專利名稱：用led光源產(chǎn)生局域空心光束的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種利用非相干LED光源直接產(chǎn)生局域空心光束(Bottle beam)的光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
局域空心光束(Bottle beam)是光 束沿光傳播方向上有著強(qiáng)度為零的區(qū)域,而在此區(qū)域外三維空間都圍繞著高強(qiáng)度光的一種空心光束。暗中空區(qū)域周圍被光束包圍，有著極高的強(qiáng)度梯度，可以實現(xiàn)對粒子的三維操控。近年來，Bottle beam在粒子囚禁、原子冷卻等領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，因此，一直是研究的熱點(diǎn)。目前，產(chǎn)生Bottle beam的方法有多種。例如光學(xué)全息法、高斯光束和拉蓋爾-高斯光束干涉法，Bessel光相干法、新型錐透鏡法、軸棱錐_透鏡法等。傳統(tǒng)Bottle beam的產(chǎn)生都是采用激光作為光源，對于非相干LED光源聚焦直接產(chǎn)生Bottle beam的研究國內(nèi)外尚未見報道，而非相干光聚焦產(chǎn)生Bottle beam具有光強(qiáng)分布比較均勻、波前相位不易發(fā)生畸變等特性，對于粒子囚禁、激光光鑷等具有極高的應(yīng)用價值。LED光源作為一種新型固態(tài)光源，具有節(jié)能、環(huán)保、壽命長、造價低廉、極易獲得等諸多優(yōu)點(diǎn)。非相干LED光源聚焦產(chǎn)生Bottle beam與用激光產(chǎn)生Bottle beam的光學(xué)系統(tǒng)相比大幅度降低了實驗成本，同時對部分相干光產(chǎn)生的Bessel光束聚焦特性的研究具有現(xiàn)實指導(dǎo)意義。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種用LED光源產(chǎn)生局域空心光束的光學(xué)系統(tǒng)。為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案用LED光源產(chǎn)生局域空心光束的光學(xué)系統(tǒng)，包括光學(xué)平臺、光具座、LED燈珠、LED聚光透鏡、聚光筒、光闌、望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、軸棱錐和聚焦透鏡；其中，LED聚光透鏡通過光具座支設(shè)于光學(xué)平臺的一端，以光學(xué)平臺設(shè)置LED聚光透鏡的一端為后，另一端為前，LED聚光透鏡罩設(shè)于LED燈珠外用以將LED燈珠發(fā)出的光匯聚后投向前方，聚光筒、光闌、望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、軸棱錐和聚焦透鏡分別通過光具座依次支設(shè)于LED聚光透鏡的前方；聚光筒為維形聚光筒，LED聚光透鏡的開口套接于此維形聚光筒的大內(nèi)，此維形聚光筒的小端具有用以將光線出射至前方的小孔；LED聚光透鏡、聚光筒、光闌、望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、軸棱錐和聚焦透鏡的中心都在光軸上，聚光筒與光闌的間距D要滿足的條件，其中b為聚光筒小端的小孔的內(nèi)徑，d
Λ
為光闌的直徑，λ為入射光的波長；望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)包括由后至前依次設(shè)置的短焦距透鏡和長焦距透鏡，此短焦距透鏡與此長焦距透鏡的間距為兩者焦距之和；光闌與此短焦距透鏡的間距小于13cm ;軸棱錐與此長焦距透鏡的間距小于10cm，聚焦透鏡與軸棱錐頂點(diǎn)間的距離大于聚焦透鏡的焦距并小于軸棱錐后最大無衍射距離。
所述LED燈珠膠合于LED聚光透鏡的內(nèi)側(cè)面上。 所述聚光筒用于與LED聚光透鏡相套接的大端的直徑略大于或等于所述LED聚光透鏡的開口直徑；所述小孔的直徑約為2mm。所述光闌為直徑可調(diào)的圓孔光闌，用以提高LED光場的相干性。所述LED燈珠采用頻譜寬度小于80nm的LED燈珠。所述LED燈珠為藍(lán)光LED燈珠。采用上述方案后，點(diǎn)亮LED燈珠，LED燈珠發(fā)出的光經(jīng)LED聚光透鏡匯聚后進(jìn)入聚光筒，光線在聚光筒內(nèi)經(jīng)過多次反射并匯聚達(dá)到強(qiáng)度分布較均勻的狀態(tài)從聚光筒的小孔出射，經(jīng)過光闌光場空間相干性得到提高，通過望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)然后正入射軸棱錐，在軸 棱錐后一定距離內(nèi)形成近似無衍射區(qū)域，在無衍射區(qū)域內(nèi)放置聚焦透鏡，此時，聚焦透鏡后形成局域空心光束。與以往產(chǎn)生局域空心光束的激光光源相比,米用了非相干LED光源的本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可以大幅度降低光源成本的優(yōu)點(diǎn)。產(chǎn)生的局域空心光束可以用于粒子囚禁和原子冷卻，為獲取局域空心光束提供了一種簡潔、有效的新途徑，在生命科學(xué)和納米科技中的應(yīng)用具有重要的意義。


圖I為本發(fā)明光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明的光路示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖對本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理作進(jìn)一步詳細(xì)的說明。本發(fā)明用LED光源產(chǎn)生局域空心光束的光學(xué)系統(tǒng)，如圖I所示，包括光學(xué)平臺1，藍(lán)光LED燈珠2，LED聚光透鏡3，聚光筒4，光闌5，望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)6，軸棱錐7，短焦透鏡8，和光具座9。其中，LED燈珠可選用頻譜寬度小于80nm的LED燈珠，本實施例選用藍(lán)光LED燈珠(藍(lán)光的光源頻譜較寬其相干性會好一些，滿足頻譜寬度要求的其他顏色的LED也可以)，頻譜寬度為41nm。其中，LED聚光透鏡3通過光具座9支設(shè)于光學(xué)平臺I的一端，以光學(xué)平臺I設(shè)置LED聚光透鏡3的一端為后，另一端為前，藍(lán)光LED燈珠2膠合于LED聚光透鏡3的內(nèi)側(cè)面上(朝向前方的這一面)大致中心的位置，通過LED聚光透鏡3將藍(lán)光LED燈珠2發(fā)出的光匯聚后投向前方，聚光筒4、光闌5、望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)6、軸棱錐7和短焦透鏡8分別通過光具座9依次支設(shè)于LED聚光透鏡3的前方,且LED聚光透鏡3、聚光筒4、光闌5、望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)6、軸棱錐7和短焦透鏡8的中心都在光軸上。其中聚光筒4為一端直徑大、另一端直徑小的錐形聚光筒，此錐形聚光筒大端的內(nèi)徑比LED聚光透鏡3的開口直徑(LED聚光透鏡3的開口直徑即LED聚光透鏡3朝向前方的這一端的直徑)略大，或錐形聚光筒大端的內(nèi)徑與LED聚光透鏡3的開口直徑相等，LED聚光透鏡3的開口(即,LED聚光透鏡4朝向前方的這一端)套接于錐形聚光筒的大端內(nèi)；錐形聚光筒4的小端(靠近光闌5的一端)具有用以將光線出射至前方的小孔，此小孔的直徑(即小端的內(nèi)徑)約為2mm;
光闌5為直徑可調(diào)的圓孔光闌，用以提高LED光場的相干性，為達(dá)到相干性要求，光闌5與聚光筒4的間距D要求滿足P - $的條件，其中b為聚光筒4的小端的小孔的內(nèi)
Λ
徑，d為光闌的直徑，λ為入射光的波長；望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)6包括由后至前依次設(shè)置的短焦距透鏡61和長焦距透鏡62，短焦距透鏡61與長焦距透鏡62的間距為 兩者焦距之和，對通過光闌5后的LED光進(jìn)行準(zhǔn)直擴(kuò)束；光闌5與短焦距透鏡61的間距小于13cm，本實施例中，光闌5與短焦距透鏡的間距可選擇Ilcm ;軸棱錐7與長焦距透鏡62的間距小于10cm，本實施例中，此間距可選擇7cm ；短焦透鏡8與軸棱錐7頂點(diǎn)間的距離應(yīng)大于短焦透鏡8的焦距并小于軸棱錐7后最大無衍射距離。如圖2所示，為本發(fā)明系統(tǒng)的光路示意圖。藍(lán)光LED燈珠2發(fā)出的光經(jīng)LED聚光透鏡3匯聚后進(jìn)入聚光筒4，光線在聚光筒4內(nèi)經(jīng)過多次反射并匯聚達(dá)到強(qiáng)度分布較均勻的狀態(tài)從聚光筒4的小孔出射，經(jīng)過半徑為a的光闌5，光場空間相干性得到提高，通過望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)6然后正入射軸棱錐7，在軸棱錐7后一定距離內(nèi)形成近似無衍射區(qū)域。最大無衍射距離可由公式Zmax a/[(n-l) Y]計算得到，其中η為軸棱錐折射率，Y為軸棱錐底角。調(diào)節(jié)短焦透鏡8的距離，使< Ztl < Zmax，此時，短焦透鏡8后形成局域空心光束10(圖2中的陰影部分)。與以往產(chǎn)生Bottle beam的激光光源相比，本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、可以大幅度降低光源成本的優(yōu)點(diǎn)。產(chǎn)生的局域空心光束可以用于粒子囚禁和原子冷卻，為獲取局域空心光束提供了一種簡潔、有效的新途徑，在生命科學(xué)和納米科技中的應(yīng)用具有重要的意義。
權(quán)利要求
1.用LED光源產(chǎn)生局域空心光束的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于包括光學(xué)平臺、光具座、LED燈珠、LED聚光透鏡、聚光筒、光闌、望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、軸棱錐和聚焦透鏡； 其中，LED聚光透鏡通過光具座支設(shè)于光學(xué)平臺的一端，以光學(xué)平臺設(shè)置LED聚光透鏡的一端為后，另一端為前，LED聚光透鏡罩設(shè)于LED燈珠外用以將LED燈珠發(fā)出的光匯聚后投向前方，聚光筒、光闌、望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、軸棱錐和聚焦透鏡分別通過光具座依次支設(shè)于LED聚光透鏡的前方； 聚光筒為錐形聚光筒，LED聚光透鏡的開口套接于此錐形聚光筒的大端內(nèi)，此錐形聚光筒的小端具有用以將光線出射至前方的小孔； LED聚光透鏡、聚光筒、光闌、望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、軸棱錐和聚焦透鏡的中心都在光軸 hi上，聚光筒與光闌的間距D要滿足的條件，其中b為聚光筒小端的小孔的內(nèi)徑，d為 A光闌的直徑，λ為入射光的波長；望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)包括由后至前依次設(shè)置的短焦距透鏡和長焦距透鏡，此短焦距透鏡與此長焦距透鏡的間距為兩者焦距之和；光闌與此短焦距透鏡的間距小于13cm ;軸棱錐與此長焦距透鏡的間距小于10cm，聚焦透鏡與軸棱錐頂點(diǎn)間的距離大于聚焦透鏡的焦距并小于軸棱錐后最大無衍射距離。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用LED光源產(chǎn)生局域空心光束的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述LED燈珠膠合于LED聚光透鏡的內(nèi)側(cè)面上。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用LED光源產(chǎn)生局域空心光束的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述聚光筒用于與LED聚光透鏡相套接的大端的直徑略大于或等于所述LED聚光透鏡的開口直徑；所述小孔的直徑約為2mm。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用LED光源產(chǎn)生局域空心光束的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述光闌為直徑可調(diào)的圓孔光闌。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的用LED光源產(chǎn)生局域空心光束的光學(xué)系統(tǒng),其特征在于所述LED燈珠采用頻譜寬度小于80nm的LED燈珠。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的用LED光源產(chǎn)生局域空心光束的光學(xué)系統(tǒng),其特征在于所述LED燈珠為藍(lán)光LED燈珠。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種用LED光源產(chǎn)生局域空心光束的光學(xué)系統(tǒng)。光學(xué)系統(tǒng)包括光學(xué)平臺，藍(lán)光LED燈珠，LED聚光透鏡，聚光筒，光闌，望遠(yuǎn)鏡準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)，軸棱錐，聚焦透鏡。與以往產(chǎn)生Bottle beam的激光光源相比，具有結(jié)構(gòu)簡單、可以大幅度降低光源成本的優(yōu)點(diǎn)。產(chǎn)生的Bottle beam可以用于粒子囚禁和原子冷卻，為獲取Bottle beam提供了一種簡潔、有效的新途徑，在生命科學(xué)和納米科技中的應(yīng)用具有重要的意義。
文檔編號G02B27/09GK102819109SQ20121027636
公開日2012年12月12日 申請日期2012年8月3日 優(yōu)先權(quán)日2012年8月3日
發(fā)明者吳逢鐵, 范丹丹, 程治明, 方翔 申請人:華僑大學(xué)