用轴棱锥聚焦贝塞尔-谢尔模型光场产生空心光束的光学系统

摘要

本发明公开了一种用轴棱锥聚焦贝塞尔‑谢尔模型光场产生空心光束的光学系统，包括光学平台，该光学平台上放置有激光器，沿该激光器的光路依次放置准直扩束系统、孔径光阑、轴棱锥、薄透镜、旋转毛玻璃、薄透镜和轴棱锥。通过本技术可以产生一种尺寸随距离增大而增大的空心光束，且该空心光束具有自重建特性。本发明的光学结构简单、光学元件价格便宜且产生的空心光束质量高等优点，将为人们囚禁多层面、不同尺寸和数目的粒子提供有力的手段。

说明书

技术领域

本发明涉及光学领域，具体是用轴棱锥聚焦贝塞尔-谢尔模型光场产生 空心光束的光学系统。

背景技术

空心光束是一种在传播方向上中心光强为零的特种光束。该特种光束 具有中心光强度为极小值，周围被高强度的光环绕等优点，使之在光镊， 粒子囚禁，原子冷却等方面都有重要的应用。目前空心光束已被人们广泛 应用于各式各样微粒的捕获与操控，捕获环境从液体向气体扩展，操控粒 子从无机小分子向活体细胞延伸。因此，对空心光束的产生和应用一直是 研究的热门课题。

目前产生空心光束的有多种，如光子筛法、多模光纤法、螺旋相位板 法、艾里光束阵列等，但这些方法常受限于光学系统精度的稳定性或价格 昂贵等原因，使得在实际应用中受到诸多限制。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用轴棱锥聚焦贝塞尔-谢尔模型光场产生 空心光束的光学系统，其可简单、便捷和高效率地产生空心光束。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

用轴棱锥聚焦贝塞尔-谢尔模型光场产生空心光束的光学系统，包括光 学平台，该光学平台上放置有激光器，沿该激光器的激光光路依次放置准 直扩束系统、孔径光阑、第一轴棱锥、第一薄透镜、旋转毛玻璃、第二薄 透镜和第二轴棱锥；其中，第一薄透镜放置在第一轴棱锥后向外发散的空 心光束区；第一薄透镜的焦点与第二薄透镜的焦点重合，且旋转毛玻璃放 置在第一薄透镜和第二薄透镜焦点重合的位置；旋转毛玻璃与第二薄透镜 的距离等于第二薄透镜的焦距。

采用上述方案后,当激光器发出的激光光束经过准直扩束系统准直扩 束后进入第一轴棱锥后，产生一个无衍射聚焦区以及向外发散的空心光束 区；在向外发散的空心光束区放置第一薄透镜，在第一薄透镜的焦平面上 会产生一个完全相干的环形光源，并在此环形光源处放置旋转毛玻璃，使 其变成非相干环形光源；再经过第二薄透镜聚焦后会产生贝塞尔-谢尔模型 光束，最后经第二轴棱锥聚焦，产生空心光束。本光学系统结构非常简单， 易于搭建与调试，且所产生的空心光束具有光斑均匀、光强梯度大且具有 自重建等特性。因此，本发明具有非常重要的现实意义。

附图说明

图1为本发明光学系统的组成装置图；

图2为本发明光学系统的光路示意图；

图3为本发明光学系统的实验图；

图4为本发明光学系统的计算机模拟图；

图5为本发明光学系统的自重建过程图。

具体实施方式

为了进一步解释本发明系统的技术方案，下面通过具体实施例来对本 发明系统进行详细阐述。

本发明的用轴棱锥聚焦贝塞尔-谢尔模型光场产生空心光束的光学系 统，如图1所示，包括光学平台1，光学平台1上设置有He-Ne激光器2， 沿He-Ne激光器2的激光光路依次放置短焦距透镜3、长焦距透镜4、孔径 光阑5、第一轴棱锥6、第一薄透镜7、旋转毛玻璃8、第二薄透镜9和第 二轴棱锥10。第二轴棱锥10的后方设置有CCD成像系统11。

激光器2、短焦距透镜3、长焦距透镜4、孔径光阑5、第一轴棱锥6、 第一薄透镜7、旋转毛玻璃8、第二薄透镜9、第二轴棱锥10和CCD成像系 统11均通过固定支架12支撑定位于光学平台1上。

其中，孔径光阑5的通光尺寸应与第一薄透镜7的位置相匹配，即第 一薄透镜7应放置在第一轴棱锥6后面的向外发散空心光束区，第一薄透 镜7的焦点f₇与第二薄透镜f₉的焦点重合，且旋转毛玻璃8应放置在第一 薄透镜7与第二薄透镜9焦点重合的位置，旋转毛玻璃8与第二薄透镜9 的距离等于第二薄透镜9的焦距。

工作时，如图2所示，首先He-Ne激光器2以及旋转毛玻璃8的小马 达打开，激光光束经过短焦距透镜3和长焦距透镜4准直扩束后，再经过 孔径光阑5以及第一轴棱锥6后产生一个无衍射聚焦区以及向外发散的空 心光束区；在向外发散的空心光束区放置第一薄透镜7进行聚焦，在第一 薄透镜7的焦平面上会产生一个完全相干的环形光源，并在此焦平面放置 旋转毛玻璃8，把相干环形光源变成非相干环形光源；第二薄透镜9聚焦非 相干环形光源产贝塞尔-谢尔模型光场，再经过第二轴棱锥10的线聚焦作 用，最后在第二轴棱锥10后产生空心光束，且该空心光束具有自重建特性。

作为实施例，我们选择短焦距透镜3的焦距f＝15mm、长焦距透镜4 的焦距f＝190mm，孔径光阑5的半径为r＝3.5mm，第一轴棱锥6的底角γ＝2°， 第一轴棱锥6与第一薄透镜7的距离D1＝415mm，第一薄透镜7的焦距 f₇＝50mm，第二薄透镜9的焦距f₉＝150mm，第二轴棱锥10的底角和折射 率分别为β＝1°、n＝1.458。实验时，根据图2的光学元件顺序搭建光路， 在第二轴棱锥10后一定距离(Z)处用CCD成像系统11拍摄，拍摄结果如 图3所示，相应的计算机模拟图见图4。对比图3和图4不同Z平面的截面 光斑尺寸，最大误差为0.038mm，说明轴向光强分布与理论预测的是一致的。

为了验证空心光束的自重建特性，在第二轴棱锥10后Z＝100mm位置处 放置一块直径为0.9mm障碍物，通过体式显微镜与照相机记录空心光束的 自重建过程，如图5所示，其中(a)表示障碍物未放置在中心位置的实验 结果示意图；(b)、(c)(d)(e)表示障碍物放置在中心的实验结果示意图。 实验结果表示，该空心光束具有自重建特性。

由此，本发明为产生空心光束提供了一种结构简单，操纵方便的方法。 且该空心光束的自重建特性将为人们囚禁多层面、不同尺寸的粒子提供有 力的手段，因此，该发明具有广阔的市场前景。

上述实施例和图式并非限定本发明系统的产品形态和式样，任何所属 技术领域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本 发明系统的专利范畴。