CN110967842B - 基于光镊技术的局域空心光束自由开闭*** - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于光镊技术的局域空心光束自由开闭***，其中包括沿光线传播方向依次设置的激光源、扩束镜、圆孔光阑、轴棱锥、聚焦透镜；所述激光源发出的激光经过扩束镜后，入射到旋转特定角度的圆孔光阑上，调控后的不对称光束通过轴棱锥折射，被聚焦透镜聚焦后形成带有缺口的局域空心光束，恢复旋转的圆孔光阑，入射光束经过光学***后会形成三维封闭的局域空心光束。本发明通过灵活的旋转圆孔光阑，调控入射光束，形成的局域空心光束缺口可自由开闭，为光镊***的微粒捕获提出了新的思路，解决了现有光镊装置的局限性，可实现***操作简单、可调谐、稳定的特性。
Description
技术领域
本发明涉及应用光学技术领域，尤其涉及一种基于光镊技术的局域空心光束自由开闭***。
背景技术
在空心光束中有一类特殊的种类引起广泛关注，在传播方向上存在着光强极小甚至为零的三维封闭区域，像一个特殊的密闭容器，称之为局域空心光束。局域空心光束具备很多新颖且独特的特性，如桶状光强分布、自旋角动量和轨道角动量、暗斑尺寸小和无加热效应等。这些特性使得空心光束在激光囚禁与冷却、光学镊子、玻色-爱因斯坦凝聚、光学测量、计算全息等方面有其独特应用。其中以激光微束光阱效应为基础的光镊技术是生命科学和生物工程研究的有力工具。由于局域空心光束具有三维封闭的暗中空区域和极高的强度梯度，从而根据局域空心光束的这种独特的光强分布使其在粒子操作与囚禁等领域有着非常重要的应用价值。
基于光镊技术的局域空心光束在捕获微粒时，一旦三维封闭的局域空心光阱形成，实际上会阻挡微粒进入，对于粒子的无损捕获会变得困难。当局域空心光束出现一个缺口时，会完美解决这一问题。在粒子捕获时，局域空心光束打开缺口，使粒子进入光阱；完全进入后，局域空心光束闭合缺口，使粒子囚禁在光阱中心，有目的的对局域空心光束进行打开和关闭，对光镊***捕获微粒具有重要的意义。近年来带有缺口的局域空心光束的生成鲜有报道，主要集中在双轴晶体的偏振调控和空间光调制器调控的方法，但是这些方法存在着灵活性不高、结构复杂、造价昂贵的问题。
发明内容
为解决上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种基于光镊技术的局域空心光束自由开闭***，该***具有结构简单、灵活性高、成本较低的优点。
本发明解决上述问题的技术方案是：一种基于光镊技术的局域空心光束自由开闭***，其特殊之处在于：
包括沿光线传播方向依次设置的激光源、扩束镜、圆孔光阑、轴棱锥、聚焦透镜；其中，所述圆孔光阑可旋转；
所述激光源发出的激光经过扩束镜后，入射到旋转的圆孔光阑上，调控后的光束通过轴棱锥折射，被聚焦透镜聚焦后形成带有缺口的局域空心光束。
进一步地，上述圆孔光阑的长宽厚为20mm×20mm×0.01mm，其中圆孔光阑的中心圆孔半径为3mm，旋转的角度范围为0°～360°。
进一步地，上述轴棱锥的底角为5°，材料为紫外熔融石英，折射率为1.47，直径为25.4mm，中心厚度为6.1mm。
进一步地，聚焦透镜为双凸透镜，材料为紫外熔融石英，焦距为10mm，曲率半径为8.8mm，中心厚度为2.2mm，边缘厚度为1.5mm，放置在轴棱锥后面类马丢光束区域内。
进一步地，上述扩束镜的放大倍率为5X-10X。
进一步地，上述激光源为氦氖激光器，波长为632.8nm，最小输出功率为5mW，光斑半径为0.4mm，型号为LASOS-LGK7628。
本发明的优点：
1)本发明提出一种基于光镊技术的局域空心光束自由开闭***，该***具有结构简单、灵活性高、成本较低的优点，为光镊***的微粒捕获提出了新的思路，解决了现有光镊装置的局限性；
2)本发明为局域空心光束自由捕获微粒提供了有效途径和方法：初始不旋转圆孔光阑时，光学***产生三维封闭的理想局域空心光束；当旋转圆孔光阑为特定角度时，光学***产生带有缺口的局域空心光束；对粒子捕获后，恢复圆孔光阑，光学***会再次产生三维封闭的理想局域空心光束，可对粒子进行囚禁和操纵。通过两次旋转圆孔光阑，实现局域空心光束的重构，灵活的打开和关闭局域空心光束，实现光镊捕获***的可调谐性，提高了***的捕获效率。
附图说明
图1为本发明一种基于光镊技术的局域空心光束自由开闭***的示意图；
图2为图1中旋转的圆孔光阑的调控示意图；
图3为图1中圆孔光阑旋转60°时产生的类马丢光束光斑图和最大焦平面处光斑图；
图4为图1中带有缺口的局域空心光束捕获粒子的示意图。
其中，1-氦氖激光器；2-扩束镜；3-圆孔光阑；4-轴棱锥；5-聚焦透镜。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多种”或“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
参见图1-图4，一种基于光镊技术的局域空心光束自由开闭***，包括沿光线传播方向依次设置的氦氖激光器1、扩束镜2、圆孔光阑3、轴棱锥4、聚焦透镜5，其中，所述圆孔光阑3可旋转；
所述氦氖激光器1发出的激光经过扩束镜2后，入射到旋转特定角度的圆孔光阑3上，调控后的光束通过轴棱锥4会聚折射，产生的类马丢光束被聚焦透镜5聚焦后，最后形成带有缺口的局域空心光束，圆孔光阑3不同的旋转角度形成的局域空心光束的缺口程度不同，可以灵活的捕获不同尺寸的微粒。
作为本发明较佳的一个实施例子。
优选地，所述激光源1为氦氖激光器，其波长为632.8nm，最小输出功率为5mW，光斑半径为0.4mm，型号为LASOS-LGK7628。具有稳定性好、寿命长、制造简便、使用方便、重量轻、体积小等许多优点,尤其突出的是它的方向性和单色性好。
优选地，所述扩束镜2的放大倍率为5X-10X，将氦氖激光器的光束半径由0.4mm扩大为4mm。
优选地，所述圆孔光阑3的长宽高为20mm×20mmm×0.01mm，圆孔半径为3mm，圆孔光阑的旋转角度为60°。
优选地，所述轴棱锥4的底角为5°，材料为紫外熔融石英，折射率为1.47，直径为25.4mm，中心厚度为6.1mm。
优选地，所述聚焦透镜5为双凸透镜，材料为紫外熔融石英，焦距为10mm，曲率半径为8.8mm，中心厚度为2.2mm，边缘厚度为1.5mm，放置在轴棱锥后面类马丢光束区域内。
首先使用波长为632.8nm的氦氖激光器输出激光，激光经过扩束镜扩束，被旋转60°的圆孔光阑调控为长轴为3mm和短轴为1.5mm的椭圆高斯光束，再通过轴棱锥折射，分别在不同位置生成类贝塞尔光束和类马丢光束，类马丢光束被聚焦透镜聚焦后，最后形成带有缺口的局域空心光束，圆孔光阑3旋转60°相对于旋转其它角度形成的局域空心光束的缺口程度更加明显。
本发明通过旋转圆孔光阑3，调控入射光源的不对称性，这种不对称的光源在入射到轴棱锥-透镜***后，会产生带有缺口的局域空心光束，之后恢复圆孔光阑3，调控为对称光源，入射到光学***后，会产生三维封闭的局域空心光束，灵活调控入射光源，控制局域空心光束的自由打开和关闭，可大幅度提高局域空心光束的粒子捕获效率，实现光镊***对粒子的自由捕获和囚禁。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的***领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (6)
1.一种基于光镊技术的局域空心光束自由开闭***，其特征在于：
包括沿光线传播方向依次设置的激光源(1)、扩束镜(2)、圆孔光阑(3)、轴棱锥(4)、聚焦透镜(5)；其中，所述圆孔光阑(3)可旋转；
所述激光源(1)发出的激光经过扩束镜(2)后，入射到旋转特定角度的圆孔光阑(3)上被调控为不对称的椭圆光束，之后通过轴棱锥(4)折射形成类马丢光束，被聚焦透镜(5)聚焦后形成带有缺口的局域空心光束，完成对微粒的捕获后，恢复旋转的圆孔光阑(3)，形成三维封闭的局域空心光束，通过两次旋转圆孔光阑(3)，调控局域空心光束的打开和关闭，实现光镊捕获***的可调谐。
2.根据权利要求1所述的一种基于光镊技术的局域空心光束自由开闭***，其特征在于：
所述圆孔光阑(3)的长宽厚为20mm×20mm×0.01mm，圆孔半径为3mm，圆孔光阑的旋转角度范围为0°～360°。
3.根据权利要求1所述的一种基于光镊技术的局域空心光束自由开闭***，其特征在于：
所述轴棱锥(4)的底角为5°，材料为紫外熔融石英，折射率为1.47，直径为25.4mm，中心厚度为6.1mm。
4.根据权利要求1-3任一所述的一种基于光镊技术的局域空心光束自由开闭***，其特征在于：
所述聚焦透镜(5)为双凸透镜，材料为紫外熔融石英，焦距为10mm，中心厚度为2.2mm，边缘厚度为1.5mm。
5.根据权利要求4所述的一种基于光镊技术的局域空心光束自由开闭***，其特征在于：
所述扩束镜(2)的放大倍率为5X-10X。
6.根据权利要求5所述的一种基于光镊技术的局域空心光束自由开闭***，其特征在于：
所述激光源(1)为氦氖激光器，波长为632.8nm，最小输出功率为5mW，光斑半径为0.4mm，型号为LASOS-LGK7628。
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