。其中以激光微束光阱效应为基础的光镊技术是生命科学和生物工程研究的有力工具。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，局域空心光束的生成已有很多报道，如光学全息法、贝塞尔光相干法、贝塞尔光聚焦法等，但大多都是形成单个局域空心光阱，因此限制了系统的操作多样性和稳定性。对于不同粒子同时进行操纵和同一粒子进行不同操纵，存在着一些困难，例如需要更换装置、结构复杂、造价昂贵的问题。
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焦透镜的多局域空心光束光镊系统，该系统具有结构简单、便于操作、成本较低的优点，使用多个局域空心光阱，可大幅度提高局域空心光束囚禁粒子的利用效率，便于对粒子多重操作，提高对环境中微粒的操纵性。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于双焦透镜的多局域空心光束光镊系统，其特殊之处在于：
包括沿光线传播方向依次设置的激光源、扩束系统组件、双焦透镜、轴棱锥；
所述激光源发出的激光经过扩束系统组件后，入射到双焦透镜发生折射，之后通过轴棱锥会聚折射，最后形成多局域空心光束激光阱。
进一步地，上述双焦透镜为由同一界面上不同半径区域产生不同曲率半径的双焦透镜。
进一步地，上述所述双焦透镜的内部组件的半径分别为45mm和35mm，其厚度10mm，净孔径为20mm，边缘孔径为20mm，材料均为BK7。
进一步地，上述扩束系统组件包括平凹透镜和平凸透镜，扩束倍率7X。
进一步地，上述平凹透镜中凹面的曲率半径为-5mm，厚度为0.5mm；平凸透镜中凸面的曲率半径为-25mm，厚度为2.9mm。材料为BK7。
进一步地，上述轴棱锥的底角为6°，锥面的曲率半径为-5×10-4mm，材料为BK7。
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XL850VCSEL型号的半导体激光器，其波长为850nm。
本发明的优点：
本发明为多局域空心光束的产生提供了有效途径和方法：一方面可以利用局域空心光束的三维暗区域，对微粒进行无损伤操纵，不必担心光线损害粒子，适用于大部分的细胞、微粒的捕获、操纵工作；另一方面可以利用多个局域空心光束，对多种微粒同时进行操纵或对同一粒子进行不同操纵，大大提高了系统的利用效率；本发明为光镊系统的应用提出了新的思路，解决了现有系统光镊装置的局限性，可实现系统操作简单、快捷、稳定。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于双焦透镜的多局域空心光束光镊系统的整体结构示意图；
图2为图1中扩束系统组件的结构图；
图3为图1中双焦透镜的结构示意图；
图4为图1中形成的四局域空心光阱示意图。
其中，1-激光源；2-扩束系统组件；3-双焦透镜；4-轴棱锥；201-平凹透镜；202-平凸透镜。
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。
参见图1-图4，一种基于双焦透镜的多局域空心光束光镊系统，包括沿光线传播方向依次设置的激光源1、扩束系统组件2、双焦透镜3、轴棱锥4。
所述激光源1发出的激光经过扩束系统组件2后，入射到双焦透镜3发生折射，之后通过轴棱锥4会聚折射，最后形成多局域空心光束激光阱。
作为本发明较佳的一个实施例，所述激光源1为半导体激光器；所述扩束系统组件2包括平凹透镜201和平凸透镜202；所述双焦透镜3为由同一界面上不同半径区域产生不同曲率半径的双焦透镜；
优选地，所述激光源1为XL850VCSEL半导体激光器，其波长为850nm，具有体积小、圆形输出光斑、单纵模输出、阈值电流小、价格低廉、易集成为大面积阵列等优点。
优选地，所述平凹透镜201中凹面的曲率半径为-5mm，厚度为0.5mm；平凸透镜202中凸面的曲率半径为-25mm，厚度为2.9mm。材料为BK7。
优选地，所述双焦透镜3的内部组件的半径分别为45mm和35mm。厚度为10mm。净孔径为20mm。边缘孔径为20mm。材料为BK7。
优选地，所述轴棱锥4的底角为6°。锥面的曲率半径为-5×10-4mm，玻璃为BK7。
首先使用波长为850nm的VCSEL半导体激光器输出激光，激光分别经过平凹透镜201和平凸透镜202扩束，再经过双焦透镜，由于不同半径区域有着不同的曲率半径，所以激光光束折射不同，再通过轴棱锥4聚焦，最后会聚形成四个局域空心光阱。
使用时，多个局域空心光束用于形成多个光镊三维梯度光场，进行多重粒子捕捉与操控。
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)

1.一种基于双焦透镜的多局域空心光束光镊系统，其特征在于：
包括沿光线传播方向依次设置的激光源(1)、扩束系统组件(2)、双焦透镜(3)、轴棱锥(4)；
所述激光源(1)发出的激光经过扩束系统组件(2)后，入射到双焦透镜(3)发生折射，之后通过轴棱锥(4)会聚折射，最后形成多局域空心光束激光阱。
2.根据权利要求1所述的一种基于双焦透镜的多局域空心光束光镊系统，其特征在于：所述双焦透镜(3)为由同一界面上不同半径区域产生不同曲率半径的双焦透镜。
3.根据权利要求2所述的一种基于双焦透镜的多局域空心光束光镊系统，其特征在于：所述双焦透镜(3)的内部组件的半径分别为45mm和35mm，其厚度为10mm，净孔径为20mm，边缘孔径为20mm，材料为BK7。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于双焦透镜的多局域空心光束光镊系统，其特征在于：扩充透镜组件包括平凹透镜(201)和平凸透镜(202)。
5.根据权利要求4所述的一种基于双焦透镜的多局域空心光束光镊系统，其特征在于：所述平凹透镜(201)中凹面的曲率半径为-5mm，厚度为0.5mm；平凸透镜(202)中凸面的曲率半径为-25mm，厚度为2.9mm，平凹透镜(201)和平凸透镜(202)的材料均为BK7。
6.根据权利要求1-3任一所述的一种基于双焦透镜的多局域空心光束光镊系统，其特征在于：所述轴棱锥(4)的底角为6°，锥面的曲率半径为-5×10-4mm，材料为BK7。
7.根据权利要求1-3任一所述的一种基于双焦透镜的多局域空心光束光镊系统，其特征在于：激光源(1)为半导体激光器。
8.根据权利要求7所述的一种基于双焦透镜的多局域空心光束光镊系统，其特征在于：所述激光源(1)为XL850VCSEL型号的半导体激光器，其波长为850nm。
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