CN208297848U - 一种环状聚焦光束系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型揭示了一种环状聚焦光束系统，该系统包括在同一光路上依次设置的激光器、准直透镜、中空圆锥透镜和聚焦透镜，中空圆锥透镜的中部沿光轴Z方向为中空结构，中空结构为圆孔，激光器发出激光，经过准直透镜准直，准直后的激光光束经过光阑限制，经过光阑限制后的准直光束正入射中空圆锥透镜，经过中空圆锥透镜中空部分的光束仍然为准直光束，经过中空圆锥透镜实体部分的光束为交叉会聚的线聚焦光束，准直光束经过聚焦透镜聚焦后在聚焦平面与光轴交点处形成一聚焦点，交叉会聚的线聚焦光束经过聚焦透镜聚焦后在聚焦平面处形成聚焦环。通过改变中空圆锥透镜的锥角，可以改变点环状聚焦光斑的环形半径大小。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种环状聚焦光束系统，属于激光加工技术领域。
背景技术
20世纪60年代，当激光作为具有极高亮度的相干光源出现时，光压的研究发生了革命性的变化。70年代初，人们开始对激光的辐射压开始全面和深入的研究，特别是对原子在不同条件下所受辐射压力的性质和机制进行理论探讨和实验观测，从而发展起原子束的激光偏转，激光冷却，光子粘胶及原子喷泉等实验技术，同时利用光压进行原子俘获，粒子操纵等研究。
当一束强汇聚的高斯光场作用于透明粒子时，如果粒子的折射率大于周围介质的折射率，梯度力会把粒子推向光场的最强处(轴心)。在光束传播方向上光对粒子不仅会产生轴向的推力，还会产生逆轴向的拉力，从而实现捕获。这里光学捕获是通过透明介质微粒与光子发生动量交换而完成的。
1970年，美国电报电话公司贝尔实验室的阿什金教授采用一束高斯激光，成功地在垂直于光的传播方向上束缚了悬浮在水中的聚苯乙烯微粒，这一实验将辐射压的应用从原子量级扩展到了微米范围，奠定了光镊的研究基础，之后他又设计了双光束光学陷阱，初步实现了光镊的雏形。
1986年，他把单束激光引入高数值孔径物镜形成了三维光学势阱，证明光学势阱可以无损伤地操纵活体物质。目前所说的光镊即是这样一种三维全光学势阱，光镊对粒子无损伤，具有非接触性，作用力均匀，微米量级的精确定位，可选择特定个体，并可在生命状态下进行操作等特点，特别适用于对细胞和亚细胞层次上活体的研究，如对细胞或细胞器的捕获，分选与操纵，弯曲细胞骨架，克服布朗运动所引起的细菌旋转等，这也正是光镊得以在生物领域中被广泛应用，并显示出强大生命力和广阔应用前景的原因之一。正如其发明者所说，“光镊”将细胞从它们的正常位置移去的能力，为我们打开了精确研究其功能的大门"。
发明内容
本实用新型的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种环状聚焦光束系统。
本实用新型的目的将通过以下技术方案得以实现：一种环状聚焦光束系统，该系统包括在同一光路上依次设置的激光器、准直透镜、中空圆锥透镜和聚焦透镜，所述激光器沿光轴Z方向放置，所述中空圆锥透镜的中部沿光轴Z方向为中空结构，所述中空结构为圆孔，在所述准直透镜与中空圆锥透镜之间放置有用于对激光光束进行限制的光阑，圆孔的直径小于光阑的直径，所述激光器用于产生激光，所述激光器和准直透镜间隙设置，所述准直透镜用于对所述激光器发出的激光光束进行准直，使所述激光光束准直输出，所述激光器发出激光，经过准直透镜准直，准直后的激光光束经过光阑限制，经过光阑限制后的准直光束正入射中空圆锥透镜，经过中空圆锥透镜中空部分的光束仍然为准直光束，经过中空圆锥透镜实体部分的光束为交叉会聚的线聚焦光束，准直光束经过聚焦透镜聚焦后在聚焦平面与光轴交点处形成一聚焦点，交叉会聚的线聚焦光束经过聚焦透镜聚焦后在聚焦平面处形成聚焦环。
优选地，所述激光器为半导体激光器，所述半导体激光器的波长为650nm。
优选地，所述准直透镜为非球面平凸透镜。
优选地，所述非球面平凸透镜的焦距为0.5mm-10mm。
优选地，所述光阑为小孔或狭缝，所述光阑孔直径可调。
优选地，所述聚焦透镜为非球面透镜。
优选地，所述中空圆锥透镜的锥角为θ，锥角θ的范围为 0°～30°。
本实用新型技术方案的优点主要体现在：通过改变中空圆锥透镜的锥角，可以改变点环状聚焦光斑的环形半径大小，通过改变中空圆锥透镜的空心直径大小，可以改变点环状聚焦光斑中心聚焦点的光强度，该系统适用于光镊系统的粒子操控研究。
该系统使用激光二极管做为光源，大大地缩小整个系统的体积和成本，同时光学整形系统结构简单，光束能量利用率高，适用于低成本便携式小型设备或仪器。该光学系统中各光学元件都可用玻璃材质制造，具有透过率高，抗强激光损伤的优点。
该系统在使用过程中安装方便，装调容易，易于实现，结构紧凑，成本较低，光转换效率高，可应用于对光束质量要求高的仪器设备中，可以有效地实现激光的整形、扩束和匀光效果，整形后的光束质量高，可用于光镊系统和生命科学系统，适合在产业上推广使用。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来说，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为本实用新型的一种环状聚焦光束系统的结构示意图。
图2为本实用新型的中空圆锥透镜的结构示意图。
图3为本实用新型的位于聚焦平面上的点环状聚焦光斑的示意图。
具体实施方式
本实用新型的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本实用新型技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本实用新型要求保护的范围之内。
在本实用新型的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定或限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
此外，下面所描述的本实用新型不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
本实用新型揭示了一种用于产生空心光束的光学系统，如图1所示，一种环状聚焦光束系统，该系统包括在同一光路上依次设置的激光器1、准直透镜2、中空圆锥透镜3和聚焦透镜4，所述激光器1沿光轴Z方向放置，所述半导体激光器位于所述准直透镜前焦面附近，所述准直透镜为非球面平凸透镜，非球面平凸透镜具有正的光焦度，所述非球面平凸透镜的焦距为0.5mm-10mm，在本技术方案中，所述非球面平凸透镜的焦距优选为2.5mm，所述聚焦透镜为非球面透镜。
所述激光器为半导体激光器，所述半导体激光器的波长为650nm，所述半导体激光器体积小、寿命长，可采用简单的注入电流的方式来泵浦其工作电压和电流与集成电路兼容，因而可与之单片集成，并且还可以用高达GHz的频率直接进行电流调制以获得高速调制的激光输出。
如图2所示，所述中空圆锥透镜3的中部沿光轴Z方向为中空结构，所述中空结构为圆孔，所述中空圆锥透镜的锥角为θ，锥角θ的范围为0°～30°。在所述准直透镜2与中空圆锥透镜3之间放置有用于对激光光束进行限制的光阑5，所述圆孔的直径小于光阑的直径，所述光阑为小孔或狭缝，所述光阑孔直径可调，当所述光阑为狭缝时，所述狭缝方向作用于所述激光器的快轴方向。
其中，所述准直透镜、光阑、中空圆锥透镜3和聚焦透镜4的中心都在光轴上，所述准直透镜、光阑、中空圆锥透镜3和聚焦透镜4根据需要在光学平台上沿轴向任意滑动，即所述准直透镜、光阑、中空圆锥透镜3和聚焦透镜4的相对距离可选择性设置。
所述激光器1用于产生激光，所述激光器1和准直透镜2间隙设置，所述准直透镜用于对所述激光器发出的激光光束进行准直，使所述激光光束准直输出。所述激光器1发出激光，经过准直透镜2准直，准直后的激光光束经过光阑孔限制，经过光阑孔限制后的准直光束正入射中空圆锥透镜，经过中空圆锥透镜中空部分的光束仍然为准直光束，经过中空圆锥透镜实体部分的光束为交叉会聚的线聚焦光束，准直光束经过聚焦透镜聚焦后在聚焦平面6 与光轴交点处形成一聚焦点，交叉会聚的线聚焦光束经过聚焦透镜聚焦后在聚焦平面处形成聚焦环，如图3所示，为位于聚焦平面上的点环状聚焦光斑。通过改变中空圆锥透镜的锥角，可以改变点环状聚焦光斑的环形半径大小。通过改变中空圆锥透镜的空心直径大小，可以改变点环状聚焦光斑中心聚焦点的光强度。
该系统使用激光二极管做为光源，大大地缩小整个系统的体积和成本，同时光学整形系统结构简单，光束能量利用率高，适用于低成本便携式小型设备或仪器。该光学系统中各光学元件都可用玻璃材质制造，具有透过率高，抗强激光损伤的优点。
显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。对于所述领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举，而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本实用新型创造的保护范围之中。
本实用新型尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本实用新型的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种环状聚焦光束系统，其特征在于：该系统包括在同一光路上依次设置的激光器、准直透镜、中空圆锥透镜和聚焦透镜，所述激光器沿光轴Z方向放置，所述中空圆锥透镜的中部沿光轴Z方向为中空结构，所述中空结构为圆孔，在所述准直透镜与中空圆锥透镜之间放置有用于对激光光束进行限制的光阑，圆孔的直径小于光阑的直径，所述激光器用于产生激光，所述激光器和准直透镜间隙设置，所述准直透镜用于对所述激光器发出的激光光束进行准直，使所述激光光束准直输出，所述激光器发出激光，经过准直透镜准直，准直后的激光光束经过光阑限制，经过光阑限制后的准直光束正入射中空圆锥透镜，经过中空圆锥透镜中空部分的光束仍然为准直光束，经过中空圆锥透镜实体部分的光束为交叉会聚的线聚焦光束，准直光束经过聚焦透镜聚焦后在聚焦平面与光轴交点处形成一聚焦点，交叉会聚的线聚焦光束经过聚焦透镜聚焦后在聚焦平面处形成聚焦环。
2.根据权利要求1所述的一种环状聚焦光束系统，其特征在于：所述激光器为半导体激光器，所述半导体激光器的波长为650nm。
3.根据权利要求1所述的一种环状聚焦光束系统，其特征在于：所述准直透镜为非球面平凸透镜。
4.根据权利要求3所述的一种环状聚焦光束系统，其特征在于：所述非球面平凸透镜的焦距为0.5mm-10mm。
5.根据权利要求1所述的一种环状聚焦光束系统，其特征在于：所述光阑为小孔或狭缝，光阑孔直径可调。
6.根据权利要求1所述的一种环状聚焦光束系统，其特征在于：所述聚焦透镜为非球面透镜。
7.根据权利要求1所述的一种环状聚焦光束系统，其特征在于：所述中空圆锥透镜的锥角为θ，锥角θ的范围为0°～30°。
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