CN110085344B - 一种共焦光学激光阱的微结构光束调控系统 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种共焦光学激光阱的微结构光束调控系统。目前单光束限制了系统的工作距离、稳定性和与其他测量技术集成的灵活性；双光束往往会占用更多的空间，增加成本。本申请提供了一种共焦光学激光阱的微结构光束调控系统，包括依次排列的激光发出组件、激光整合组件、空心光束生成调控组件和共焦系统组件；空心光束生成调控组件包括第一轴棱锥透镜和第二轴棱锥透镜；共焦系统组件包括第一聚焦元件和第二聚焦元件；激光发出组件、激光整合组件、第一轴棱锥透镜、第二轴棱锥透镜、第一聚焦元件与第二聚焦元件依次排列；第一轴棱锥透镜与第二轴棱锥透镜锥顶对称设置。结构简单、便于对粒子的稳定限制和引导操控、成本较低。
Description
技术领域
本申请属于光学设备技术领域，特别是涉及一种共焦光学激光阱的微结构光束调控系统。
背景技术
光镊，又被称为单光束梯度力光阱，日常，我们用来挟持物体的镊子，都是有形物体，我们感觉到镊子的存在，然后通过镊子施加一定的力钳住物体。捕获微小粒子的光镊是一个特别的光场，这个光场与物体相互作用时，物体整个受到光的作用从而达到被钳的效果，然后可以通过移动光束来实现迁移物体的目的。光镊是对微小宏观粒子实现微操纵的重要手段。由于光镊具有精确定位，可实现对生物活体样品的非实体无损伤操作。经过定标的光镊系统能够实现对生物微作用力以及微小位移的定量测定。
后光镊技术迅速应用到多种生命科学和生物工程研究领域。在探索新型光镊技术过程中，一类特殊光场分布的光束形式引起了研究者的关注—局域空心微结构光束。所谓局域空心微结构光束，是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。局域空心微结构光束具备很多新颖而独特的特性，如桶状光强分布、暗斑尺寸小和无加热效应等，这些特性使得局域空心微结构光束在激光囚禁与冷却、光学镊子、玻色-爱因斯坦凝聚、光学测量和计算全息等方面有其独特应用。
目前，用于产生局域空心微结构光束系统，大多都是单光束光阱和双光束光阱产生的局域空心微结构光束。单光束限制了系统的工作距离、稳定性和与其他测量技术集成的灵活性；双光束往往会占用更多的空间，增加成本。同时对于可调性而言，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
1.要解决的技术问题
基于目前，用于产生局域空心微结构光束系统，大多都是单光束光阱和双光束光阱产生的局域空心微结构光束。单光束限制了系统的工作距离、稳定性和与其他测量技术集成的灵活性；双光束往往会占用更多的空间，增加成本。同时对于可调性而言，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，价格昂贵的问题，本申请提供了一种共焦光学激光阱的微结构光束调控系统。
2.技术方案
为了达到上述的目的，本申请提供了一种共焦光学激光阱的微结构光束调控系统，包括依次排列的激光发出组件、激光整合组件、空心光束生成调控组件和共焦系统组件；
所述空心光束生成调控组件包括第一轴棱锥透镜和第二轴棱锥透镜；
所共焦系统组件包括第一聚焦元件和第二聚焦元件；
所述激光发出组件、所述激光整合组件、所述第一轴棱锥透镜、所述第二轴棱锥透镜、所述第一聚焦元件与所述第二聚焦元件依次排列；
所述第一轴棱锥透镜与所述第二轴棱锥透镜锥顶对称设置。
可选地，所述激光发出组件为激光源，所述激光源为紧凑型激光二极管。
可选地，所述激光整合组件为圆形孔径光阑。
可选地，所述第一聚焦元件为抛物环形曲面反射镜，所述第二聚焦元件为凹面反射镜。
可选地，所述抛物环形曲面反射镜与所述凹面反射镜之间形成微结构光束陷阱。
3.有益效果
与现有技术相比，本申请提供的共焦光学激光阱的微结构光束调控系统的有益效果在于：
本申请提供的共焦光学激光阱的微结构光束调控系统，通过激光发出组件、激光整合组件、空心光束生成调控组件和共焦系统组件，空心光束生成调控组件包括第一轴棱锥透镜和第二轴棱锥透镜；共焦系统组件包括第一聚焦元件和第二聚焦元件；激光发出组件发出的光束经过激光整合组件进行遮挡，遮挡后出射的激光束入射第一轴棱锥透镜和第二轴棱锥透镜，再经过第一聚焦元件和第二聚焦元件会聚后形成共焦光学系统来获得可调节的微结构光束(空心微结构光束、空心-局域微结构光束和局域空心微结构光束)。结构简单、便于对粒子的稳定限制和引导操控，可将粒子困在其中，粒子在微结构光束陷阱中很小的区间进行运动，从而达到囚禁的作用效果；本申请中的共焦光学激光阱的微结构共焦光学激光阱的微结构光束调控系统，形成的微结构光束的尺寸变化和形貌可由第一轴棱锥透镜和第二轴棱锥透镜，抛物环形曲面反射镜和凹面反射镜精确调控，进而利用该尺寸和形状可调的微结构光束实现光镊系统中对微粒的三维操纵，利用局域空心微结构光束进行光镊操作，根据局域空心微结构光束光场特性，可以很容易地实现对粒子的稳定限制和引导。在局域空心微结构光束内部，粒子被高强度阻挡壁排斥，并且由于光作用力而被推向较低光强度区域。与限制在高强度区域的粒子相比，这将使由光加热引起的光学损伤最小化，这对于体内细胞捕获实验是特别感兴趣的；本申请中的共焦光学激光阱的微结构共焦光学激光阱的微结构光束调控系统为光镊系统的应用提出了新的尺寸与形状可调谐思路，解决了现有单光束与双光束系统光阱装置的相应局限性。
附图说明
图1是本申请的共焦光学激光阱的微结构光束调控系统整体结构示意图；
图2是本申请的空心光束生成调控组件结构示意图；
图3是本申请的共焦系统组件结构示意图一；
图4是本申请的共焦系统组件结构示意图二；
图5是本申请实施例中可调瑞利长度示意图；
图6是本申请实施例中可调谐微结构光束示意图；
图中：1-激光发出组件，2-激光整合组件，3-第一轴棱锥透镜，4-第二轴棱锥透镜，5-第一聚焦元件，6-第二聚焦元件，7-双焦空间微结构光束。
具体实施方式
在下文中，将参考附图对本申请的具体实施例进行详细地描述，依照这些详细的描述，所属领域技术人员能够清楚地理解本申请，并能够实施本申请。在不违背本申请原理的情况下，各个不同的实施例中的特征可以进行组合以获得新的实施方式，或者替代某些实施例中的某些特征，获得其它优选的实施方式。
光阑是指在光学系统中对光束起着限制作用的实体。它可以是透镜的边缘、框架或特别设置的带孔屏。其作用可分两方面，限制光束或限制视场(成像范围)大小。光学系统中限制光束最多的光阑，称为孔径光阑，限制视场(大小)最多的光阑，称为视场光阑。由上可知，孔径光阑和视场光阑两者都是实物。决定光学系统的孔径光阑的一般规则是：从物点看光阑或光阑的像，由其中张角最小的那一个，来决定光学系统的孔径光阑。如果张角最小的是某光阑的像，则该光阑本身就是孔径光阑。
参见图1～6，本发明申请提供一种共焦光学激光阱的微结构光束调控系统，包括依次排列的激光发出组件1、激光整合组件2、空心光束生成调控组件和共焦系统组件；
所述空心光束生成调控组件包括第一轴棱锥透镜3和第二轴棱锥透镜4。
所共焦系统组件包括第一聚焦元件5和第二聚焦元件6；
所述激光发出组件1、所述激光整合组件2、所述第一轴棱锥透镜3、所述第二轴棱锥透镜4、所述第一聚焦元件5与所述第二聚焦元件6依次排列；
所述第一轴棱锥透镜3与所述第二轴棱锥透镜4锥顶对称设置。第二轴棱锥透镜4与第一轴棱锥透镜3的参数相同。
进一步地，所述激光发出组件1为激光源，所述激光源为紧凑型激光二极管。
进一步地，所述激光整合组件2为圆形孔径光阑。
进一步地，所述第一聚焦元件5为抛物环形曲面反射镜，所述第二聚焦元件6为凹面反射镜。
进一步地，所述抛物环形曲面反射镜与所述凹面反射镜之间形成微结构光束(空心微结构光束、空心-局域微结构光束和局域空心微结构光束)陷阱。
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。
实施例
参见图1，图1为本申请的一个实施例，一种共焦光学激光阱的微结构光束调控系统的整体结构示意图，包括激光源、光阑、空心光束生成调控组件和共焦系统组件。
激光源可采用紧凑型激光二极管模块，在本实施例中，紧凑型激光二极管模块可采用Thorlabs的LDM670的激光模块，光斑尺寸为3.2mm*3.4mm，激光功率为5.5mW。
孔径光阑，在本实施例中，孔径光阑可采用Thorlabs的ID25SS/M的可变光阑，在本案例中需要把光阑孔径调节到2mm，即激光源经过光阑后出射2mm的圆形光斑。
本申请提供的实施例中，具体地，第一轴棱锥透镜3和第二轴棱锥透镜4、抛物环形曲面反射镜和凹面反射镜的参数如下：
第一轴棱锥透镜3和第二轴棱锥透镜4的参数设置相同，设计材料为F-SILICA，轴棱锥的折射率为nAxicon＝1.47，轴棱锥透镜锥底角为α＝20°；
抛物环形曲面反射镜参数设置，设计材料为PMMA，conic系数-1，曲率半径值Rp＝3.5mm，前开口尺寸为25mm，后开口尺寸为10mm；
凹面反射镜参数设置，设计材料为N-BK7，曲率半径值RC＝3.5mm，焦距fc＝1.25mm。
空心光束生成调控组件包括第一轴棱锥透镜3和第二轴棱锥透镜4，第一轴棱锥透镜3和第二轴棱锥透镜4锥顶相对设置；第二轴棱锥透镜4与第一轴棱锥透镜3的参数相同。轴棱锥透镜锥底角为α，入射光束经过第一轴棱锥透镜3后，光束偏折与光轴成β角，轴棱锥的折射率为nAxicon，所以空心光束的调控尺寸(Rout外侧空心半径和Rin内侧空心半径)可按以下公式进行计算：
β＝sin-1(nAxiconsinα)-α
ε＝Rin/Rout
其中D为入射激光束尺寸2mm，d＝1mm，ε是空心光束的占空比。L是第一轴棱锥透镜3和第二轴棱锥透镜4之间可以移动的距离，经详细计算，L可以从23mm到60mm移动变化，空心光束占空比ε从0.78～0.91变化。
共焦系统组件包括抛物环形曲面反射镜和凹面反射镜，经过以下公式计算可以得出聚焦后环形空心光束的聚焦因子δ以及聚焦光斑rF的具体值。
δ＝αin/αout
其中αin和αout分别是内侧和外侧空心光束经过聚焦元件后得会聚角，,凹面反射镜与抛物环形曲面镜的会聚角相同，因此经过凹面反射镜反射后聚焦光斑的变化与αin和αout分别是内侧和外侧空心光束经过聚焦元件后得会聚角，凹面反射镜与抛物环形曲面镜的反射会聚焦斑相同。经过计算聚焦因子δ变化范围为1.19～1.09，焦斑半径rF变化范围为2.8μm～4.3μm。
参见图4，把L调控的rF状态分为2.8μm-3.5μm-4.3μm的三种状态；计算这三种状态的瑞利长度，参见图5看光束传输情况。瑞利长度越长，光束平行度的范围越大。rF＝2.8μm，瑞利长度为36.76μm，lz＝30μm小于36.76μm。此时，光束大致平行地传输。当lz＝60μm和90μm时，大于瑞利长度36.76μm，并且光束超过瑞利长度。光束表现出发散状态，发散度在lz＝90μm时更明显；当rF＝3.5μm，瑞利长度为57.44μm，lz＝30μm小于57.44μm，光束平行传输；当lz＝60μm略大于瑞利长度57.44μm时，光束开始略发散。当lz＝90μm时，它大于瑞利长度57.44μm。在光束超过瑞利长度之后，光束显示出明显的发散。当rF＝4.3μm，瑞利长度为86.90μm；lz＝30μm，60μm小于86.90μm此时，光束大致平行地传输。当lz＝90μm略大于86.90μm时，光束开始略发散。类似地，通过凹面镜聚焦后的光束的具体分析与抛物面环形镜的相同。
共焦系统组件包括抛物环形曲面反射镜凹面反射镜，通过抛物面环形镜聚焦空心光束。将凹面镜放置在抛物面环形镜的位置后面，并且中空光束被重新反射和聚焦。实际上，抛物面环形镜的焦点不会与凹面镜的曲率中心(焦点)完全重叠。双焦点的焦点将产生几十或几百微米的间距LF，以形成对称的空间区域
参见图6，图6为本申请实施例中共焦光束阱可调控空心-局域空心微结构光束直观结构示意图。通过调控第一轴棱锥透镜3和第二轴棱锥透镜4之间的间距L，以及调控抛物环形曲面反射镜5与凹面反射镜6之间的距离LF，来进行局域空心光束的尺寸和光场受力的重新分配，从而形成可调的微结构光束7(空心微结构光束、空心-局域微结构光束和局域空心微结构光束)，便于对不同粒子进行捕捉与操控。
本申请提供的共焦光学激光阱的微结构光束调控系统，通过激光发出组件1、激光整合组件2、空心光束生成调控组件和共焦系统组件，空心光束生成调控组件包括第一轴棱锥透镜3和第二轴棱锥透镜4；共焦系统组件包括第一聚焦元件5和第二聚焦元件6；激光发出组件1发出的光束经过激光整合组件2进行遮挡，遮挡后出射的激光束入射第一轴棱锥透镜3和第二轴棱锥透镜4，再经过第一聚焦元件5和第二聚焦元件6会聚后形成共焦光学系统来获得可调节的空心-局域空心微结构光束。结构简单、便于对粒子的稳定限制和引导操控，可将粒子困在其中，粒子在微结构光束陷阱中很小的区间进行运动，从而达到囚禁的作用效果；本申请中的共焦光学激光阱的空心-局域空心微结构共焦光学激光阱的微结构光束调控系统，形成的微结构光束的尺寸变化和形貌可由第一轴棱锥透镜3和第二轴棱锥透镜4，抛物环形曲面反射镜和凹面反射镜精确调控，进而利用该尺寸和形状可调的微结构光束实现光镊系统中对微粒的三维操纵，利用局域空心微结构光束进行光镊操作，根据局域空心微结构光束光场特性，可以很容易地实现对粒子的稳定限制和引导。在局域空心微结构光束内部，粒子被高强度阻挡壁排斥，并且由于光作用力而被推向较低光强度区域。与限制在高强度区域的粒子相比，这将使由光加热引起的光学损伤最小化，这对于体内细胞捕获实验是特别感兴趣的；本申请中的共焦光学激光阱的空心-局域空心微结构共焦光学激光阱的微结构光束调控系统为光镊系统的应用提出了新的尺寸与形状可调谐思路，解决了现有单光束与双光束系统光阱装置的相应局限性。
尽管在上文中参考特定的实施例对本申请进行了描述，但是所属领域技术人员应当理解，在本申请公开的原理和范围内，可以针对本申请公开的配置和细节做出许多修改。本申请的保护范围由所附的权利要求来确定，并且权利要求意在涵盖权利要求中技术特征的或范围所包含的全部修改。
Claims (3)
1.一种共焦光学激光阱的微结构光束调控系统，其特征在于：包括依次排列的激光发出组件(1)、激光整合组件(2)、空心光束生成调控组件和共焦系统组件；
所述空心光束生成调控组件包括第一轴棱锥透镜(3)和第二轴棱锥透镜(4)；
所共焦系统组件包括第一聚焦元件(5)和第二聚焦元件(6)；
所述激光发出组件(1)、所述激光整合组件(2)、所述第一轴棱锥透镜(3)、所述第二轴棱锥透镜(4)、所述第一聚焦元件(5)与所述第二聚焦元件(6)依次排列；
所述第一轴棱锥透镜(3)与所述第二轴棱锥透镜(4)锥顶对称设置；所述第一聚焦元件(5)为抛物环形曲面反射镜，所述第二聚焦元件(6)为凹面反射镜；所述抛物环形曲面反射镜与所述凹面反射镜之间形成微结构光束陷阱。
2.如权利要求1所述的共焦光学激光阱的微结构光束调控系统，其特征在于：所述激光发出组件(1)为激光源，所述激光源为紧凑型激光二极管。
3.如权利要求1所述的共焦光学激光阱的微结构光束调控系统，其特征在于：所述激光整合组件(2)为圆形孔径光阑。
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