CN209417434U - 一种产生双环聚焦光束的光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型揭示了一种产生双环聚焦光束的光学系统，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、阶梯锥面透镜、聚焦透镜，激光器发出激光经过准直扩束系统后形成准直扩束光束，准直扩束光束经过光阑限制后，正入射阶梯锥面透镜；阶梯锥面透镜的入射面为平面，出射面包括第一锥面和第二锥面，第一锥面的锥面底角为，第二锥面的锥面底角为，第一锥面与第二锥面同心设置，第二锥面位于阶梯锥面透镜中心位置，第一锥面位于第二锥面外围环形区域，第一锥面的锥面底角小于第二锥面的锥面底角该系统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，适用于环形光镊系统的粒子操控研究。

Description

一种产生双环聚焦光束的光学系统

技术领域

本实用新型涉及一种产生双环聚焦光束的光学系统，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，提出一种产生双环聚焦光束的光学系统。

本实用新型的目的将通过以下技术方案得以实现：一种产生双环聚焦光束的光学系统，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、阶梯锥面透镜、聚焦透镜，在所述准直扩束系统与阶梯锥面透镜之间还设置有用于对激光光束进行限制的光阑，所述激光器、准直扩束系统、光阑、阶梯锥面透镜和聚焦透镜的中心都在光轴上，所述激光器、准直扩束系统、光阑、阶梯锥面透镜和聚焦透镜根据需要在光学平台上沿轴向任意滑动，所述激光器发出激光经过准直扩束系统后形成准直扩束光束，所述准直扩束光束经过光阑限制后，正入射阶梯锥面透镜；阶梯锥面透镜的入射面为平面，出射面包括第一锥面和第二锥面，第一锥面的锥面底角为，第二锥面的锥面底角为，第一锥面与第二锥面同心设置，第二锥面位于阶梯锥面透镜中心位置，第一锥面位于第二锥面外围环形区域，第一锥面的锥面底角小于第二锥面的锥面底角，锥面透镜的折射率为n；平行光束入射第一锥面时，出射光束为会聚的锥形光束，由第一锥面出射的会聚锥形光束会聚角为, 平行光束入射第二锥面时，出射光束为会聚的锥形光束，由第二锥面出射的会聚锥形光束会聚角为，第一锥面出射的会聚锥形光束会聚角小于第二锥面出射的会聚锥形光束会聚角在锥面透镜的后设置有聚焦透镜，经锥面透镜出射的锥面光束经聚焦透镜聚焦后，在聚焦透镜的焦平面处形成双环聚焦光斑，会聚角为的出射光线经聚焦透镜组聚焦后在聚焦透镜焦平面上形成直径为R1的环形聚焦光斑，且R1=2（n-1）f，会聚角为的出射光线经聚焦透镜组聚焦后在聚焦透镜焦平面上形成直径为R2的环形聚焦光斑，且R2=2（n-1）f。

优选地，所述准直扩束系统包括间隙设置的第一透镜和第二透镜。

优选地，所述第一透镜为凹透镜。

优选地，所述第二透镜为凸透镜。

优选地，所述光阑为小孔或狭缝。

优选地，所述光阑孔直径可调。

优选地，所述聚焦透镜由至少一片正光焦度的非球面透镜组成。

优选地，所述非球面透镜的有效焦距为2mm-10mm。

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。

本实用新型技术方案的优点主要体现在：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，同时整个光学系统结构简单、方便装调。

该系统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，特别是适用于环形光镊系统的粒子操控研究，光束的中心聚焦点可以作为激光打孔时的中心定位点，该系统适合在产业上推广使用，大大地扩大了激光打孔的应用范围。

该系统结构简单实用，操作方便，成本低廉、设计精巧，既适于精密微细加工，又适于大型材料加工，且产生的激光束容易控制，易于与精密机械、精密测量技术和电子计算机相结合，实现加工的高度自动化和达到很高的加工精度。

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产生双环聚焦光束的光学系统的结构示意图。

图2为本实用新型的一种产生双环聚焦光束的光学系统的阶梯锥面透镜截面图。

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产生双环聚焦光束的光学系统，如图1和图2所示，该系统包括在同一光路上依次设置的激光器1、准直扩束系统2、阶梯锥面透镜3、聚焦透镜4，在所述准直扩束系统与阶梯锥面透镜之间还设置有用于对激光光束进行限制的光阑5。

所述激光器1、准直扩束系统2、光阑5、阶梯锥面透镜3和聚焦透镜4的中心都在光轴上，所述激光器、准直扩束系统、光阑、阶梯锥面透镜和聚焦透镜根据需要在光学平台上沿轴向任意滑动，即所述激光器、准直扩束系统、光阑、阶梯锥面透镜和聚焦透镜的相对距离可选择性设置。所述激光器1沿光轴Z方向放置，所述激光器的波长范围为600–1050nm，在本技术方案中，所述激光器优选为半导体激光器，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。

所述准直扩束系统2包括间隙设置的第一透镜21和第二透镜22，在本技术方案中，所述第一透镜为凹透镜，所述第二透镜为凸透镜，所述第一透镜和第二透镜的焦距f范围为5mm-20mm。

所述光阑5为小孔或狭缝，在本技术方案中，所述光阑优选为小孔，所述光阑孔直径可调，用于改变入射到锥面透镜的光束半径，在使用过程中可根据需要对光阑孔的直径进行调节。

所述聚焦透镜4由至少一片正光焦度的非球面透镜组成，所述非球面透镜的有效焦距为2mm-10mm。

所述激光器1发出激光经过准直扩束系统2后形成准直扩束光束，所述准直扩束光束经过光阑限制后，正入射阶梯锥面透镜3；阶梯锥面透镜的入射面为平面，出射面包括第一锥面和第二锥面，第一锥面的锥面底角为，第二锥面的锥面底角为，第一锥面与第二锥面同心设置，第二锥面位于阶梯锥面透镜中心位置，第一锥面位于第二锥面外围环形区域，第一锥面的锥面底角小于第二锥面的锥面底角，锥面透镜的折射率为n；根据折射定律，平行光束入射第一锥面时，出射光束为会聚的锥形光束，由第一锥面出射的会聚锥形光束会聚角为, 平行光束入射第二锥面时，出射光束为会聚的锥形光束，由第二锥面出射的会聚锥形光束会聚角为，第一锥面出射的会聚锥形光束会聚角小于第二锥面出射的会聚锥形光束会聚角在锥面透镜的后设置有聚焦透镜，经锥面透镜出射的锥面光束经聚焦透镜聚焦后，在聚焦透镜的焦平面处形成双环聚焦光斑，会聚角为的出射光线经聚焦透镜组聚焦后在聚焦透镜焦平面上形成直径为R1的环形聚焦光斑7，且R1=2（n-1）f，会聚角为的出射光线经聚焦透镜组聚焦后在聚焦透镜焦平面6上形成直径为R2的环形聚焦光斑7，且R2=2（n-1）f。该双环聚焦光斑可捕获微小粒子、测量微小作用力，可自由操纵多个颗粒进行空间排列及运动探测，可适用于环形光镊系统的粒子操控研究。

该系统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，特别是适用于环形光镊系统的粒子操控研究，光束的中心聚焦点可以作为激光打孔时的中心定位点，该系统适合在产业上推广使用，大大地扩大了激光打孔的应用范围。

该系统结构简单实用，操作方便，设计精巧，既适于精密微细加工，又适于大型材料加工，且产生的激光束容易控制，易于与精密机械、精密测量技术和电子计算机相结合，实现加工的高度自动化和达到很高的加工精度。

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 (6)

1.一种产生双环聚焦光束的光学系统，其特征在于：该系统包括在同一光路上依次设置的激光器、准直扩束系统、阶梯锥面透镜、聚焦透镜，在所述准直扩束系统与阶梯锥面透镜之间还设置有用于对激光光束进行限制的光阑，所述激光器、准直扩束系统、光阑、阶梯锥面透镜和聚焦透镜的中心都在光轴上，所述激光器、准直扩束系统、光阑、阶梯锥面透镜和聚焦透镜根据需要在光学平台上沿轴向任意滑动；

所述激光器发出激光经过准直扩束系统后形成准直扩束光束，所述准直扩束光束经过光阑限制后，正入射阶梯锥面透镜；阶梯锥面透镜的入射面为平面，出射面包括第一锥面和第二锥面，第一锥面的锥面底角为θ₁，第二锥面的锥面底角为θ₂，第一锥面与第二锥面同心设置，第二锥面位于阶梯锥面透镜中心位置，第一锥面位于第二锥面外围环形区域，第一锥面的锥面底角θ₁小于第二锥面的锥面底角θ₂，锥面透镜的折射率为n；平行光束入射第一锥面时，出射光束为会聚的锥形光束，由第一锥面出射的会聚锥形光束会聚角为α₁,平行光束入射第二锥面时，出射光束为会聚的锥形光束，由第二锥面出射的会聚锥形光束会聚角为α₂，第一锥面出射的会聚锥形光束会聚角α₁小于第二锥面出射的会聚锥形光束会聚角α₂，在锥面透镜的后设置有聚焦透镜，经锥面透镜出射的锥面光束经聚焦透镜聚焦后，在聚焦透镜的焦平面处形成双环聚焦光斑，会聚角为α₁的出射光线经聚焦透镜组聚焦后在聚焦透镜焦平面上形成直径为R1的环形聚焦光斑，且R1＝2(n-1)θ₁f，会聚角为α₂的出射光线经聚焦透镜组聚焦后在聚焦透镜焦平面上形成直径为R2的环形聚焦光斑，且R2＝2(n-1)θ₂f；

所述聚焦透镜由至少一片正光焦度的非球面透镜组成；所述非球面透镜的有效焦距为2mm-10mm；所述激光器1沿光轴Z方向放置，所述激光器的波长范围为600–1050nm，所述激光器为半导体激光器。

2.根据权利要求1所述的一种产生双环聚焦光束的光学系统，其特征在于：所述准直扩束系统包括间隙设置的第一透镜和第二透镜。

3.根据权利要求2所述的一种产生双环聚焦光束的光学系统，其特征在于：所述第一透镜为凹透镜。

4.根据权利要求2所述的一种产生双环聚焦光束的光学系统，其特征在于：所述第二透镜为凸透镜。

5.根据权利要求1所述的一种产生双环聚焦光束的光学系统，其特征在于：所述光阑为小孔或狭缝。

6.根据权利要求5所述的一种产生双环聚焦光束的光学系统，其特征在于：所述光阑孔直径可调。