基于多模光纖的空心光束轉(zhuǎn)換裝置制造方法
【專利摘要】基于多模光纖的空心光束轉(zhuǎn)換裝置，包括：接收來自光源的光束的聚焦透鏡；設(shè)置于所述聚焦透鏡后方的光纖耦合透鏡，所述光纖耦合透鏡的光軸與所述聚焦透鏡的光軸相交，從所述聚焦透鏡出射的光傾斜射入所述光纖耦合透鏡；設(shè)置于所述光纖耦合透鏡后的多模光纖，所述光纖耦合透鏡設(shè)置于所述多模光纖輸入端之前，所述多模光纖輸出端的后方設(shè)置有短焦整形透鏡，所述多模光纖的輸出端位于所述短焦整形透鏡的焦點處。本實用新型可以產(chǎn)生中心暗斑為全黑的空心光束，耦合效率高，得到的空心光束光斑質(zhì)量好，可應(yīng)用于原子導(dǎo)管、光鑷、光扳手等設(shè)備上，避免傳統(tǒng)實心光束對微小物體進(jìn)行移位或手術(shù)操作時灼傷細(xì)胞，從而提高細(xì)胞活性。
【專利說明】
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型屬于光學(xué)【技術(shù)領(lǐng)域】，尤其涉及一種將高斯光束轉(zhuǎn)換為空心光束的光束 轉(zhuǎn)換裝置。 基于多模光纖的空心光束轉(zhuǎn)換裝置

【背景技術(shù)】
[0002] 光是一種特殊的物質(zhì)，攜帶有能量和動量，光與物質(zhì)相互作用時彼此交換能量和 動量，產(chǎn)生各種效應(yīng)。光與物質(zhì)間交換動量時可以使受光照射的物體受到一個力或力矩，即 產(chǎn)生光的力學(xué)效應(yīng)。捕獲微小粒子的光鑷是利光的力學(xué)效應(yīng)的典型應(yīng)用。日常生活中，我 們用來挾持物體的鑷子都是有形物體，通過鑷子施加一定的力鉗住物體；而光鑷是一個特 別的光場，這個光場與物體相互作用時，物體受到光的作用從而達(dá)到被鉗的效果，然后可以 通過移動光束來實現(xiàn)遷移物體的目的。光鑷產(chǎn)生的激光聚集可形成光阱，微小物體受光壓 而被束縛在光講處，移動光束使微小物體隨光講移動，借此可在顯微鏡下對微小物體（如 病毒、細(xì)菌以及細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞器及細(xì)胞組分等）進(jìn)行移位或手術(shù)操作。
[0003] 光鑷常用來對生物細(xì)胞進(jìn)行操縱，光鑷產(chǎn)生的用于移動微小物體的光束多為實心 光束，當(dāng)實心光束照射在微小物體表面時，光束產(chǎn)生的熱量會使被照射到的物體表面溫度 升高，容易灼傷生物細(xì)胞，降低其活性。為了避免這種現(xiàn)象，可將實心光束轉(zhuǎn)換為空心光束， 使生物細(xì)胞位于空心光束的中心暗斑處，其生物活性和本質(zhì)不受操縱光的影響。如今學(xué)者 們進(jìn)行了很多將實心光束轉(zhuǎn)換為空心光束的研究?？招墓馐谴怪惫馐鴤鞑シ较蛏瞎馐?心光強為零、周圍光強較強的環(huán)狀光束，此光束的光強分布可以對位于中心零光強處的微 粒產(chǎn)生束縛力。產(chǎn)生空心光束的方法很多，如遽逝波法、計算全息圖法、角錐法、空心光纖法 等。其中，遽逝波法局限于介質(zhì)表面，并且作用區(qū)域很?。▂m量級）；計算全息法或者角錐 法使用的光柵和角錐在制作工藝復(fù)雜，不易實現(xiàn)，而且這兩種方法產(chǎn)生的空心光束中心暗 斑不完全為黑；用空心光纖產(chǎn)生空心光束的方法耦合效率較低，僅為50%。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 針對以上不足，本實用新型的目的是提供一種基于多模光纖的空心光束轉(zhuǎn)換裝 置，可應(yīng)用于原子導(dǎo)管、光鑷、光扳手等設(shè)備。
[0005] 為了實現(xiàn)上述目的，本實用新型采取如下的技術(shù)解決方案：
[0006] 基于多模光纖的空心光束轉(zhuǎn)換裝置，包括：接收來自光源的光束的聚焦透鏡；設(shè) 置于所述聚焦透鏡后方的光纖耦合透鏡，所述光纖耦合透鏡的光軸與所述聚焦透鏡的光軸 相交，從所述聚焦透鏡出射的光傾斜射入所述光纖耦合透鏡；設(shè)置于所述光纖耦合透鏡后 的多模光纖，所述光纖耦合透鏡設(shè)置于所述多模光纖輸入端之前，所述多模光纖輸出端的 后方設(shè)置有短焦整形透鏡，所述多模光纖的輸出端位于所述短焦整形透鏡的焦點處。
[0007] 本實用新型更具體的技術(shù)方案為，所述聚焦透鏡的光軸與光纖耦合透鏡的光軸之 間的夾角為0.6°?1.4°。
[0008] 本實用新型更具體的技術(shù)方案為，所述短焦整形透鏡包括依次設(shè)置第一短焦透鏡 和第二短焦透鏡，所述第一短焦透鏡的光軸和所述第二短焦透鏡的光軸重合，所述多模光 纖的輸出端位于所述第一短焦透鏡的焦點處。
[0009] 本實用新型更具體的技術(shù)方案為，所述第一短焦透鏡的焦距和所述第二短焦透鏡 的焦距不同。
[0010] 本實用新型更具體的技術(shù)方案為，所述第一短焦透鏡的焦距為4. 5mm，所述第二短 焦透鏡的焦距為30mm。 toon] 本實用新型更具體的技術(shù)方案為，所述第一短焦透鏡與所述第一短焦透鏡之間的 距離為60_。
[0012] 本實用新型更具體的技術(shù)方案為，所述光纖耦合透鏡的焦距為4. 5mm，
[0013] 本實用新型更具體的技術(shù)方案為，所述聚焦透鏡的焦距為60mm。
[0014] 本實用新型更具體的技術(shù)方案為，所述第一短焦透鏡與所述多模光纖的輸出端之 間的距離為4. 5mm。
[0015] 由以上可知，本實用新型通過設(shè)置光軸相交的聚焦透鏡和光線耦合透鏡，使（激） 光束傾斜入射至多模光纖中，采用多模光纖對實心光束進(jìn)行空心光束的轉(zhuǎn)換，可以產(chǎn)生中 心暗斑為全黑的空心光束，耦合效率很高，可以達(dá)到80%，從多模光纖出射的光束經(jīng)短焦透 鏡整形輸出后，得到的空心光束光斑質(zhì)量好，可應(yīng)用于原子導(dǎo)管、光鑷、光扳手等設(shè)備上，避 免傳統(tǒng)實心光束對微小物體進(jìn)行移位或手術(shù)操作時灼傷細(xì)胞，從而提高細(xì)胞活性。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0016] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例或現(xiàn)有技術(shù)中的技術(shù)方案，下面將對實施例或現(xiàn) 有技術(shù)描述中需要使用的附圖做簡單介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明 的一些實施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據(jù) 這些附圖獲得其他的附圖。
[0017] 圖1為本實用新型實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。

【具體實施方式】
[0018] 下面結(jié)合附圖對本實用新型進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本實用新型實施例時，為便于 說明，表示器件結(jié)構(gòu)的附圖會不依一般比例做局部放大，而且所述示意圖只是示例，其在此 不應(yīng)限制本實用新型保護(hù)的范圍。需要說明的是，附圖均采用非常簡化的形式且均使用非 精準(zhǔn)的比例，僅用以方便、清晰地輔助說明本實用新型實施例的目的。
[0019] 如圖1所示，本實用新型的空心光束轉(zhuǎn)換裝置包括聚焦透鏡1、光纖耦合透鏡2、多 模光纖3、第一短焦透鏡4和第二短焦透鏡5,第一短焦透鏡4和第二短焦透鏡5構(gòu)成用于 輸出整形的短焦整形透鏡組，多模光纖3采用市場銷售的商用多模光纖。為了便于描述，將 光源的發(fā)射端定義為前端，聚焦透鏡1設(shè)置于光纖耦合透鏡2之前，光纖耦合透鏡2設(shè)置于 多模光纖3輸入端的前方，短焦整形透鏡設(shè)置于多模光纖3的輸出端，多模光纖3的輸出端 位于短焦整形透鏡的焦點處。本實施例的第一短焦透鏡4設(shè)置于多模光纖3輸出端的后 方，第二短焦透鏡5設(shè)置于第一短焦透鏡4的后方，第一短焦透鏡4的光軸和第二短焦透鏡 5的光軸重合。
[0020] 本實用新型的聚焦透鏡1的光軸與光纖耦合透鏡2的光軸相交，使從聚焦透鏡1 出射的光傾斜入射至光纖耦合透鏡2,從而可以通過多模光纖3形成空心光束。作為本實用 新型的一個優(yōu)選方案，聚焦透鏡1的焦距為60mm，光纖耦合透鏡2的焦距為4. 5mm，第一短 焦透鏡4的焦距為4. 5mm，第二短焦透鏡5的焦距為30mm。第一短焦透鏡4與1米左右的 多模光纖3的輸出端之間的距離為4. 5mm，第二短焦透鏡5與第一短焦透鏡4之間的距離為 60mm〇
[0021] 使用時，高斯激光束由聚焦透鏡1聚焦后，以微小角度傾斜入射到光纖耦合透鏡2 上，進(jìn)入到多模光纖3內(nèi)，光束經(jīng)多模光纖3傳播后從多模光纖3輸出端出射，形成空心光 束，出射的光束經(jīng)過第一短焦透鏡4和第二短焦透鏡5整形形成平行光束，最后輸出中心為 全黑的空心光束。
[0022] 下表為前述實施例的聚焦透鏡1的光軸與光纖耦合透鏡2的光軸之間的夾角α 變化時對應(yīng)測得的耦合效率列表，從下表可知，當(dāng)聚焦透鏡1的光軸與光纖耦合透鏡2的光 軸之間的夾角在0.6?1.4°之間時，耦合效率在50%以上，耦合效率較高。下表中0°入 射時輸出的為實心光束。
[0023] 入射角 α |〇° [07^~|l. 19° |l. 31° |l. 42° |l. 59° |l. 62°~ 耦合效率 91% 87%~80%~78%~56%~19%~13%
[0024] 本實用新型采用多模光纖進(jìn)行普通光束轉(zhuǎn)換，從而得到空心光束。多模光纖轉(zhuǎn)換 效率高，得到的空心光束光斑質(zhì)量好，而且與現(xiàn)有技術(shù)中采用特殊結(jié)構(gòu)的棱鏡相比，多模光 纖結(jié)構(gòu)更簡單，可直接購買，對加工精度沒有很高的要求。本實用新型的空心光束轉(zhuǎn)換裝置 可直接應(yīng)用在光鑷設(shè)備中，將當(dāng)前光鑷中使用的實心光束轉(zhuǎn)換為空心光束。
[0025] 以上實施例僅用以說明本實用新型的技術(shù)方案而非對其限制，盡管參照上述實施 例對本實用新型進(jìn)行了詳細(xì)的說明，所屬領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，依然可以對本實 用新型的【具體實施方式】進(jìn)行修改或者等同替換，而未脫離本實用新型精神和范圍的任何修 改或者等同替換，其均應(yīng)涵蓋在本實用新型的權(quán)利要求范圍之中。例如，各透鏡的焦距可以 根據(jù)不同需求而改變，當(dāng)透鏡的焦距改變時，各組件間的距離則根據(jù)透鏡的焦距進(jìn)行相應(yīng) 變化，諸如此等改變以及等效變換均應(yīng)包含在權(quán)利要求所述的范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1. 基于多模光纖的空心光束轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于，包括： 接收來自光源的光束的聚焦透鏡； 設(shè)置于所述聚焦透鏡后方的光纖耦合透鏡，所述光纖耦合透鏡的光軸與所述聚焦透鏡 的光軸相交，從所述聚焦透鏡出射的光傾斜射入所述光纖耦合透鏡； 設(shè)置于所述光纖耦合透鏡后的多模光纖，所述光纖耦合透鏡設(shè)置于所述多模光纖輸入 端之前，所述多模光纖輸出端的后方設(shè)置有短焦整形透鏡，所述多模光纖的輸出端位于所 述短焦整形透鏡的焦點處。
2. 如權(quán)利要求1所述的基于多模光纖的空心光束轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于：所述聚焦透 鏡的光軸與光纖耦合透鏡的光軸之間的夾角為0.6°?1.4°。
3. 如權(quán)利要求1或2所述的基于多模光纖的空心光束轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于：所述短 焦整形透鏡包括依次設(shè)置第一短焦透鏡和第二短焦透鏡，所述第一短焦透鏡的光軸和所述 第二短焦透鏡的光軸重合，所述多模光纖的輸出端位于所述第一短焦透鏡的焦點處。
4. 如權(quán)利要求3所述的基于多模光纖的空心光束轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于：所述第一短 焦透鏡的焦距和所述第二短焦透鏡的焦距不同。
5. 如權(quán)利要求3所述的基于多模光纖的空心光束轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于：所述第一短 焦透鏡的焦距為4. 5mm，所述第二短焦透鏡的焦距為30mm。
6. 如權(quán)利要求5所述的基于多模光纖的空心光束轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于：所述第一短 焦透鏡與所述第一短焦透鏡之間的距離為60_。
7. 如權(quán)利要求1或5或6所述的基于多模光纖的空心光束轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于：所 述光纖耦合透鏡的焦距為4. 5mm。
8. 如權(quán)利要求1或5或6所述的基于多模光纖的空心光束轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于：所 述聚焦透鏡的焦距為60mm。
9. 如權(quán)利要求5或6所述的基于多模光纖的空心光束轉(zhuǎn)換裝置，其特征在于：所述第 一短焦透鏡與所述多模光纖的輸出端之間的距離為4. 5_。
【文檔編號】G02B27/09GK203894477SQ201420242175
【公開日】2014年10月22日 申請日期:2014年5月13日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月13日
【發(fā)明者】馬紅玉, 趙文娟, 徐強, 韓一平, 李平舟 申請人:西安電子科技大學(xué)