可產(chǎn)生尺寸可調(diào)的單個局域空心光束的光學元件的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設及光學傳輸變換領(lǐng)域與光學設計領(lǐng)域，具體是一種可產(chǎn)生尺寸可調(diào)的單 個局域空屯、光束的光學元件。
【背景技術(shù)】
[0002] 局域空屯、光束炬ottlebeam)是一種在沿傳輸方向的S維空間內(nèi)具有封閉暗域的 特殊空屯、光束，且暗域周圍的光束具有極高的強度，對處在暗域中的粒子有著束縛與囚禁 的作用。Bottlebeam由于對粒子特殊的"囚禁"能力而被廣泛應用在粒子囚禁和生物細胞 囚禁，還可用作激光導管，光綴與光學扳手等，因此，一直是光束變換與粒子操控研究中的 熱點。
[0003] Bottlebeam特殊的光強分布促進了人們對它的研究，現(xiàn)今已有許多產(chǎn)生Bottle beam的方法，VifiasSB用全息法得到Bottlebeam,PTTai使用激光器直接輸出了Bottle beam,Ahluwalia使用兩束Bessel光束干設得到了自成像Bottlebeam。我們實驗組也做 出了相關(guān)研究并提出了多種產(chǎn)生Bottlebeam的新型元件，如凹錐透鏡，圓頂軸棱錐，組合 式軸棱錐，梯度折射率軸棱錐，發(fā)光二極管透鏡等，都能在實驗或理論中獲得單個或周期的 Bott1ebeam。但是產(chǎn)生Bottlebeam的該些方法中，特殊的光學系統(tǒng)產(chǎn)生Bottlebeam 往往過于復雜，穩(wěn)定性較差，容易受到干擾，單元件產(chǎn)生Bottlebeam雖然系統(tǒng)簡單，但生產(chǎn) 較為困難，許多元件的設計僅存在于理論，現(xiàn)實中制備或加工難度較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、便于生產(chǎn)、可產(chǎn)生尺寸可調(diào)的單個局域空 屯、光束的光學兀件。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：
[0006] 可產(chǎn)生尺寸可調(diào)的單個局域空屯、光束的光學元件，包括罩體和平凸透鏡，罩體為 不透光的圓形片狀，且此罩體上具有兩個透光的同屯、圓環(huán)；罩體W可拆卸的方式貼附在平 凸透鏡的平面上，且兩個透光的同屯、圓環(huán)的圓屯、與平凸透鏡的中屯、重合。
[0007] 所述罩體通過透明的粘膠貼附在所述平凸透鏡的平面上。
[0008] 所述罩體通過卡扣結(jié)構(gòu)貼附在所述平凸透鏡的平面上。
[0009] 采用上述方案后，本發(fā)明的可產(chǎn)生尺寸可調(diào)的單個局域空屯、光束的光學元件，利 用球面透鏡非理想成像（球差）效應，即光軸上同一物點發(fā)出的光線經(jīng)球面透鏡成像后不 能匯聚到同一像點。當平行光垂直入射本發(fā)明的光學元件時，由于罩體的作用，只有兩組同 屯、環(huán)狀光束能夠出射元件，由于使用出射面為球面的平凸透鏡，具有球差，不同位置入射的 平行光被匯聚的軸向距離不同，因此，兩組同屯、環(huán)形光束在軸上會形成一個=維空間內(nèi)閉 合的無光區(qū)域，即Bottlebeam。本發(fā)明的光學元件能產(chǎn)生穩(wěn)定性較高的單個Bottlebeam， 通過更換光罩可實現(xiàn)Bottlebeam的尺寸可調(diào)，元件結(jié)構(gòu)簡單容易制作，是生產(chǎn)與實驗中產(chǎn) 生Bottlebeam的一種更簡潔，有效，更具操作性的新方法，在實際應用中，對不同尺寸的粒 子囚禁具有重要意義。
【附圖說明】
[0010] 圖1為本發(fā)明光學元件的俯視圖。
[0011] 圖2為本本發(fā)明光學元件的側(cè)視圖。
[0012] 圖3為本發(fā)明光學元件產(chǎn)生Bottlebeam的幾何分析圖。
[001引圖4為本發(fā)明中采用TracePro模擬的Bottlebeam截面照度分布圖。其中，（a) 圖中Z= 99. 0mm，化）圖中Z= 99. 1mm，（C)圖中Z= 99. 2mm，（d)圖中Z= 99. 5mm，（e) 圖中z= 99. 6mm。
[0014] 圖5為本發(fā)明中實驗測得的Bottlebeam截面照度分布圖。其中，（a)圖中z= 98. 3mm，化）圖中Z= 99. 1mm. (c)圖中z= 99. 2mm，（d)圖中z= 99. 3mm(e)圖中z= 100. 4mm。
【具體實施方式】
[0015] 下面結(jié)合圖示，用模擬與實驗對新型光學元件的結(jié)構(gòu)和原理作進一步詳細的說 明。
[0016] 本發(fā)明的可產(chǎn)生尺寸可調(diào)的單個局域空屯、光束的光學元件，如圖1、2所示，包括 罩體100和平凸透鏡200,罩體100為不透光的圓形片狀，且此罩體100中間具有兩個透光 的同屯、圓環(huán)11、12 ;罩體100W可拆卸的方式貼附在平凸透鏡200的平面上，且兩個透光的 同屯、圓環(huán)11、12的圓屯、與平凸透鏡200的中屯、重合。
[0017] 具體實施時，罩體100可通過透明的粘膠粘貼在平凸透鏡200的平面上，粘貼時， 可僅對罩體100和平凸透鏡200的邊緣（對應于圓環(huán)12W外的部位）進行粘貼。罩體100 也可通過常規(guī)的卡扣結(jié)構(gòu)貼附在平凸透鏡200的平面上，卡扣結(jié)構(gòu)僅設置在罩體100和平 凸透鏡200的邊緣（對應于圓環(huán)12W外的部位），不影響光束的傳遞。當然，卡扣結(jié)構(gòu)最好 能采用透明材料。
[0018] 本發(fā)明中，罩體100的材料可采用透光材料，預留出透光的同屯、圓環(huán)11、12后其他 部分用遮光材料涂覆即可。當然，罩體100的材料也可采用不透光材料，再在不透光材料的 罩體100上處理出透光的同屯、圓環(huán)11、12。
[0019] 圓環(huán)11的內(nèi)徑、外徑分別為R1、R2,圓環(huán)12的內(nèi)徑、外徑分別為R3、R4。透光的同 屯、圓環(huán)11、12的內(nèi)外徑可根據(jù)需要人為設定。
[0020] 本發(fā)明的光學元件利用球面透鏡非理想成像（球差）效應，即光軸上同一物點發(fā) 出的光線經(jīng)球面透鏡成像后不能匯聚到同一像點。如圖3所示，W入射平行光為例，當平行 光垂直入射本發(fā)明的光學元件時，由于罩體100的作用，光只能從透光的同屯、圓環(huán)11、12出 射，該樣便只有兩組同屯、環(huán)狀光束能夠出射元件，由于使用出射面為球面的平凸透鏡，具有 球差，不同位置入射的平行光被匯聚的軸向距離不同，因此，兩組同屯、環(huán)形光束在軸上會形 成一個S維空間內(nèi)閉合的無光區(qū)域，即Bottlebeam。
[0021] 為推導出產(chǎn)生Bottlebeam的具體參數(shù)公式，由單個折射面的實際成像公式、幾何 關(guān)系與折射定律，結(jié)合Bottlebeam產(chǎn)生的幾何原理（如圖3所示）可W得到產(chǎn)生Bottle beam的開環(huán)位置表達式（式1)、軸向深度AZ表達式（式2)和空屯、區(qū)域的截面最大半徑 Ay的表達式（式3);
[0026] 上面各式中r為平凸透鏡200的凸面的曲率半徑，n為平凸透鏡200材料的折射 率，R1為圓環(huán)11的內(nèi)徑，R2為圓環(huán)11的外徑，R3為圓環(huán)12的內(nèi)徑，R4圓環(huán)12的外徑。開 環(huán)位置是指Bottle beam的起始位置（始于光束沿光軸在平凸透鏡200上的出射點）。軸 向深度AZ指Bottle beam的軸向長度。截面最大半徑Ay指Bottle beam沿垂直于光軸 的方向上的截面最大半徑。
[0027] 為了模擬Bottle beam的圖樣，在Trace Pro軟件中設置相關(guān)參數(shù)，使用格點光 源，運行軟件進行光線追跡，得到不同位置處Bottle beam的光強截面分布如圖4所示。
[0028] 為了驗證本發(fā)明的光學元件能夠產(chǎn)生Bottle beam,我們設計實驗，W化-Ne激光 為光源，用準直擴束系統(tǒng)將出射光調(diào)制為大孔徑的平行光，入射與Trace Pro中參數(shù)相同的 本發(fā)明的光學元件，在元件后方使用體式顯微鏡觀察并拍攝，得到Bottle beam在不同位置 的截面光強分布如圖5所示。
[0029] 將透鏡參數(shù)代入式1-3,得到產(chǎn)生Bottlebeam的理論值，由光線追跡得到光束的 模擬值，在實驗操作中得到實驗值，經(jīng)過整理：
[0030] 理論值；開環(huán)于99. 001mm處，軸向深度AZ為0. 582mm，空屯、區(qū)域的截面最大半徑 Ay為 0. 010mm。
[0031] 模擬值；開環(huán)于98. 971mm處，軸向深度Az為0. 590mm，空屯、區(qū)域的截面最大半徑 Ay為 0. 011mm。
[0032] 實驗值：開環(huán)位置為98. 279mm，軸向深度Az約為1mm，空屯、區(qū)域的截面最大半徑 Ay為 12um。
[0033] 理論值與模擬值吻合較好，由于實驗中測量精度的問題，實驗值誤差稍大，但在誤 差允許的范圍內(nèi)，理論值，模擬值與實驗值基本吻合。
[0034] 為研究不同的透光圓環(huán)的參數(shù)對產(chǎn)生Bottle beam的影響，我們使用相同的材料， 只改變光源的孔徑大小，運行Trace Pro進行仿真，在模擬數(shù)據(jù)中加入與理論計算結(jié)果，得 到了不同雙環(huán)參數(shù)產(chǎn)生Bott 1 e beam的理論值與模擬值的數(shù)據(jù)比較（表1)。
[00巧]表1[0036]
[0037] 數(shù)據(jù)顯示，設定不同的同屯、圓環(huán)的參數(shù)，本發(fā)明光學元件產(chǎn)生Bottlebeam的軸向 距離和最大半徑隨之改變，數(shù)值模擬與理論計算基本吻合。數(shù)據(jù)結(jié)果證明了本發(fā)明的光學 元件可W通過更換罩體達到Bottlebeam尺寸可調(diào)的目的。
[0038] 本發(fā)明的光學元件能產(chǎn)生穩(wěn)定性較高的單個Bottlebeam,通過更換罩體可實現(xiàn) Bottlebeam的尺寸可調(diào)，元件結(jié)構(gòu)簡單容易制作，是生產(chǎn)與實驗中產(chǎn)生Bottlebeam的一 種更簡潔，有效，更具操作性的新方法，在實際應用中，對不同尺寸的粒子囚禁具有重要意 義。
[0039] 上述實施例和圖式并非限定本發(fā)明系統(tǒng)的產(chǎn)品形態(tài)和式樣，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域的 普通技術(shù)人員對其所做的適當變化或修飾，皆應視為不脫離本發(fā)明系統(tǒng)的專利范疇。
【主權(quán)項】
1. 可產(chǎn)生尺寸可調(diào)的單個局域空心光束的光學元件，其特征在于：包括罩體和平凸透 鏡，罩體為不透光的圓形片狀，且此罩體上具有兩個透光的同心圓環(huán)；罩體以可拆卸的方式 貼附在平凸透鏡的平面上，且兩個透光的同心圓環(huán)的圓心與平凸透鏡的中心重合。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可產(chǎn)生尺寸可調(diào)的單個局域空心光束的光學元件，其特征在 于：所述罩體通過透明的粘膠貼附在所述平凸透鏡的平面上。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的可產(chǎn)生尺寸可調(diào)的單個局域空心光束的光學元件，其特征在 于：所述罩體通過卡扣結(jié)構(gòu)貼附在所述平凸透鏡的平面上。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種可產(chǎn)生尺寸可調(diào)的單個局域空心光束的光學元件，其包括光罩和平凸透鏡，罩體為不透光的圓形片狀，且此罩體上具有兩個透光的同心圓環(huán)；罩體以可拆卸的方式貼附在平凸透鏡的平面上，且兩個透光的同心圓環(huán)的圓心與平凸透鏡的中心重合。本發(fā)明利用球差原理，入射的平行光被聚焦到不同軸上距離，形成一個在三維空間內(nèi)閉合的空心光束，即Bottle beam。本發(fā)明的光學元件，單個元件能夠產(chǎn)生參數(shù)固定的Bottle beam，穩(wěn)定性高；通過更換罩體可以在較大范圍內(nèi)實現(xiàn)Bottle beam的尺寸可調(diào)，對不同尺寸的粒子囚禁具有實際意義。
【IPC分類】G02B27/09
【公開號】CN104880828
【申請?zhí)枴緾N201510333182
【發(fā)明人】吳逢鐵, 孫川, 刑笑雪, 何艷林
【申請人】華僑大學
【公開日】2015年9月2日
【申請日】2015年6月16日