CN103885186A - 一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形*** - Google Patents

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Abstract

本发明揭示了一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，包括在同一光路上依次设置的准直透镜、棱镜对、光束位移块和柱面镜。本发明的一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，既实现了光束整形，得到的快、慢轴方向的光斑经汇聚透镜汇聚后的尺寸比例大于1∶5，同时将光束本身的像散和由棱镜对产生的像散消除，具有整形后光束质量高，提高仪器的信噪比，同时安装、制作时易于调节等优点。

Description

一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***
技术领域
本发明属于半导体激光器光束整形技术领域，尤其涉及一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***。
背景技术
光源及其光学***是流式细胞仪的核心部分，光源的质量直接决定了仪器的性能指标。激光能提供单波长、高强度及稳定性高的光照，是细胞微弱荧光快速分析的理想光源。一般流式细胞仪分选速度大于5000个/秒，以保证被分选细胞的生物学活性不受影响。由于细胞的快速流动，每个细胞经过光照区的时间仅为一微秒左右，每个细胞所携带荧光物质被激发出的荧光信号强弱，与被照射的时间和激发光的强度有关，因此，必须保证细胞达到足够的光照强度。激光光束在到达流动室前，先经过透镜将其聚焦，形成几何尺寸约为15×75μm的椭圆形高斯光束。
为保证流式细胞仪的分辨率（通常用变异系数CV值来表示），必须保证样品中细胞是逐个分别受到光照，并且光照强度一致。由于激光光源是呈高斯分布的，则要求照射到细胞上的光斑形状是均匀的高斯光束，且恰好位于高斯光束的顶点位置。满足该条件的最理想的做法是分别将激光的快轴、慢轴经聚焦透镜后恰好聚焦于细胞中心，以保证光照能量以及光照的均匀性，并保证激光能量分布峰值位于细胞中心，且光束形状是理想高斯分布。
对于激光二极管，其快轴与慢轴的发散角通常是2∶1，需要经过复杂的高放大倍率的光学***才能将光斑整型为5∶1。在国内外大型的流式细胞仪中，通常采用棱镜对或柱面透镜的方式来实现，而且为达到5∶1的椭圆比，通常将快轴光斑聚焦于流式细胞管中心，而慢轴焦点位于流式细胞管后方，即慢轴处于离焦状态应用，快轴与慢轴的聚焦位置不同。该方法的弊端是慢轴处于离焦状态，其高斯光束的均匀性不能保证，而且一旦光束指向性出现偏移，势必导致照射细胞上的光强发生突变。因此当激光器的指向性受外界环境变化而出现很小的变化时，***的CV信号必然下降，影响仪器的性能。
发明内容
鉴于上述现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，克服现有流失细胞仪中慢轴方向无法在焦平面使用而导致高斯光束不均匀引起的一系列问题。
本发明的目的将通过以下技术方案得以实现：
一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，包括在同一光路上依次设置的准直透镜、棱镜对、光束位移块和柱面镜，所述柱面镜同时将光束本身的像散和由所述棱镜对产生的像散消除；当所述棱镜对对光斑压缩时，所述柱面镜具有正的光焦度，当所述棱镜对对光斑扩束时，所述柱面镜具有负的光焦度。
优选的，上述的一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，其中：所述准直透镜具有正的光焦度，有效焦距为2mm-5mm。
优选的，上述的一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，其中：所述准直透镜和所述棱镜对之间设有望远镜***。
优选的，上述的一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，其中：所述望远镜***包括负透镜和正透镜。
优选的，上述的一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，其中：所述望远镜***对输入的经过所述准直透镜准直得到的椭圆光束快轴、慢轴两个方向的光斑同时扩束或缩束，使快轴方向的光斑准直输出，所述快轴方向的光斑大小在4mm-7mm；所述棱镜对将慢轴方向的光斑扩束或缩束，使慢轴方向的光斑大小在0.8mm-2mm，使慢轴方向的光斑沿光轴方向准直输出。
优选的，上述的一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，其中：所述光束位移块为立方体。
优选的，上述的一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，其中：所述光束位移块的通光面为抛光的亮面，其余面均为毛面。
优选的，上述的一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，其中：所述光束位移块的通光面的前表面未镀膜，后表面镀有增透膜。
优选的，上述的一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，其中：所述光束位移块的通光面与光轴成45度角，所述前表面反射部分光用于信号反馈，使光能量以恒定功率输出。
优选的，上述的一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，其中：所述柱面镜之后还包括汇聚透镜，所述汇聚透镜为具有正光焦度的双胶合透镜。
本发明的突出效果为：本发明的一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，既实现了光束整形，得到的快、慢轴方向的光斑经汇聚透镜汇聚后的尺寸比例大于1∶5，同时将光束本身的像散和由棱镜对产生的像散消除，具有整形后光束质量高，提高仪器的信噪比，同时安装、制作时易于调节等优点。
以下便结合实施例附图，对本发明的具体实施方式作进一步的详述，以使本发明技术方案更易于理解、掌握。
附图说明
图1是本发明实施例的光学***结构图；
图2是本发明实施例的经过望远镜***后的光斑大小分布图；
图3是本发明实施例的经过棱镜对后的光斑大小分布图；
图4是本发明实施例的经过汇聚透镜后的光斑大小分布图；
图5是本发明实施例的有无柱面补偿透镜时的慢轴方向光斑大小分布图；
图6是本发明实施例的无柱面补偿透镜时的慢轴方向光斑形状图；
图7是本发明实施例的有柱面补偿透镜时的慢轴方向光斑形状图；
图8是本发明实施例的有柱面补偿透镜消像散后的光斑大小分布图。
具体实施方式
实施例：
本实施例的一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，如图1所示，包括在同一光路上依次设置的准直透镜1、望远镜***、棱镜对4、光束位移块5、柱面镜6和汇聚透镜7。其中，准直透镜1具有正的光焦度，有效焦距为2mm-5mm。光束经准直透镜1准直后，再经过放大倍率约为2倍左右的望远镜***，望远镜***包括具有负光焦度的负透镜2和具有正光焦度的正透镜3，且两者的光焦度比约为1∶2，以此得到慢轴方向的光斑大小约为1.9mm，快轴方向的光斑大小约为5.2mm的准直光，光斑大小分布如图2所示。经过望远镜***扩束的准直光再经过安装在水平方向的棱镜对4后，将慢轴方向的光斑压缩至0.9mm左右，并使光路在水平方向出现平移，此平移量由光束位移块5补偿。光束位移块5为立方体，其厚度由棱镜对的缩放比例决定。光束位移块5的通光面为抛光的亮面，其余面均为毛面。光束位移块5的通光面的前表面未镀膜，后表面镀有增透膜。光束位移块5的通光面与光轴成45度角，前表面反射部分光用于信号反馈，使光能量以恒定功率输出。汇聚透镜7为具有正光焦度的双胶合透镜。
光束经过棱镜对4后，慢轴方向和快轴方向的光束发散角分别为：1.02mrad和0.08mrad，如图3所示。由于光束的快轴与慢轴的发散角不同是引起光束像散的根本原因，并导致光束在传播过程中光强分布会发生变化。因此，具有不同发散角的光再经过汇聚透镜7后，会产生3.5mm左右的像散，如图4所示。光束在经过棱镜对4和光束位移块5后，进入柱面镜6，柱面镜6的焦距为1米，则经过柱面镜6后的光斑大小如图5所示，其慢轴方向的发散角由1.02mrad变为0.075mrad，与快轴方向发散角接近，进而消除慢轴和快轴方向的像散。此时经过汇聚透镜7后的像散情况如图8所示。图6和图7分别是有无柱面镜6时光斑形状图，可以发现，加入柱面镜6后，慢轴方向光斑形状大大改善。经补偿后的光再经过汇聚透镜7后，得到慢轴方向光斑大小为75微米，快轴方向光斑大小为15微米左右的汇聚光斑。
本实施例的一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，既实现了光束整形，得到的快、慢轴方向的光斑经汇聚透镜7汇聚后的尺寸比例大于1∶5，同时将光束本身的像散和由棱镜对4产生的像散消除，具有整形后光束质量高，提高仪器的信噪比，同时安装、制作时易于调节等优点。
本发明尚有多种实施方式，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，其特征在于：包括在同一光路上依次设置的准直透镜、棱镜对、光束位移块和柱面镜，所述柱面镜同时将光束本身的像散和由所述棱镜对产生的像散消除；当所述棱镜对对光斑压缩时，所述柱面镜具有正的光焦度，当所述棱镜对对光斑扩束时，所述柱面镜具有负的光焦度。
2.根据权利要求1所述的一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，其特征在于：所述准直透镜具有正的光焦度，有效焦距为2mm-5mm。
3.根据权利要求1所述的一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，其特征在于：所述准直透镜和所述棱镜对之间设有望远镜***。
4.根据权利要求3所述的一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，其特征在于：所述望远镜***包括负透镜和正透镜。
5.根据权利要求3所述的一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，其特征在于：所述望远镜***对输入的经过所述准直透镜准直得到的椭圆光束快轴、慢轴两个方向的光斑同时扩束或缩束，使快轴方向的光斑准直输出，所述快轴方向的光斑大小在4mm-7mm；所述棱镜对将慢轴方向的光斑扩束或缩束，使慢轴方向的光斑大小在0.8mm-2mm，使慢轴方向的光斑沿光轴方向准直输出。
6.根据权利要求1所述的一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，其特征在于：所述光束位移块为立方体。
7.根据权利要求1所述的一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，其特征在于：所述光束位移块的通光面为抛光的亮面，其余面均为毛面。
8.根据权利要求1所述的一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，其特征在于：所述光束位移块的通光面的前表面未镀膜，后表面镀有增透膜。
9.根据权利要求1所述的一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，其特征在于：所述光束位移块的通光面与光轴成45度角，所述前表面反射部分光用于信号反馈，使光能量以恒定功率输出。
10.根据权利要求1所述的一种基于棱镜对和柱面镜的消像散光束整形***，其特征在于：所述柱面镜之后还包括汇聚透镜，所述汇聚透镜为具有正光焦度的双胶合透镜。
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