[实用新型]产生尺寸可调局域空心光束的光学系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及光学系统，具体是一种产生尺寸可调局域空心光束的光学系统。

背景技术

局域空心光束（bottle beam）为一束沿光传输方向上有着局部三维封闭暗中空区域的光束。暗中空区域周围被光束包围，有极高的强度梯度，可以用于对微粒的三维操纵。近年，局域空心光束在微粒捕获、颗粒物光学操纵等领域获得广泛的应用。

目前产生局域空心光束的方法很多：光学全息法、高斯光束和拉盖尔—高斯光束干涉法、贝塞尔光束相干法、组合锥透镜法、贝塞尔光束聚焦法等等。这些方法在应用中存在一个共同的问题：光学元件被制造出来后，所产生局域空心光束的参数就被唯一确定下来了，要得到其他参数的尺寸就必须更换全新的光学元件。

在实际应用中出现的情况是，被操纵的微粒尺寸通常是不同，例如，原核细胞的直径平均1-10微米，真核细胞的直径平均10-100微米，人卵细胞的直径平均0.2mm。操纵不同尺寸的微粒所需的局域空心光束的参数也是不同的。按照现有的方法，操纵不同尺寸的微粒必须更换不同的光学元件，而不同光学元件的制造费时而且昂贵。

本发明主要解决当前产生局域空心光束的方法在实际应用中存在的问题，提出一种采用一套光学系统，无需更换元件就可以产生不同尺寸可调局域空心光束的光学系统，以适应操纵不同尺寸微粒的需要，且系统中元件数量少、结构简单、加工方便。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种产生尺寸可调局域空心光束的光学系统，其无需更换元件就可以产生不同尺寸可调局域空心光束，且系统中元件数量少、结构简单、加工方便。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

产生尺寸可调局域空心光束的光学系统，包括激光器及按激光器的激光光路依次设置的望远镜准直扩束系统、光阑、锥台和轴棱锥；上述锥台的底角r1小于上述轴棱锥的底角r2，上述轴棱锥置于上述锥台产生的无衍射区域之后。

采用上述方案后，本实用新型的产生尺寸可调局域空心光束的光学系统，激光器的光束经过望远镜准直扩束系统进行准直扩束，通过光阑后入射锥台。将锥台分为两部分，一部分是以锥台的顶平面为底面的呈圆柱状的中间部分，另一部分是环绕于中间部分外的外围环形部分，锥台的外围环形部分对光束来说，相当于一个底角为r1的传统轴棱锥，通过此外围环形部分将经过准直的光束变换为具有会聚角r1的锥面波，锥面波在光轴上交汇后形成无衍射区域后，以角度r1分离继续向前传输到达轴棱锥的底部；锥台的中间部分对光束没有变换作用，因此，中间部分的光束通过锥台后保持原有的光学性质，正入射轴棱锥。

由以上分析可知，准直后的光束入射锥台后分为两部分光束入射轴棱锥底部。一部分是中间部分，另一部分是外围的锥面波。外围的锥面波以一定角度r1入射轴棱锥底部，通过轴棱锥变换之后产生新锥面波的会聚角为（r2-r1）；而中间部分光束通过轴棱锥变换后产生锥面波的会聚角为r2。轴棱锥后两束具有不同会聚角的锥面波分别相干叠加，形成两束贝塞尔光束，在两束贝塞尔光之间则出现一个没有光通过的区域，即单个局域空心光束（bottle beam）。通过改变传统轴棱锥与锥台之间的距离就可以方便调节局域空心光束的尺寸。

本实用新型的光学系统，不用更换新元件就可以方便获得不同尺寸的局域空心光束(bottle beam)，而且结构简单，系统中元件数量少，元件加工相对容易、对锥台和轴棱锥的底角、材料折射率没有特殊要求。为获取局域空心光束(bottle beam)提供一种简洁、有效的新途径。

附图说明

图1为传统轴棱锥的立体示意图；

图2为本实用新型中锥台的立体示意图；

图3为本实用新型中锥台的平面示意图；

图4为本实用新型的结构示意图；

图5为本实用新型的光学系统产生bottle beam的原理图。

具体实施方式

本实用新型产生尺寸可调局域空心光束的光学系统，如图1-5所示，包括激光器1、望远镜准直扩束系统2、圆形光阑3、锥台4和轴棱锥5，激光器1通过光具架6支撑定位于光学导轨7上，望远镜准直扩束系统2、光阑3、锥台4和轴棱锥5沿激光器1的激光光路依次通过光具架6设置于光学导轨7上。

其中，轴棱锥5采用如图1所示的传统轴棱锥，其底角为r2。