可产生尺寸可调的单个局域空心光束的光学元件的制作方法
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及光学传输变换领域与光学设计领域，具体是一种可产生尺寸可调 的单个局域空心光束的光学元件。
【背景技术】
[0002] 局域空心光束（Bottle beam)是一种在沿传输方向的三维空间内具有封闭暗域的 特殊空心光束，且暗域周围的光束具有极高的强度，对处在暗域中的粒子有着束缚与囚禁 的作用。Bottle beam由于对粒子特殊的"囚禁"能力而被广泛应用在粒子囚禁和生物细胞 囚禁，还可用作激光导管，光镊与光学扳手等，因此，一直是光束变换与粒子操控研究中的 热点。
[0003] Bottle beam特殊的光强分布促进了人们对它的研究，现今已有许多产生Bottle beam的方法，Viiias SB用全息法得到Bottle beam，PT Tai使用激光器直接输出了 Bottle beam，Ahluwalia使用两束Bessel光束干涉得到了自成像Bottle beam。我们实验组也做 出了相关研究并提出了多种产生Bottle beam的新型元件，如凹锥透镜，圆顶轴棱锥，组合 式轴棱锥，梯度折射率轴棱锥，发光二极管透镜等，都能在实验或理论中获得单个或周期的 Bottle beam。但是产生Bottle beam的这些方法中，特殊的光学系统产生Bottle beam往 往过于复杂，稳定性较差，容易受到干扰，单元件产生Bottle beam虽然系统简单，但生产较 为困难，许多元件的设计仅存在于理论，现实中制备或加工难度较大。 【实用新型内容】
[0004] 本实用新型的目的在于提供一种结构简单、便于生产、可产生尺寸可调的单个局 域空心光束的光学元件。
[0005] 为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：
[0006] 可产生尺寸可调的单个局域空心光束的光学元件，包括罩体和平凸透镜，罩体为 不透光的圆形片状，且此罩体上具有两个透光的同心圆环；罩体以可拆卸的方式贴附在平 凸透镜的平面上，且两个透光的同心圆环的圆心与平凸透镜的中心重合。
[0007] 所述罩体通过透明的粘胶贴附在所述平凸透镜的平面上。
[0008] 所述罩体通过卡扣结构贴附在所述平凸透镜的平面上。
[0009] 采用上述方案后，本实用新型的可产生尺寸可调的单个局域空心光束的光学元 件，利用球面透镜非理想成像（球差）效应，即光轴上同一物点发出的光线经球面透镜成像 后不能汇聚到同一像点。当平行光垂直入射本实用新型的光学元件时，由于罩体的作用，只 有两组同心环状光束能够出射元件，由于使用出射面为球面的平凸透镜，具有球差，不同位 置入射的平行光被汇聚的轴向距离不同，因此，两组同心环形光束在轴上会形成一个三维 空间内闭合的无光区域，即Bottle beam。本实用新型的光学元件能产生稳定性较高的单个 Bottle beam，通过更换光罩可实现Bottle beam的尺寸可调，元件结构简单容易制作，是生 产与实验中产生Bottle beam的一种更简洁，有效，更具操作性的新方法，在实际应用中，对 不同尺寸的粒子囚禁具有重要意义。
【附图说明】
[0010] 图1为本实用新型光学元件的俯视图。
[0011] 图2为本本实用新型光学元件的侧视图。
[0012] 图3为本实用新型光学元件产生Bottle beam的几何分析图。
[0013] 图4为本实用新型中采用Trace Pro模拟的Bottle beam截面照度分布图。其中， (a)图中 z = 99. 0mm，（b)图中 z = 99. 1mm, (c)图中 z = 99. 2mm，（d)图中 z = 99. 5mm, (e)图中 z = 99. 6mm〇
[0014] 图5为本实用新型中实验测得的Bottle beam截面照度分布图。其中，（a)图中z =98. 3mm，（b)图中 z = 99. 1mm, (c)图中 z = 99. 2mm，（d)图中 z = 99. 3mm(e)图中 z = 100.4mm〇
【具体实施方式】
[0015] 下面结合图示，用模拟与实验对新型光学元件的结构和原理作进一步详细的说 明。
[0016] 本实用新型的可产生尺寸可调的单个局域空心光束的光学元件，如图1、2所示， 包括罩体100和平凸透镜200,罩体100为不透光的圆形片状，且此罩体100中间具有两个 透光的同心圆环11、12 ;罩体100以可拆卸的方式贴附在平凸透镜200的平面上，且两个透 光的同心圆环11、12的圆心与平凸透镜200的中心重合。
[0017] 具体实施时，罩体100可通过透明的粘胶粘贴在平凸透镜200的平面上，粘贴时， 可仅对罩体100和平凸透镜200的边缘（对应于圆环12以外的部位）进行粘贴。罩体100 也可通过常规的卡扣结构贴附在平凸透镜200的平面上，卡扣结构仅设置在罩体100和平 凸透镜200的边缘（对应于圆环12以外的部位），不影响光束的传递。当然，卡扣结构最好 能采用透明材料。
[0018] 本实用新型中，罩体100的材料可采用透光材料，预留出透光的同心圆环11、12后 其他部分用遮光材料涂覆即可。当然，罩体100的材料也可采用不透光材料，再在不透光材 料的罩体100上处理出透光的同心圆环11、12。
[0019] 圆环11的内径、外径分别为R1、R2,圆环12的内径、外径分别为R3、R4。透光的同 心圆环11、12的内外径可根据需要人为设定。
[0020] 本实用新型的光学元件利用球面透镜非理想成像（球差）效应，即光轴上同一物 点发出的光线经球面透镜成像后不能汇聚到同一像点。如图3所示，以入射平行光为例，当 平行光垂直入射本实用新型的光学元件时，由于罩体100的作用，光只能从透光的同心圆 环11、12出射，这样便只有两组同心环状光束能够出射元件，由于使用出射面为球面的平 凸透镜，具有球差，不同位置入射的平行光被汇聚的轴向距离不同，因此，两组同心环形光 束在轴上会形成一个三维空间内闭合的无光区域，即Bottle beam。
[0021] 为推导出产生Bottle beam的具体参数公式，由单个折射面的实际成像公式、几何 关系与折射定律，结合Bottle beam产生的几何原理（如图3所示）可以得到产生Bottle beam的开环位置表达式（式1)、轴向深度Λ z表达式（式2)和空心区域的截面最大半径 Λ y的表达式（式3):
[0023] 轴向深度Λ z 为：Λ z = L1 (R2) -L1 (R3)(式 2)
[0024] 截面最大半径Λ y为：
[0026] 上面各式中r为平凸透镜200的凸面的曲率半径，η为平凸透镜200材料的折射 率，Rl为圆环11的内径，R2为圆环11的外径，R3为圆环12的内径，R4圆环12的外径。开 环位置是指Bottle beam的起始位置（始于光束沿光轴在平凸透镜200上的出射点）。轴 向深度Λ z指Bottle beam的轴向长度。截面最大半径Ay指Bottle beam沿垂直于光轴 的方向上的截面最大半径。
[0027] 为了模拟Bottle beam的图样，在Trace Pro软件中设置相关参数，使用格点光 源，运行软件进行光线追迹，得到不同位置处Bottle beam的光强截面分布如图4所示。
[0028] 为了验证本实用新型的光学元件能够产生Bottle beam，我们设计实验，以He-Ne 激光为光源，用准直扩束系统将出射光调制为大孔径的平行光，入射与Trace Pro中参数相 同的本实用新型的光学元件，在元件后方使用体式显微镜观察并拍摄，得到Bottle beam在 不同位置的截面光强分布如图5所示。
[0029] 将透镜参数代入式1-3,得到产生Bottle beam的理论值，由光线追迹得到光束的 模拟值，在实验操作中得到实验值，经过整理：
[0030] 理论值：开环于99. OOlmm处，轴向深度Λ z为0. 582mm，空心区域的截面最大半径 Λ y 为 0· 010mm。
[0031] 模拟值：开环于98. 971mm处，轴向深度Λ z为0. 590mm，空心区域的截面最大半径 Λ y 为 0· Ollmm0
[0032] 实验值：开环位置为98. 279mm，轴向深度Λ z约为1mm，空心区域的截面最大半径 Λ y 为 12um〇
[0033] 理论值与模拟值吻合较好，由于实验中测量精度的问题，实验值误差稍大，但在误 差允许的范围内，理论值，模拟值与实验值基本吻合。
[0034] 为研究不同的透光圆环的参数对产生Bottle beam的影响，我们使用相同的材料， 只改变光源的孔径大小，运行Trace Pro进行仿真，在模拟数据中加入与理论计算结果，得 到了不同双环参数产生Bottle beam的理论值与模拟值的数据比较（表1)。
[0035] 表 1
[0036]
[0037] 数据显示，设定不同的同心圆环的参数，本实用新型光学元件产生Bottle beam的 轴向距离和最大半径随之改变，数值模拟与理论计算基本吻合。数据结果证明了本实用新 型的光学元件可以通过更换罩体达到Bottle beam尺寸可调的目的。
[0038] 本实用新型的光学元件能产生稳定性较高的单个Bottle beam，通过更换罩体可 实现Bottle beam的尺寸可调，元件结构简单容易制作，是生产与实验中产生Bottle beam 的一种更简洁，有效，更具操作性的新方法，在实际应用中，对不同尺寸的粒子囚禁具有重 要意义。
[0039] 上述实施例和图式并非限定本实用新型系统的产品形态和式样，任何所属技术领 域的普通技术人员对其所做的适当变化或修饰，皆应视为不脱离本实用新型系统的专利范 畴。
【主权项】
1. 可产生尺寸可调的单个局域空心光束的光学元件，其特征在于：包括罩体和平凸透 镜，罩体为不透光的圆形片状，且此罩体上具有两个透光的同心圆环；罩体以可拆卸的方式 贴附在平凸透镜的平面上，且两个透光的同心圆环的圆心与平凸透镜的中心重合。2. 根据权利要求1所述的可产生尺寸可调的单个局域空心光束的光学元件，其特征在 于：所述罩体通过透明的粘胶贴附在所述平凸透镜的平面上。3. 根据权利要求1所述的可产生尺寸可调的单个局域空心光束的光学元件，其特征在 于：所述罩体通过卡扣结构贴附在所述平凸透镜的平面上。
【专利摘要】本实用新型公开了一种可产生尺寸可调的单个局域空心光束的光学元件，其包括光罩和平凸透镜，罩体为不透光的圆形片状，且此罩体上具有两个透光的同心圆环；罩体以可拆卸的方式贴附在平凸透镜的平面上，且两个透光的同心圆环的圆心与平凸透镜的中心重合。本实用新型利用球差原理，入射的平行光被聚焦到不同轴上距离，形成一个在三维空间内闭合的空心光束，即Bottle？beam。本实用新型的光学元件，单个元件能够产生参数固定的Bottle？beam，稳定性高；通过更换罩体可以在较大范围内实现Bottle？beam的尺寸可调，对不同尺寸的粒子囚禁具有实际意义。
【IPC分类】G02B27/09
【公开号】CN204989636
【申请号】CN201520415460
【发明人】吴逢铁, 孙川, 邢笑雪, 何艳林
【申请人】华侨大学
【公开日】2016年1月20日
【申请日】2015年6月16日