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] 本发明设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 个局域空屯、光束的光学元件。
【背景技术】
[0002] 局域空屯、光束炬ottlebeam)是一种在沿传输方向的S维空间内具有封闭暗域的 特殊空屯、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。Bottlebeam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，光綴与光学扳手等，因此，一直是光束变换与粒子操控研究中的 热点。
[0003] Bottlebeam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，VifiasSB用全息法得到Bottlebeam,PTTai使用激光器直接输出了Bottle beam,Ahluwalia使用两束Bessel光束干设得到了自成像Bottlebeam。我们实验组也做 出了相关研究并提出了多种产生Bottlebeam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 Bott1ebeam。但是产生Bottlebeam的该些方法中，特殊的光学系统产生Bottlebeam 往往过于复杂，稳定性较差，容易受到干扰，单元件产生Bottlebeam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。
【发明内容】
[0004] 本发明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 屯、光束的光学兀件。
[0005] 为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
[0006] 可产生尺寸可调的单个局域空屯、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屯、圆环；罩体W可拆卸的方式贴附在平 凸透镜的平面上，且两个透光的同屯、圆环的圆屯、与平凸透镜的中屯、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，本发明的可产生尺寸可调的单个局域空屯、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发明的光学元件时，由于罩体的作用，只有两组同 屯、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，两组同屯、环形光束在轴上会形成一个=维空间内闭 合的无光区域，即Bottlebeam。本发明的光学元件能产生稳定性较高的单个Bottlebeam， 通过更换光罩可实现Bottlebeam的尺寸可调，元件结构简单容易制作，是生产与实验中产 生Bottlebeam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为本发明光学元件的俯视图。
[0011] 图2为本本发明光学元件的侧视图。
[0012] 图3为本发明光学元件产生Bottlebeam的几何分析图。
[001引图4为本发明中采用TracePro模拟的Bottlebeam截面照度分布图。其中，（a) 图中Z= 99. 0mm，化）图中Z= 99. 1mm，（C)图中Z= 99. 2mm，（d)图中Z= 99. 5mm，（e) 图中z= 99. 6mm。
[0014] 图5为本发明中实验测得的Bottlebeam截面照度分布图。其中，（a)图中z= 98. 3mm，化）图中Z= 99. 1mm. (c)图中z= 99. 2mm，（d)图中z= 99. 3mm(e)图中z= 100. 4mm。
【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] 本发明的可产生尺寸可调的单个局域空屯、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 的同屯、圆环11、12 ;罩体100W可拆卸的方式贴附在平凸透镜200的平面上，且两个透光的 同屯、圆环11、12的圆屯、与平凸透镜200的中屯、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12W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12W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] 本发明中，罩体100的材料可采用透光材料，预留出透光的同屯、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上处理出透光的同屯、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 屯、圆环11、12的内外径可根据需要人为设定。
[0020] 本发明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，W入射平行光为例，当平行 光垂直入射本发明的光学元件时，由于罩体100的作用，光只能从透光的同屯、圆环11、12出 射，该样便只有两组同屯、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，两组同屯、环形光束在轴上会形 成一个S维空间内闭合的无光区域，即Bottlebeam。
[0021] 为推导出产生Bottlebeam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Bottlebeam产生的几何原理（如图3所示）可W得到产生Bottle beam的开环位置表达式（式1)、轴向深度AZ表达式（式2)和空屯、区域的截面最大半径 Ay的表达式（式3);
[0026] 上面各式中r为平凸透镜200的凸面的曲率半径，n为平凸透镜200材料的折射 率，R1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AZ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] 为了验证本发明的光学元件能够产生Bottle beam,我们设计实验，W化-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 本发明的光学元件，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Bottlebeam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. 001mm处，轴向深度AZ为0. 582mm，空屯、区域的截面最大半径 Ay为 0. 010mm。
[0031] 模拟值；开环于98. 971mm处，轴向深度Az为0. 590mm，空屯、区域的截面最大半径 Ay为 0. 011mm。
[0032] 实验值：开环位置为98. 279mm，轴向深度Az约为1mm，空屯、区域的截面最大半径 Ay为 12um。
[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Bott 1 e beam的理论值与模拟值的数据比较（表1)。
[00巧]表1[0036]
[0037] 数据显示，设定不同的同屯、圆环的参数，本发明光学元件产生Bottlebeam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。数据结果证明了本发明的光学 元件可W通过更换罩体达到Bottlebeam尺寸可调的目的。
[0038] 本发明的光学元件能产生稳定性较高的单个Bottlebeam,通过更换罩体可实现 Bottlebeam的尺寸可调，元件结构简单容易制作，是生产与实验中产生Bottlebeam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发明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，皆应视为不脱离本发明系统的专利范畴。
【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】本发明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。本发明利用球差原理，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。本发明的光学元件，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】CN104880828
【申请号】CN201510333182
【发明人】吴逢铁, 孙川, 刑笑雪, 何艳林
【申请人】华侨大学
【公开日】2015年9月2日
【申请日】2015年6月16日