本實用新型涉及光學(xué)系統(tǒng)，具體是一種能夠利用非相干LED光源直接產(chǎn)生部分相干Hollow Beam的光學(xué)系統(tǒng)，可作用于囚禁微觀粒子、原子和生物細(xì)胞等，在生物醫(yī)學(xué)和納米科技中有重要應(yīng)用。

背景技術(shù)：

Hollow Beam是一種沿光傳播方向上軸上光強為零或接近零的環(huán)狀光束，可以實現(xiàn)對粒子的操控。Hollow Beam被廣泛用于粒子和生物細(xì)胞的囚禁，還可用作激光導(dǎo)管和光鑷等。在納米科技、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的實際應(yīng)用中，通常所需要的Hollow Beam應(yīng)該穩(wěn)定性高、傳輸性能好，因此如何產(chǎn)生滿足實際應(yīng)用需求的Hollow Beam是目前研究的熱點。

目前，產(chǎn)生Hollow Beam的方法有多種。例如光學(xué)全息法、Bessel光相干法、新型錐透鏡法、軸棱錐-透鏡法等。實驗中一般使用相干光源產(chǎn)生Hollow Beam，而利用非相干LED光源聚焦直接產(chǎn)生Hollow Beam的研究很少。事實上部分相干光也具有很好的方向性，所得的Hollow Beam同樣可以用于粒子囚禁和光學(xué)引導(dǎo)，且某些實際應(yīng)用中,部分相干Hollow Beam也比完全相干Hollow Beam更具優(yōu)越性。例如,部分相干光在大氣中傳輸時，所受大氣擾動的影響要比完全相干光小得多,部分相干光束光強比較均勻,且受散斑的影響比相干光受到的影響要小。因此，部分相干Hollow Beam 在生物醫(yī)學(xué)和納米科技等具有極高的應(yīng)用價值。LED作為一種新型、成本較低，易獲得的非相光的干光源，具有耗電量低、堅固耐用、安全可靠性強、高亮度低熱量、體積小、環(huán)保等優(yōu)于激光光源的優(yōu)點。本申請?zhí)岢隽艘环N利用非相干LED光源產(chǎn)生部分相干Hollow Beam的光學(xué)系統(tǒng)，且穩(wěn)定性高，傳輸性能好，成本低廉，完全可以實際生產(chǎn)并且推廣。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本實用新型的目的在于提供一種結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、穩(wěn)定性高、傳輸性能好的產(chǎn)生部分相干Hollow Beam的光學(xué)系統(tǒng)。

為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采用如下技術(shù)方案：

一種產(chǎn)生部分相干Hollow Beam的光學(xué)系統(tǒng),包括光學(xué)平臺、綠光LED、聚光筒、光闌、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、軸棱錐和環(huán)形孔徑；

聚光筒為錐形聚光筒，支設(shè)于光學(xué)平臺上，綠光LED放置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出射光線的小孔；

光學(xué)平臺上沿綠光LED的光路依次支設(shè)光闌、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、軸棱錐和環(huán)形孔徑，且錐形聚光筒、光闌、準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)、軸棱錐和環(huán)形孔徑的中心都在光軸上；

光闌與錐形聚光筒之間的距離應(yīng)滿足空間相干性反比例公式；環(huán)形孔徑放置于軸棱錐后面的無衍射區(qū)域內(nèi)，且環(huán)形孔徑的環(huán)半徑小于無衍射區(qū)域半徑。

所述光闌為直徑可調(diào)的圓孔光闌。

所述環(huán)形孔徑采用只有一個圓環(huán)透光，其余部分均不透光的菲林片。

采用上述方案后，本實用新型產(chǎn)生部分相干Hollow Beam的光學(xué)系統(tǒng)，工作時，首先打開綠光LED，經(jīng)聚光筒匯聚的LED光束經(jīng)過光闌提高其相干性，然后經(jīng)過準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)后形成一個相干度和光強均成高斯分布的圓形光斑，光斑被軸棱錐聚焦后形成部分相干Bessel光束，Bessel光束經(jīng)過環(huán)形孔徑的衍射，在一段距離后形成Hollow Beam。本實用新型產(chǎn)生部分相干Hollow Beam的光學(xué)系統(tǒng)，結(jié)構(gòu)簡單、成本低廉、穩(wěn)定性高、傳輸性能好，完全可以實際生產(chǎn)并且推廣。

附圖說明

圖1為本實用新型光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本實用新型光學(xué)系統(tǒng)的幾何光路示意圖。

圖3為本實用新型中Mathcad模擬的Hollow Beam截面光強分布圖。

圖4為本實用新型中實驗測得Hollow Beam的截面光強分布圖。

具體實施方式

為了進(jìn)一步解釋本實用新型光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)方案，下面通過圖示來對本實用新型的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行詳細(xì)闡述。

本實用新型的一種產(chǎn)生部分相干Hollow Beam的光學(xué)系統(tǒng)，如圖1所示，包括光學(xué)平臺1，入射光源系統(tǒng)2，光闌3，短焦距透鏡4，長焦距透鏡5，軸棱錐6，環(huán)形孔徑7，顯微鏡和CCD照相機系統(tǒng)8。

其中，聚光筒為一端直徑大、另一端直徑小的錐形聚光筒，錐形聚光筒通過光具座支設(shè)于光學(xué)平臺1上，綠光LED放置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出射光線的出射孔，由綠色LED和聚光筒組成入射光源系統(tǒng)2。

光學(xué)平臺1上沿入射光源系統(tǒng)2的光路依次通過光具座支設(shè)有光闌3，短焦距透鏡4，長焦距透鏡5，軸棱錐6，環(huán)形孔徑7，以及顯微鏡和CCD照相機系統(tǒng)8，且各光學(xué)元件的中心同處于光軸上。

光闌3采用直徑可調(diào)的圓孔光闌，根據(jù)空間相干性反比例公式，光闌3與聚光筒的間距D滿足的條件時，從光闌出射的光具有一定相干性。其中b為聚光筒的出射孔的直徑，d為光闌3的直徑(圓孔的孔徑)，λ為入射光的波長。作為一個具體的實施例，光闌3置于錐形聚光筒后200mm處，錐形聚光筒的出射孔直徑為1mm，且光闌3選取直徑為0.1mm的孔徑。對于光源采用主波長為517nm的綠光LED的入射光源系統(tǒng)2，根據(jù)空間相干性反比例公式計算可知，光闌3與錐形聚光筒的間距D應(yīng)大于193mm。因此，將光闌3置于錐形聚光筒后200mm處時，從光闌3出射的光具有一定相干性。

短焦距透鏡4和長焦距透鏡5的焦點重合，組成一個準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)，并可以通過選取不同焦距的透鏡組合來調(diào)節(jié)放大倍數(shù)。

環(huán)形孔徑7采用只有一個圓環(huán)透光，其余部分均不透光的菲林片，環(huán)形孔徑7即為此菲林片上的圓環(huán)透光區(qū)。將菲林片設(shè)置于軸棱錐6后的合適位置，使得環(huán)形孔徑7位于軸棱錐6后面的無衍射區(qū)域內(nèi)，且圓環(huán)透光區(qū)的環(huán)半徑小于無衍射區(qū)域半徑。

工作時，如圖2所示，首先打開綠光LED2，經(jīng)錐形聚光筒匯聚的LED光束經(jīng)過圓形可調(diào)光闌3提高其相干性，然后經(jīng)過短焦距透鏡4和長焦距 透鏡5組成的準(zhǔn)直擴(kuò)束系統(tǒng)后形成一個相干度和光強均成高斯分布的圓形光斑，光斑被軸棱錐6聚焦后形成部分相干Bessel光束，Bessel光束經(jīng)過環(huán)形孔徑7的衍射，在一段距離后形成Hollow Beam。

作為實施例，我們選擇圓形可調(diào)光闌2的直徑r＝0.1mm，短焦距透鏡4的焦距f＝15mm、長焦距透鏡5的焦距f＝190mm，軸棱錐6的底角γ＝2°，折射率n＝1.458，環(huán)形孔徑7的內(nèi)半徑R＝0.1mm，環(huán)縫寬d＝0.1mm。理論上，我們使用高斯謝爾模型和交叉譜密度的傳播公式得出環(huán)形孔徑7后的光強表達(dá)式，并利用Mathcad模擬得到環(huán)形孔徑7后的橫向光強分布圖，如圖3所示。實驗時，根據(jù)圖2所示光路搭建光學(xué)系統(tǒng)，在環(huán)形孔徑7后一定距離處用顯微鏡和CCD照相機系統(tǒng)8拍攝，拍攝結(jié)果如圖4所示。模擬和實驗均可看到，部分相干Bessel光束在環(huán)形孔徑7后10mm處形成了一個中心亮斑，之后亮斑光束向外擴(kuò)散，在30mm處出現(xiàn)Hollow Beam，隨著傳播距離的增大，空心面積變大，形成了外環(huán)-空心環(huán)-內(nèi)環(huán)-空心的光強分布，最后在50mm處，兩個光環(huán)因為光束的發(fā)散而重合在一起，形成了一個較好的Hollow Beam。由此，本光學(xué)系統(tǒng)提供了一種簡潔、有效的產(chǎn)生部分相干Hollow Beam方法。與傳統(tǒng)的完全相干Hollow Beam相比，它具有受到擾動和散斑的影響更少、光強分布比較均勻、波前相位不易發(fā)生畸變等優(yōu)點，在實際應(yīng)用中無疑更具有優(yōu)勢。