CN209148980U - 一种用于产生多个局域空心区域光束的光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种用于产生多个局域空心区域光束的光学系统，该系统包括在同一光路上依次设置的激光器、准直扩束系统、孔径光阑、多阶梯锥面透镜，准直扩束系统用于对所述激光器发出的激光光束进行准直并扩束，使激光光束准直扩束输出，在准直扩束系统与多阶梯锥面透镜之间还设置有用于对激光光束进行限制的孔径光阑，多阶梯锥面透镜入射面为平面，出射面包括至少三个同心设置的圆锥面，自锥顶至锥底，各圆锥面的底角依次减小。该光学系统可以实现在光轴上同时产生至少两个局域空心区域光束，实现多层面的粒子囚禁和操控，该系统结构简单，除了光阑孔遮挡及元件表面反射造成的能量损失外，几乎没有其他能量损耗，具有光转换效率高的优点。

Description

一种用于产生多个局域空心区域光束的光学系统

技术领域

本实用新型涉及一种用于产生多个局域空心区域光束的光学系统，属于激光光束的传输与变换技术领域。

背景技术

局域空心光束是指具有中心暗斑且该中心暗斑在三维空间被光场完全包围的一类特殊光场，它像一个特殊的“密闭容器”，因此这种光场被称为“光泡”。由于局域空心光束具有特殊的光场分布，它在生命科学和纳米科技中有重要的应用，局域空心区域可作为光学势阱，用于激光囚禁微观粒子，生物细胞操控，原子冷却等方面，因此一直是一个研究热点。

传统的产生局域空心光束的方法需要位相版和透镜结合使用，若实现极小的暗斑就需要大数值孔径的透镜，而且位相版的制作加工也具有相当大的难度，相位板的加工误差会直接降低生成的局域空心光束的光束质量。此外，传统产生局域空心光束的方法通常只能在光轴上产生单个局域空心光束，如用做激光囚禁微观粒子或生物细胞操控的话，只能对一个层面的微观粒子或生物细胞实现囚禁和操控，无法实现同时囚禁和操控多层面微观粒子或生物细胞。

因此研究一种可同时实现囚禁和操控多层面微观粒子或生物细胞的光学系统就成为亟待解决的问题。

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，提出一种用于产生多个局域空心区域光束的光学系统。

本实用新型的目的将通过以下技术方案得以实现：一种用于产生多个局域空心区域光束的光学系统，包括激光器、准直扩束系统、孔径光阑、多阶梯锥面透镜，所述激光器沿光轴Z方向放置，所述激光器、准直扩束系统、孔径光阑、多阶梯锥面透镜在同一光路上依次设置，

所述激光器用于产生激光，所述激光器和准直扩束系统间隙设置，所述准直扩束系统用于对所述激光器发出的激光光束进行准直并扩束，使所述激光光束准直扩束输出，在所述准直扩束系统与多阶梯锥面透镜之间还设置有用于对激光光束进行限制的孔径光阑，

所述多阶梯锥面透镜入射面为平面，出射面包括至少三个同心设置的圆锥面，自锥顶至锥底，各圆锥面的底角依次减小，出射面包括锥面底角为γ₁的第一锥面，锥面底角为γ₂的第二锥面和锥面底角为γ₃的第三锥面，所述第一锥面、第二锥面和第三锥面由多阶梯锥面透镜的中轴线开始依次向外同心设置，且锥面底角的关系为γ₁>γ₂>γ₃，所述准直激光束经第一锥面、第二锥面和第三锥面折射后形成三束分离的会聚角依次减小的第一锥形光束、第二锥形光束和第三锥形光束，在光轴位置，第一锥形光束与第二锥形光束分离形成第一光束局域空心区域，第二锥形光束与第三锥形光束分离形成第二光束局域空心区域。

优选地，所述多阶梯锥面透镜的圆锥面底角为0.1°～70°。

优选地，所述第一锥面、第二锥面和第三锥面的直径分别为R1、R2和R3，且第一锥面、第二锥面和第三锥面的底角依次减小。

优选地，所述多阶梯锥面透镜的材料为N-BK7，第一锥面直径R1＝2mm，锥面底角γ₁＝20.7°，第二锥面外直径R2＝4mm，锥面底角γ₂＝17.2°，第三锥面外直径R3＝6mm，锥面底角γ₁＝15.5°。所述阶梯锥面透镜后距离D5＝12.5mm处设置第一平面探测器，距离D6＝26.5mm处设置第二平面探测器。

优选地，所述多阶梯锥面透镜的材料为光学玻璃或光学树脂材料，折射率为1～1.8。

优选地，所述准直扩束系统包括间隙设置的凹透镜和凸透镜，所述凹透镜和凸透镜均为非球面凹透镜和非球面凸透镜。

优选地，所述凹透镜材料为N-BK7，直径为6mm，中心厚度为1.5mm，入射面为平面，出射面为凹球面，所述凹球面的曲率半径为6.2mm；凹透镜后距离D2＝46.44mm处设置凸透镜。

优选地，所述凸透镜材料为N-BK7，直径为25mm，中心厚度4.7mm，入射面为平面，出射面为凸球面，所述凸球面的曲率半径为31.01mm。

优选地，所述准直扩束系统的扩束比为1：1.1至1：50。

本实用新型技术方案的优点主要体现在：该光学系统可以实现在光轴上同时产生至少两个局域空心区域光束，实现多层面的粒子囚禁和操控，同时该系统结构简单，除了光阑孔遮挡及元件表面反射造成的能量损失外，几乎没有其他能量损耗，具有光转换效率高的优点。

附图说明

图1是本实用新型的一种用于产生多个局域空心区域光束的光学系统的结构示意图。

图2是本实用新型的多阶梯锥面透镜的立体图。

图3是本实用新型的多阶梯锥面透镜的剖面图

图4是本实用新型的一种用于产生多个局域空心区域光束的光学系统的ZEMAX软件光线追迹图仿真图。

图5是本实用新型的第一局域空心区域光束截面光斑ZEMAX软件仿真图。

图6是本实用新型的第二局域空心区域光束截面光斑ZEMAX软件仿真图。

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。

本实用新型揭示了一种用于产生多个局域空心区域光束的光学系统，如图1所示，该系统包括氦氖激光器1、准直扩束系统、孔径光阑4和多阶梯锥面透镜5，所述激光器1、准直扩束系统、孔径光阑4、多阶梯锥面透镜5在同一光路上依次设置，所述激光器1沿光轴Z方向放置，所述激光器1为氦氖激光器(He-Ne)，所述氦氖激光器的波长为632.8nm。所述激光器1用于产生激光，所述激光器1和准直扩束系统间隙设置，

所述准直扩束系统用于对所述激光器1发出的激光光束进行准直并扩束，使所述激光光束准直扩束输出，所述准直扩束系统的扩束比为1：1.1至1：50。所述准直扩束系统包括间隙设置的凹透镜2和凸透镜3。在所述准直扩束系统与多阶梯锥面透镜5之间还设置有用于对激光光束进行限制的孔径光阑4，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。

所述多阶梯锥面透镜5入射面为平面，出射面包括至少三个同心设置的圆锥面，自锥顶至锥底，各圆锥面的底角依次减小。

所述氦氖激光器(He-Ne)1发出激光，经凹透镜2和凸透镜3组成的准直扩束系统后形成准直扩束的激光束，所述准直扩束激光束经孔径光阑4限制后正入射多阶梯锥面透镜5。所述多阶梯锥面透镜5的圆锥面底角为0.1°～70°，所述多阶梯锥面透镜5的折射率为n，所述多阶梯锥面透镜5包括入射面和出射面，所述多阶梯锥面透镜5的入射面为平面，出射面包括锥面底角为γ₁的第一锥面10，锥面底角为γ₂的第二锥面20和锥面底角为γ₃的第三锥面30，所述第一锥面10、第二锥面20和第三锥面30由多阶梯锥面透镜5的中轴线开始依次向外同心设置，且锥面底角的关系为γ₁>γ₂>γ₃，根据斯涅尔折射定律，所述准直激光束经第一锥面10、第二锥面20和第三锥面30折射后形成三束分离的会聚角依次减小的第一锥形光束、第二锥形光束和第三锥形光束，在光轴位置，第一锥形光束与第二锥形光束分离形成第一光束局域空心区域6，第二锥形光束与第三锥形光束分离形成第二光束局域空心区域7。

如图2所示，为多阶梯锥面透镜5的立体图，该多阶梯锥面透镜5的入射面为平面，出射面包括由多阶梯锥面透镜5的中轴线开始依次向外同心设置的第一锥面10、第二锥面20和第三锥面30。如图3所示，为多阶梯锥面透镜5的剖面图，第一锥面10、第二锥面20和第三锥面30的直径分别为R1、R2和R3，且第一锥面10、第二锥面20和第三锥面30的底角依次减小，即γ₁>γ₂>γ₃。

如图4所示，为本实用新型的一种用于产生多个局域空心区域光束的光学系统的ZEMAX软件光线追迹图仿真图，其中激光器1为氦氖(He-Ne)激光器，波长为632.8nm，光束直径为1.2mm，激光器后距离D1＝3mm处设置凹透镜2，所述凹透镜2材料为N-BK7，直径为6mm，中心厚度为1.5mm，入射面为平面，出射面为凹球面，所述凹球面的曲率半径为6.2mm。凹透镜2后距离D2＝46.44mm处设置凸透镜3，所述凸透镜3材料为N-BK7，直径为25mm，中心厚度4.7mm，入射面为平面，出射面为凸球面，所述凸球面的曲率半径为31.01mm。

所述凸透镜3后距离D3＝7.5mm处设置孔径光阑4，孔径光阑4的孔径为5.5mm；孔径光阑4后距离D4＝2mm处设置多阶梯锥面透镜5，所述多阶梯锥面透镜5的材料为N-BK7，第一锥面直径R1＝2mm，锥面底角γ₁＝20.7°，第二锥面外直径R2＝4mm，锥面底角γ₂＝17.2°，第三锥面外直径R3＝6mm，锥面底角γ₁＝15.5°。所述阶梯锥面透镜5后距离D5＝12.5mm处设置第一平面探测器8，距离D6＝26.5mm处设置第二平面探测器9。

如图5所示，为第一平面探测器8所得到的第一局域空心区域6的光束截面光斑ZEMAX软件仿真图。如图6所示，为第二平面探测器9所得到的第二局域空心区域7的光束截面光斑ZEMAX软件仿真图，可见局域空心区域呈现中心暗斑，周围被高能量光束所包裹的“光泡”。

经准直扩束系统的激光光束经光阑孔限制后正入射多阶梯锥面透镜，在多阶梯锥面透镜后形成多局域空心光束，该多局域空心光束在光轴上至少存在两个局域空心区域。该系统结构简单，光学元件数量小，便于系统装调，同时该系统光学元件均为透射式元件，光束能量利用率高。

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 (9)

1.一种用于产生多个局域空心区域光束的光学系统，其特征在于：包括激光器、准直扩束系统、孔径光阑、多阶梯锥面透镜，所述激光器沿光轴Z方向放置，所述激光器、准直扩束系统、孔径光阑、多阶梯锥面透镜在同一光路上依次设置；

所述激光器用于产生激光，所述激光器和准直扩束系统间隙设置，所述准直扩束系统用于对所述激光器发出的激光光束进行准直并扩束，使所述激光光束准直扩束输出，在所述准直扩束系统与多阶梯锥面透镜之间还设置有用于对激光光束进行限制的孔径光阑；

所述多阶梯锥面透镜入射面为平面，出射面包括至少三个同心设置的圆锥面，自锥顶至锥底，各圆锥面的底角依次减小，出射面包括锥面底角为γ₁的第一锥面，锥面底角为γ₂的第二锥面和锥面底角为γ₃的第三锥面，所述第一锥面、第二锥面和第三锥面由多阶梯锥面透镜的中轴线开始依次向外同心设置，且锥面底角的关系为γ₁>γ₂>γ₃，准直激光束经第一锥面、第二锥面和第三锥面折射后形成三束分离的会聚角依次减小的第一锥形光束、第二锥形光束和第三锥形光束，在光轴位置，第一锥形光束与第二锥形光束分离形成第一光束局域空心区域，第二锥形光束与第三锥形光束分离形成第二光束局域空心区域。

2.根据权利要求1所述的一种用于产生多个局域空心区域光束的光学系统，其特征在于：所述多阶梯锥面透镜的圆锥面底角为0.1°～70°。

3.根据权利要求2所述的一种用于产生多个局域空心区域光束的光学系统，其特征在于：所述第一锥面、第二锥面和第三锥面的直径分别为R1、R2和R3，且第一锥面、第二锥面和第三锥面的底角依次减小。

4.根据权利要求3所述的一种用于产生多个局域空心区域光束的光学系统，其特征在于：所述多阶梯锥面透镜的材料为N-BK7，第一锥面直径R1＝2mm，锥面底角γ₁＝20.7°，第二锥面外直径R2＝4mm，锥面底角γ₂＝17.2°，第三锥面外直径R3＝6mm，锥面底角γ₁＝15.5°；所述阶梯锥面透镜后距离D5＝12.5mm处设置第一平面探测器，距离D6＝26.5mm处设置第二平面探测器。

5.根据权利要求1所述的一种用于产生多个局域空心区域光束的光学系统，其特征在于：所述多阶梯锥面透镜的材料为光学玻璃或光学树脂材料，折射率为1～1.8。

6.根据权利要求1所述的一种用于产生多个局域空心区域光束的光学系统，其特征在于：所述准直扩束系统包括间隙设置的凹透镜和凸透镜，所述凹透镜和凸透镜均为非球面凹透镜和非球面凸透镜。

7.根据权利要求6所述的一种用于产生多个局域空心区域光束的光学系统，其特征在于：所述凹透镜材料为N-BK7，直径为6mm，中心厚度为1.5mm，入射面为平面，出射面为凹球面，所述凹球面的曲率半径为6.2mm；凹透镜后距离D2＝46.44mm处设置凸透镜。

8.根据权利要求6所述的一种用于产生多个局域空心区域光束的光学系统，其特征在于：所述凸透镜材料为N-BK7，直径为25mm，中心厚度4.7mm，入射面为平面，出射面为凸球面，所述凸球面的曲率半径为31.01mm。

9.根据权利要求1所述的一种用于产生多个局域空心区域光束的光学系统，其特征在于：所述准直扩束系统的扩束比为1：1.1至1：50。