[实用新型]一种产生双环聚焦光束的光学系统

说明书

本实用新型揭示了一种产生双环聚焦光束的光学系统，该系统包括在同一光路上依次设置的激光器、准直扩束系统、阶梯锥面透镜、聚焦透镜，激光器发出激光经过准直扩束系统后形成准直扩束光束，准直扩束光束经过光阑限制后，正入射阶梯锥面透镜；阶梯锥面透镜的入射面为平面，出射面包括第一锥面和第二锥面，第一锥面的锥面底角为，第二锥面的锥面底角为，第一锥面与第二锥面同心设置，第二锥面位于阶梯锥面透镜中心位置，第一锥面位于第二锥面外围环形区域，第一锥面的锥面底角小于第二锥面的锥面底角该系统可以有效地实现激光的整形、扩束和匀光效果，整形后的光束质量高，适用于环形光镊系统的粒子操控研究。

技术领域

本实用新型涉及一种产生双环聚焦光束的光学系统，属于激光加工技术领域。

背景技术

20世纪60年代,当激光作为具有极高亮度的相干光源出现时，光压的研究发生了革命性的变化。70年代初，人们开始对激光的辐射压开始全面和深入的研究，特别是对原子在不同条件下所受辐射压力的性质和机制进行理论探讨和实验观测，从而发展起原子束的激光偏转，激光冷却，光子粘胶及原子喷泉等实验技术，同时利用光压进行原子俘获，粒子操纵等研究。

当一束强汇聚的高斯光场作用于透明粒子时，如果粒子的折射率大于周围介质的折射率，梯度力会把粒子推向光场的最强处(轴心)。在光束传播方向上光对粒子不仅会产生轴向的推力，还会产生逆轴向的拉力，从而实现捕获，这里光学捕获是通过透明介质微粒与光子发生动量交换而完成的。

1970年，美国电报电话公司贝尔实验室的阿什金教授采用一束高斯激光，成功地在垂直于光的传播方向上束缚了悬浮在水中的聚苯乙烯微粒，这一实验将辐射压的应用从原子量级扩展到了微米范围，奠定了光镊的研究基础。之后他又设计了双光束光学陷阱，初步实现了光镊的雏形。

1986年，他把单束激光引入高数值孔径物镜形成了三维光学势阱，证明光学势阱可以无损伤地操纵活体物质。目前所说的光镊即是这样一种三维全光学势阱。光镊对粒子无损伤，具有非接触性，作用力均匀，微米量级的精确定位，可选择特定个体，并可在生命状态下进行操作等特点，特别适用于对细胞和亚细胞层次上活体的研究，如对细胞或细胞器的捕获，分选与操纵，弯曲细胞骨架，克服布朗运动所引起的细菌旋转等。这也正是光镊得以在生物领域中被广泛应用,并显示出强大生命力和广阔应用前景的原因之一。正如其发明者所说，“光镊”将细胞从它们的正常位置移去的能力，为我们打开了精确研究其功能的大门。

发明内容

本实用新型的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提出一种产生双环聚焦光束的光学系统。

本实用新型的目的将通过以下技术方案得以实现：一种产生双环聚焦光束的光学系统，该系统包括在同一光路上依次设置的激光器、准直扩束系统、阶梯锥面透镜、聚焦透镜，在所述准直扩束系统与阶梯锥面透镜之间还设置有用于对激光光束进行限制的光阑，所述激光器、准直扩束系统、光阑、阶梯锥面透镜和聚焦透镜的中心都在光轴上，所述激光器、准直扩束系统、光阑、阶梯锥面透镜和聚焦透镜根据需要在光学平台上沿轴向任意滑动，所述激光器发出激光经过准直扩束系统后形成准直扩束光束，所述准直扩束光束经过光阑限制后，正入射阶梯锥面透镜；阶梯锥面透镜的入射面为平面，出射面包括第一锥面和第二锥面，第一锥面的锥面底角为，第二锥面的锥面底角为，第一锥面与第二锥面同心设置，第二锥面位于阶梯锥面透镜中心位置，第一锥面位于第二锥面外围环形区域，第一锥面的锥面底角小于第二锥面的锥面底角，锥面透镜的折射率为n；平行光束入射第一锥面时，出射光束为会聚的锥形光束，由第一锥面出射的会聚锥形光束会聚角为, 平行光束入射第二锥面时，出射光束为会聚的锥形光束，由第二锥面出射的会聚锥形光束会聚角为，第一锥面出射的会聚锥形光束会聚角小于第二锥面出射的会聚锥形光束会聚角在锥面透镜的后设置有聚焦透镜，经锥面透镜出射的锥面光束经聚焦透镜聚焦后，在聚焦透镜的焦平面处形成双环聚焦光斑，会聚角为的出射光线经聚焦透镜组聚焦后在聚焦透镜焦平面上形成直径为R1的环形聚焦光斑，且R1=2（n-1）f，会聚角为的出射光线经聚焦透镜组聚焦后在聚焦透镜焦平面上形成直径为R2的环形聚焦光斑，且R2=2（n-1）f。