CN109696751B - 一种产生超手性光场的光学透镜组件 - Google Patents

一种产生超手性光场的光学透镜组件 Download PDF

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Abstract

本发明涉及应用光学领域的一种产生超手性光场的光学透镜组件,包括圆锥体光束反射块、光束准直块、光学玻璃平板和光束汇聚块,入射光为螺旋径向偏振光束,本发明提出的光学透镜结构可以对入射光的传播方向进行调控,实现将所述的螺旋径向偏振光束以垂直于中心轴的方向汇聚到中心轴上,在中心轴上实现超手性光场。

Description

一种产生超手性光场的光学透镜组件
技术领域
本发明涉及应用光学领域,尤其涉及一种产生超手性光场的光学透镜结构。
背景技术
在生物体中,许多重要的分子,如氨基酸、蛋白质和核酸等都属于手性分子。这种类型的分子在三维结构上具有分子的镜像与分子本身无法重合的特性。因此手性分子一定具有互为镜像的两种构型,这两种构型的分子被称为一对对映异构体。按照手性的方向可将它们定义为左手分子和右手分子。通常情况下,对映异构体的生物活性具有很大的差别。在治疗药物的研究过程中,人们发现许多药用分子均是手性的,并且手性药物的药效具有很大差别,甚至是一种对映异构体对治疗有效,而另外一种对映异构体反而表现出生物毒性。例如手性药物沙利度胺的右手分子具有的镇静作用,可以有效缓解孕妇的妊娠反应,但其左手分子却会导致婴儿的肢体发育畸形。因此在生物化学和制药领域,有效区分同种分子的对映异构体是非常重要的研究课题。基于光学方法识别手性分子具有精度高、响应速度快、非接触测量等优点。具有圆偏振态的光束也具有手性,从而造成一对对映异构体对同一圆偏振光的响应不同,这种现象称为手性光学效应。圆偏二色特性是最常见的手性光学效应之一。
利用圆偏二色特性对分子手性的测量方法如下;首先利用左旋圆偏振光激发手性分子样品,测量得到手性分子样品的吸收为A1。然后利用右旋圆偏振光激发手性分子样品,测量得到手性分子样品的吸收为A2。最后利用手性非对称因子g=(A1-A2)/(A1+A2)作为圆偏二色信号对手性分子样品的手性进行表征,g的正负表示手性分子样品手性的方向,g绝对值表示手性分子样品手性的大小。近年来有研究就表明手性非对称因子g不仅取决于手性分子样品的手性,还与激发光场的手性有关,当激发光场的手性大于圆偏振光的手性时,可以增强圆偏二色信号(即手性非对称因子)。具有增强圆偏二色信号能力的光场被称为超手性光场。考虑到传统的圆偏二色测量采用圆偏振光进行激发,定义手性增强因子γ为相同手性分子样品在超手性光场激发下测量得到的圆偏二色信号与在圆偏振光激发下测量得到的圆偏二色信号之比,即γ=g/gCPL。Y.Tang等在《Physical Review Letters》Vol.104,2010,163901中报道了利用两束手性相反且传播方向相反的两束圆偏振光形成驻波场,在驻波场的波节处可以产生超手性光场,但是超手性光场区域的厚度仅为0.032倍的光波长,不利于将手性分子固定在超手性光场区域内。同时,由于光束能量比较分散,不利于对手性分子样品进行局部测量。
发明内容
本发明的目的是提供一种产生超手性光场的光学透镜组件,对具有螺旋相位的径向偏振光束进行汇聚,以产生高强度超手性光场,有利于对手性分子样品实现局部测量。
本发明的目的是这样实现的:一种产生超手性光场的光学透镜组件,包括如下部分:
光学玻璃平板;
回转体结构的光束准直块,该光束准直块具有与其同轴的圆锥腔以及与该圆锥腔同轴接续的圆孔,且该光束准直块的圆孔用于透入螺旋径向偏振光束的入射光,该光束准直块的圆锥腔壁面用于将反射光束进行传播方向的准直以形成准直光束;
回转体结构的光束汇聚块,该光束汇聚块具有与光束准直块相同的尺寸和结构,且上述光束准直块与光束汇聚块同轴设置并形成一虚拟的、与准直光束和入射光平行的中心轴,该光束汇聚块的圆锥腔壁面用于将准直光束汇聚到中心轴上以形成汇聚光束,所述中心轴与汇聚光束垂直相交并形成对应被测目标位置的、局域的超手性光场;以及
与中心轴同轴的圆锥体光束反射块,该圆锥体光束反射块处于光束准直块的圆锥腔中,其小端朝向光束准直块的圆孔,且其侧部圆锥面用于将入射光处理成垂直于中心轴的反射光束;
其中,所述中心轴垂直于光学玻璃平板的板面,所述光束准直块、光束汇聚块分别贴装光学玻璃平板的两板面,所述光束准直块、光束汇聚块以光学玻璃平板为准对称布置且两者的圆锥腔相对。
进一步地,所述光学玻璃平板的两板面均镀有光学增透膜。
进一步地,所述圆锥体光束反射块的大端贴装光学玻璃平板的板面。
进一步地,所述圆锥体光束反射块的轴长为12.5mm,且其大端面直径为25mm。
进一步地,所述光束准直块的圆孔孔径为25mm,其圆锥腔的大端直径为55mm。
进一步地,所述光束准直块的圆孔轴长为3mm,所述光束准直块的整体轴长为18mm。
进一步地,所述光束准直块的外径为85mm。
进一步地,所述光学玻璃平板的厚度为3mm。
本发明的有益效果在于:本发明产生超手性光场的局域在中心轴上,且光束能量集中,有利于对手性分子样品实现局部测量;本发明采用的光学透镜结构为反射式结构,相比于折射式结构的光学透镜,光波长的色散效应弱,工作波长范围更大,可广泛适用于光学领域。
附图说明
图1是本发明的结构设置示意图。
图2是本发明的实施例1中圆锥体光束反射块的尺寸图。
图3是本发明的实施例1中光束准直块的尺寸图。
图4是本发明的实施例1中光束汇聚块的尺寸图。
图5是本发明的实施例1中不同入射光束发散角θmax值的条件下光学透镜结构的汇聚光场在中心轴上的手性增强因子示意图。
图中,1为圆锥体光束反射块,2为光束准直块,3为光学玻璃平板,4为光束汇聚块,5为入射光,6为中心轴,7为反射光束,8为准直光束,9为汇聚光束。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚,下面将结合本发明实施例中的附图,对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
实施例1
如图1所示,一种产生超手性光场的光学透镜组件,包括如下部分:
光学玻璃平板3;
回转体结构的光束准直块2,该光束准直块2具有与其同轴的圆锥腔以及与该圆锥腔同轴接续的圆孔,且该光束准直块2的圆孔用于透入螺旋径向偏振光束的入射光5,该光束准直块2的圆锥腔壁面用于将反射光束7进行传播方向的准直以形成准直光束8;
回转体结构的光束汇聚块4,该光束汇聚块4具有与光束准直块2相同的尺寸和结构,且光束准直块2与光束汇聚块4同轴设置并形成一虚拟的、与准直光束8和入射光5平行的中心轴6,该光束汇聚块4的圆锥腔壁面用于将准直光束8汇聚到中心轴6上以形成汇聚光束9,中心轴6与汇聚光束9垂直相交并形成对应被测目标位置的、局域的超手性光场;以及
与中心轴6同轴的圆锥体光束反射块1,该圆锥体光束反射块1处于光束准直块2的圆锥腔中,其小端朝向光束准直块2的圆孔,且其侧部圆锥面用于将入射光5处理成垂直于中心轴6的反射光束7。
其中,上述中心轴6垂直于光学玻璃平板3的板面,光束准直块2、光束汇聚块4分别贴装光学玻璃平板3的两板面,所述光束准直块2、光束汇聚块4以光学玻璃平板3为准对称布置且两者的圆锥腔相对。
上述光学玻璃平板3的两板面均镀有光学增透膜,减少反射光的强度,从而增加透射光的强度。
上述圆锥体光束反射块1的大端贴装光学玻璃平板3的板面。
由上述结构描述可推知:本发明提出的光学透镜结构可以对螺旋径向偏振光束进行汇聚,产生高强度超手性光场,其中圆锥体光束反射块1、光束准直块2和光束汇聚块4均具有轴对称性,且全部关于中心轴6对称。
相关零件尺寸设置如下:
如图2所示,上述圆锥体光束反射块1的轴长为12.5mm,且其大端面直径为25mm;如图3所示,上述光束准直块2的圆孔孔径为25mm,其圆锥腔的大端直径为55mm,光束准直块2的圆孔轴长为3mm,光束准直块2的整体轴长为18mm,光束准直块2的外径为85mm,由于光束准直块2和光束汇聚块4具有相同的尺寸和结构,故在此略去对光束汇聚块4的尺寸描述,详见图4。
上述光学玻璃平板3的厚度为3mm。
根据矢量衍射积分公式可以计算汇聚光场中电场分量和磁场分量,利用电场分量和磁场分量可以计算超手性光场的手性增强因子,本实施例采用产生超手性光场的光学透镜对螺旋径向偏振光束(入射光5)进行汇聚以后,中心轴6上的光场分布可以利用以下公式进行计算:
Figure BDA0001988556290000061
Figure BDA0001988556290000062
其中k0为入射光5的真空波矢Z0为入射光5的真空阻抗。公式(1a)和(1b)采用柱坐标系,中心轴6沿光束传播方向定义为z轴方向,空间坐标表示为
Figure BDA0001988556290000063
Figure BDA0001988556290000064
nz定义为z轴方向单位矢量,nρ定义为径向方向单位矢量,
Figure BDA0001988556290000065
定义为角向方向单位矢量。m为螺旋径向偏振光束的拓扑荷数,A为归一化常数,θ为入射光5的发散角,θmax为入射光5的最大发散角,θmax的值由入射光5的特性决定,利用光场中电场分量和磁场分量可以通过公式(2)计算出光场的手性增强因子:
Figure BDA0001988556290000066
不同θmax值对应的汇聚光场在中心轴6上的手性增强因子如图5所示,入射光5发散角越小,产生的超手性光场的手性增强因子γ越大,在本实施例中,当θmax为1度时,手性增强因子γ=174。
以上是本发明的优选实施例,本领域普通技术人员还可以在此基础上进行各种变换或改进,在不脱离本发明总的构思的前提下,这些变换或改进都应当属于本发明要求保护范围之内。

Claims (8)

1.一种产生超手性光场的光学透镜组件,其特征在于,包括如下部分:
光学玻璃平板(3);
回转体结构的光束准直块(2),该光束准直块(2)具有与其同轴的圆锥腔以及与该圆锥腔同轴接续的圆孔,且该光束准直块(2)的圆孔用于透入螺旋径向偏振光束的入射光(5),该光束准直块(2)的圆锥腔壁面用于将反射光束(7)进行传播方向的准直以形成准直光束(8);
回转体结构的光束汇聚块(4),该光束汇聚块(4)具有与光束准直块(2)相同的尺寸和结构,且上述光束准直块(2)与光束汇聚块(4)同轴设置并形成一虚拟的、与准直光束(8)和入射光(5)平行的中心轴(6),该光束汇聚块(4)的圆锥腔壁面用于将准直光束(8)汇聚到中心轴(6)上以形成汇聚光束(9),所述中心轴(6)与汇聚光束(9)垂直相交并形成对应被测目标位置的、局域的超手性光场;以及
与中心轴(6)同轴的圆锥体光束反射块(1),该圆锥体光束反射块(1)处于光束准直块(2)的圆锥腔中,其小端朝向光束准直块(2)的圆孔,且其侧部圆锥面用于将入射光(5)处理成垂直于中心轴(6)的反射光束(7);
其中,所述中心轴(6)垂直于光学玻璃平板(3)的板面,所述光束准直块(2)、光束汇聚块(4)分别贴装光学玻璃平板(3)的两板面,所述光束准直块(2)、光束汇聚块(4)以光学玻璃平板(3)为准对称布置且两者的圆锥腔相对;
所述光束准直块(2)的圆孔与圆锥小端相接续。
2.根据权利要求1所述的一种产生超手性光场的光学透镜组件,其特征在于:所述光学玻璃平板(3)的两板面均镀有光学增透膜。
3.根据权利要求1所述的一种产生超手性光场的光学透镜组件,其特征在于:所述圆锥体光束反射块(1)的大端贴装光学玻璃平板(3)的板面。
4.根据权利要求1所述的一种产生超手性光场的光学透镜组件,其特征在于:所述圆锥体光束反射块(1)的轴长为12.5mm,且其大端面直径为25mm。
5.根据权利要求4所述的一种产生超手性光场的光学透镜组件,其特征在于:所述光束准直块(2)的圆孔孔径为25mm,其圆锥腔的大端直径为55mm。
6.根据权利要求5所述的一种产生超手性光场的光学透镜组件,其特征在于:所述光束准直块(2)的圆孔轴长为3mm,所述光束准直块(2)的整体轴长为18mm。
7.根据权利要求6所述的一种产生超手性光场的光学透镜组件,其特征在于:所述光束准直块(2)的外径为85mm。
8.根据权利要求7所述的一种产生超手性光场的光学透镜组件,其特征在于:所述光学玻璃平板(3)的厚度为3mm。
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