可产生单个局域空心光束和周期性局域空心光束的光学系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及一种可产生单个局域空心光束和周期性局域空心光束的光学系 统。
【背景技术】
[0002] 局域空心光束（Bottle beam)是指一种在光束的传播方向上有着强度为零的区 域，且在此区域外三维空间都围绕着高强度光束的一种特殊空心光束。由于它具有三维封 闭的暗中空区域和极高的强度梯度，可用于微粒捕获、颗粒物光学操控等领域，因此空心局 域光束的产生和应用研究已成为光学领域一个很重要的课题。
[0003] 局域空心光束根据产生情况分为单个局域空心光束和周期性局域空心光束两种。 两种局域空心光束各具特点：单个局域空心光束可产生较大尺寸的暗中空区域，可用于较 大尺寸微粒的操控；周期性局域空心光束的暗中空区域尺寸较小，但是一次可产生多个暗 中空区域，可实现微粒的多层次操控。因此两种局域空心光束的应用场合也各不相同。
[0004] 现有光学系统能够产生单个局域空心光束的无法产生周期性局域空心光束，而能 够产生周期性局域空心光束又无法产生单个局域空心光束，极不利于局域空心光束的实际 应用。
[0005] 有鉴于此，本发明人针对现有产生局域空心光束光学系统存在的问题进行了深入 研究，本案由此产生。 【实用新型内容】
[0006] 本实用新型的目的是提供一种可产生单个局域空心光束和周期性局域空心光束 的光学系统。
[0007] 为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
[0008] -种可产生单个局域空心光束和周期性局域空心光束的光学系统，包括沿光路依 次设置的激光器、望远镜扩束准直器、圆柱状透镜和轴棱锥，圆柱状透镜的半径为b，轴棱 锥的底面半径为c，c>b，圆柱状透镜的底面开设有以此底面为圆锥底面且与圆柱状透镜同 轴并等高的内凹圆锥腔，此内凹圆锥腔的底面半径为a，a〈b，此内凹圆锥腔的底角 Γι小于轴 棱锥的底角r2，此内凹圆锥腔的底面朝向轴棱锥的底面，圆柱状透镜与轴棱锥之间的距离 为L:
[0009] 采用上述方案后，本实用新型一种可产生单个局域空心光束和周期性局域空心光 束的光学系统，激光器产生的激光束经过望远镜扩束准直器扩束准直形成近似平面波，平 面波通过带内凹圆锥腔的圆柱状透镜被分为两部分（中间部分和外围环形部分）光束向前 传输到轴棱锥底部，外围环形部分保持原有光学性质正入射轴棱锥底部，中间部分在内凹 圆锥腔的作用下变换为具有发散角^的锥面波入射轴棱锥底部，调整圆柱状透镜与轴棱锥 之间的距离L，当
I寸可得到单个局域空心光束，当
时，可产生周期性局域空心光束。本实用新型采用一套光学系统就可以方便地获得单个局 域空心光束和周期性局域空心光束，而且结构简单，系统中元件数量少，元件加工相对容 易、对材料折射率没有特殊要求。为获取局域空心光束提供一种简洁、有效的新途径。
【附图说明】
[0010] 图1为本实用新型光学系统的结构示意图；
[0011] 图2a为图1中圆柱状透镜的侧视图；图2b为图1中圆柱状透镜的立体图；
[0012] 图3a为图1中轴棱锥的侧视图；图3b为图1中轴棱锥的立体图；
[0013] 图4为本实用新型光学系统产生单个局域空心光束的原理示意图；
[0014] 图5为本实用新型光学系统产生周期性局域空心光束的原理示意图。
【具体实施方式】
[0015] 本实用新型一种可产生单个局域空心光束和周期性局域空心光束的光学系统，如 图1所示，包括在光学导轨上沿光路依次设置的激光器1〇〇、望远镜扩束准直器200、圆柱状 透镜300和轴棱锥400。
[0016] 如图2a、2b、3a、3b所示，圆柱状透镜300的半径为b，轴棱锥的底面半径为c，c>b， 圆柱状透镜300的一个底面31开设有以底面31为圆锥底面且与圆柱状透镜300同轴并等 高的内凹圆锥腔32,此内凹圆锥腔32的底面半径为a，a〈b。加工时，可在圆柱状透镜300 的底面31的中心位置磨削出一个与圆柱状透镜300同轴并等高的内凹圆锥腔32,圆柱状 透镜300的底面31被内凹圆锥腔32分成两个部分，即，对应于内凹圆锥腔32的底面的半 径为a的中间部分和余下的外围环形部分。且此内凹圆锥腔300的底角 Γι小于轴棱锥400 的底角r2。在本实用新型的光学系统中，此内凹圆锥腔32的底面朝向轴棱锥400的底面。
[0017] 本实用新型产生单个局域空心光束和周期性局域空心光束的原理如下：
[0018] 激光器100产生的激光束经过望远镜扩束准直器200扩束准直形成近似平面波， 平面波通过带内凹圆锥腔32的圆柱状透镜300被分为两部分光束（图4、5中用实线和虚 线分别表示）向前传输到轴棱锥400底部：（1)射入外围环形部分的光束保持原有光学性 质正入射轴棱锥400底部，图4、5中用虚线表示；（2)射入中间部分的光束在内凹圆锥腔32 的作用下变换为具有发散角A的锥面波入射轴棱锥400底部，图4、5中用实线表示。
[0019] 射入外围环形部分的光束（虚线）在轴棱锥400作用下变换为具有会聚角r2的锥 面波，在光轴上形成贝塞尔光束区域ABCD ;具有发散角^的锥面波（实线）在轴棱锥400 的作用下变换为具有会聚角r2-ri的新锥面波，在光轴上形成贝塞尔光束区域EFGH。
[0020] 图4、5中L为带内凹圆锥腔的圆柱状透镜300与轴棱锥400之间的距离。
[0021] (1)如图4所示，：
吋，两块贝塞尔光束区域ABCD和EFGH 的中间会出现一块被外围光束封闭的暗中空区域（图4中用黑色阴影表示），即单个局域空 心光束。而且增大L能够增大这块暗中空区域的尺寸；减小L能够减小这块暗中空区域的 尺寸。
[0022] (2)如图5所示，当
^时，两块贝塞尔光束区域ABCD和EFGH会相 交，即两块区域存在公共部分（图5中用黑色阴影表示）。由于形成两束贝塞尔光束的锥面 波的会聚角不同（分别SrjPr2-ri)，两束贝塞尔光束的纵向波矢量也不相同。两束具有 不同纵向波矢量的贝塞尔光束在两块贝塞尔光束区域ABCD和EFGH的公共部分（图5中黑 色阴影部分）相干叠加形成周期性局域空心光束。
[0023] 本实用新型的光学系统，采用一套光学系统就可以方便获得单个局域空心光束和 周期性局域空心光束，而且结构简单，系统中元件数量少，元件加工相对容易、对材料折射 率没有特殊要求。为获取局域空心光束提供一种简洁、有效的新途径。
【主权项】
1. 一种可产生单个局域空心光束和周期性局域空心光束的光学系统，其特征在于：包 括沿光路依次设置的激光器、望远镜扩束准直器、圆柱状透镜和轴棱锥，圆柱状透镜的半径 为b，轴棱锥的底面半径为c，c>b，圆柱状透镜的底面开设有以此底面为圆锥底面且与圆柱 状透镜同轴并等高的内凹圆锥腔，此内凹圆锥腔的底面半径为a，a〈b，此内凹圆锥腔的底角 ^小于轴棱锥的底角r2，此内凹圆锥腔的底面朝向轴棱锥的底面，圆柱状透镜与轴棱锥之 间的距离为L，
【专利摘要】本实用新型公开了一种可产生单个局域空心光束和周期性局域空心光束的光学系统，其包括沿光路依次设置的激光器、望远镜扩束准直器、圆柱状透镜和轴棱锥，圆柱状透镜的半径为b,轴棱锥的底面半径为c，c>b，圆柱状透镜的底面开设有以此底面为圆锥底面且与圆柱状透镜同轴并等高的内凹圆锥腔，此内凹圆锥腔的底面半径为a，a<b，此内凹圆锥腔的底角r1小于轴棱锥的底角r2，此内凹圆锥腔的底面朝向轴棱锥的底面，圆柱状透镜与轴棱锥之间的距离为L，<maths num="0001"></maths>或<maths num="0002"></maths>本实用新型采用一套光学系统就可以方便地获得单个局域空心光束和周期性局域空心光束，而且结构简单，系统中元件数量少，元件加工相对容易、对材料折射率没有特殊要求。
【IPC分类】G02B27/09
【公开号】CN204807812
【申请号】CN201520414997
【发明人】吴志伟, 杨惠山
【申请人】泉州师范学院
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年6月16日