CN203894477U - 基于多模光纤的空心光束转换装置 - Google Patents

Abstract

基于多模光纤的空心光束转换装置，包括：接收来自光源的光束的聚焦透镜；设置于所述聚焦透镜后方的光纤耦合透镜，所述光纤耦合透镜的光轴与所述聚焦透镜的光轴相交，从所述聚焦透镜出射的光倾斜射入所述光纤耦合透镜；设置于所述光纤耦合透镜后的多模光纤，所述光纤耦合透镜设置于所述多模光纤输入端之前，所述多模光纤输出端的后方设置有短焦整形透镜，所述多模光纤的输出端位于所述短焦整形透镜的焦点处。本实用新型可以产生中心暗斑为全黑的空心光束，耦合效率高，得到的空心光束光斑质量好，可应用于原子导管、光镊、光扳手等设备上，避免传统实心光束对微小物体进行移位或手术操作时灼伤细胞，从而提高细胞活性。

Description

基于多模光纤的空心光束转换装置

技术领域

本实用新型属于光学技术领域，尤其涉及一种将高斯光束转换为空心光束的光束转换装置。

背景技术

光是一种特殊的物质，携带有能量和动量，光与物质相互作用时彼此交换能量和动量，产生各种效应。光与物质间交换动量时可以使受光照射的物体受到一个力或力矩，即产生光的力学效应。捕获微小粒子的光镊是利光的力学效应的典型应用。日常生活中，我们用来挟持物体的镊子都是有形物体，通过镊子施加一定的力钳住物体；而光镊是一个特别的光场，这个光场与物体相互作用时，物体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。光镊产生的激光聚集可形成光阱，微小物体受光压而被束缚在光阱处，移动光束使微小物体随光阱移动，借此可在显微镜下对微小物体(如病毒、细菌以及细胞内的细胞器及细胞组分等)进行移位或手术操作。

光镊常用来对生物细胞进行操纵，光镊产生的用于移动微小物体的光束多为实心光束，当实心光束照射在微小物体表面时，光束产生的热量会使被照射到的物体表面温度升高，容易灼伤生物细胞，降低其活性。为了避免这种现象，可将实心光束转换为空心光束，使生物细胞位于空心光束的中心暗斑处，其生物活性和本质不受操纵光的影响。如今学者们进行了很多将实心光束转换为空心光束的研究。空心光束是垂直光束传播方向上光束中心光强为零、周围光强较强的环状光束，此光束的光强分布可以对位于中心零光强处的微粒产生束缚力。产生空心光束的方法很多，如遽逝波法、计算全息图法、角锥法、空心光纤法等。其中，遽逝波法局限于介质表面，并且作用区域很小(μm量级)；计算全息法或者角锥法使用的光栅和角锥在制作工艺复杂，不易实现，而且这两种方法产生的空心光束中心暗斑不完全为黑；用空心光纤产生空心光束的方法耦合效率较低，仅为50％。

发明内容

针对以上不足，本实用新型的目的是提供一种基于多模光纤的空心光束转换装置，可应用于原子导管、光镊、光扳手等设备。

为了实现上述目的，本实用新型采取如下的技术解决方案：

基于多模光纤的空心光束转换装置，包括：接收来自光源的光束的聚焦透镜；设置于所述聚焦透镜后方的光纤耦合透镜，所述光纤耦合透镜的光轴与所述聚焦透镜的光轴相交，从所述聚焦透镜出射的光倾斜射入所述光纤耦合透镜；设置于所述光纤耦合透镜后的多模光纤，所述光纤耦合透镜设置于所述多模光纤输入端之前，所述多模光纤输出端的后方设置有短焦整形透镜，所述多模光纤的输出端位于所述短焦整形透镜的焦点处。

本实用新型更具体的技术方案为，所述聚焦透镜的光轴与光纤耦合透镜的光轴之间的夹角为0.6°～1.4°。

本实用新型更具体的技术方案为，所述短焦整形透镜包括依次设置第一短焦透镜和第二短焦透镜，所述第一短焦透镜的光轴和所述第二短焦透镜的光轴重合，所述多模光纤的输出端位于所述第一短焦透镜的焦点处。

本实用新型更具体的技术方案为，所述第一短焦透镜的焦距和所述第二短焦透镜的焦距不同。

本实用新型更具体的技术方案为，所述第一短焦透镜的焦距为4.5mm，所述第二短焦透镜的焦距为30mm。

本实用新型更具体的技术方案为，所述第一短焦透镜与所述第一短焦透镜之间的距离为60mm。

本实用新型更具体的技术方案为，所述光纤耦合透镜的焦距为4.5mm，

本实用新型更具体的技术方案为，所述聚焦透镜的焦距为60mm。

本实用新型更具体的技术方案为，所述第一短焦透镜与所述多模光纤的输出端之间的距离为4.5mm。

由以上可知，本实用新型通过设置光轴相交的聚焦透镜和光线耦合透镜，使(激)光束倾斜入射至多模光纤中，采用多模光纤对实心光束进行空心光束的转换，可以产生中心暗斑为全黑的空心光束，耦合效率很高，可以达到80％，从多模光纤出射的光束经短焦透镜整形输出后，得到的空心光束光斑质量好，可应用于原子导管、光镊、光扳手等设备上，避免传统实心光束对微小物体进行移位或手术操作时灼伤细胞，从而提高细胞活性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中需要使用的附图做简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示器件结构的附图会不依一般比例做局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。需要说明的是，附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、清晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

如图1所示，本实用新型的空心光束转换装置包括聚焦透镜1、光纤耦合透镜2、多模光纤3、第一短焦透镜4和第二短焦透镜5，第一短焦透镜4和第二短焦透镜5构成用于输出整形的短焦整形透镜组，多模光纤3采用市场销售的商用多模光纤。为了便于描述，将光源的发射端定义为前端，聚焦透镜1设置于光纤耦合透镜2之前，光纤耦合透镜2设置于多模光纤3输入端的前方，短焦整形透镜设置于多模光纤3的输出端，多模光纤3的输出端位于短焦整形透镜的焦点处。本实施例的第一短焦透镜4设置于多模光纤3输出端的后方，第二短焦透镜5设置于第一短焦透镜4的后方，第一短焦透镜4的光轴和第二短焦透镜5的光轴重合。

本实用新型的聚焦透镜1的光轴与光纤耦合透镜2的光轴相交，使从聚焦透镜1出射的光倾斜入射至光纤耦合透镜2，从而可以通过多模光纤3形成空心光束。作为本实用新型的一个优选方案，聚焦透镜1的焦距为60mm，光纤耦合透镜2的焦距为4.5mm，第一短焦透镜4的焦距为4.5mm，第二短焦透镜5的焦距为30mm。第一短焦透镜4与1米左右的多模光纤3的输出端之间的距离为4.5mm，第二短焦透镜5与第一短焦透镜4之间的距离为60mm。

使用时，高斯激光束由聚焦透镜1聚焦后，以微小角度倾斜入射到光纤耦合透镜2上，进入到多模光纤3内，光束经多模光纤3传播后从多模光纤3输出端出射，形成空心光束，出射的光束经过第一短焦透镜4和第二短焦透镜5整形形成平行光束，最后输出中心为全黑的空心光束。

下表为前述实施例的聚焦透镜1的光轴与光纤耦合透镜2的光轴之间的夹角α变化时对应测得的耦合效率列表，从下表可知，当聚焦透镜1的光轴与光纤耦合透镜2的光轴之间的夹角在0.6～1.4°之间时，耦合效率在50％以上，耦合效率较高。下表中0°入射时输出的为实心光束。

入射角α

0°

0.6°

1.19°

1.31°

1.42°

1.59°

1.62°

耦合效率

91％

87％

80％

78％

56％

19％

13％

本实用新型采用多模光纤进行普通光束转换，从而得到空心光束。多模光纤转换效率高，得到的空心光束光斑质量好，而且与现有技术中采用特殊结构的棱镜相比，多模光纤结构更简单，可直接购买，对加工精度没有很高的要求。本实用新型的空心光束转换装置可直接应用在光镊设备中，将当前光镊中使用的实心光束转换为空心光束。

以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非对其限制，尽管参照上述实施例对本实用新型进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解，依然可以对本实用新型的具体实施方式进行修改或者等同替换，而未脱离本实用新型精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围之中。例如，各透镜的焦距可以根据不同需求而改变，当透镜的焦距改变时，各组件间的距离则根据透镜的焦距进行相应变化，诸如此等改变以及等效变换均应包含在权利要求所述的范围之内。

Claims (9)

1.基于多模光纤的空心光束转换装置，其特征在于，包括： 

接收来自光源的光束的聚焦透镜； 

设置于所述聚焦透镜后方的光纤耦合透镜，所述光纤耦合透镜的光轴与所述聚焦透镜的光轴相交，从所述聚焦透镜出射的光倾斜射入所述光纤耦合透镜； 

设置于所述光纤耦合透镜后的多模光纤，所述光纤耦合透镜设置于所述多模光纤输入端之前，所述多模光纤输出端的后方设置有短焦整形透镜，所述多模光纤的输出端位于所述短焦整形透镜的焦点处。 

2.如权利要求1所述的基于多模光纤的空心光束转换装置，其特征在于：所述聚焦透镜的光轴与光纤耦合透镜的光轴之间的夹角为0.6°～1.4°。 

3.如权利要求1或2所述的基于多模光纤的空心光束转换装置，其特征在于：所述短焦整形透镜包括依次设置第一短焦透镜和第二短焦透镜，所述第一短焦透镜的光轴和所述第二短焦透镜的光轴重合，所述多模光纤的输出端位于所述第一短焦透镜的焦点处。 

4.如权利要求3所述的基于多模光纤的空心光束转换装置，其特征在于：所述第一短焦透镜的焦距和所述第二短焦透镜的焦距不同。 

5.如权利要求3所述的基于多模光纤的空心光束转换装置，其特征在于：所述第一短焦透镜的焦距为4.5mm，所述第二短焦透镜的焦距为30mm。 

6.如权利要求5所述的基于多模光纤的空心光束转换装置，其特征在于：所述第一短焦透镜与所述第一短焦透镜之间的距离为60mm。 

7.如权利要求1或5或6所述的基于多模光纤的空心光束转换装置，其特征在于：所述光纤耦合透镜的焦距为4.5mm。 

8.如权利要求1或5或6所述的基于多模光纤的空心光束转换装置，其特征在于：所述聚焦透镜的焦距为60mm。 

9.如权利要求5或6所述的基于多模光纤的空心光束转换装置，其特征在于：所述第一短焦透镜与所述多模光纤的输出端之间的距离为4.5mm。