專利名稱：一種產(chǎn)生周期局域空心光束的新型錐透鏡的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種可產(chǎn)生周期局域空心光束(Bottle beam)的新型錐透鏡，可以實 現(xiàn)微粒的單層面和多層面操控，對于微粒操控具有特殊意義。
背景技術(shù)：
局域空心光束(Bottle beam)是一道沿光束傳播方向上有著強(qiáng)度為零的區(qū)域，并 在此區(qū)域外三維空間圍繞著高強(qiáng)度的光的光束，正因為其特殊的光場分布以及在光鑷、光 學(xué)微操作等方面的重要應(yīng)用引起了人們極大的興趣。目前，產(chǎn)生Bottle beam的方法有多種如光學(xué)全息法、Bessel光相干法、高斯光 束和拉蓋爾-高斯光束干涉法、軸棱錐-透鏡法等。但是這些方法都需要不止一個光學(xué)元 件，且價格不菲，不但存在設(shè)備成本高的問題，而且存在系統(tǒng)安裝調(diào)試難度較大的缺陷，不 利于Bottle beam的實際應(yīng)用。有鑒于此，本發(fā)明人對可產(chǎn)生周期局域空心光束的錐透鏡結(jié)構(gòu)進(jìn)行了深入研究， 本案由此產(chǎn)生。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種產(chǎn)生周期局域空心光束的新型錐透鏡，能夠通過單一 元件即可獲得多個周期再現(xiàn)的局域空心光束，具有結(jié)構(gòu)簡單、元件加工簡易、轉(zhuǎn)換效率高、 光損傷閾值高的優(yōu)點(diǎn)。為了達(dá)成上述目的，本發(fā)明的解決方案是—種產(chǎn)生周期局域空心光束的新型錐透鏡，其由軸棱錐和膠合于該軸棱錐底部的 圓臺結(jié)構(gòu)組成，該圓臺結(jié)構(gòu)的下底面與該軸棱錐的底面膠合，上述圓臺結(jié)構(gòu)的下底面的半 徑大于其上底面的半徑。上述圓臺結(jié)構(gòu)的下底面的半徑與上述軸棱錐底面的半徑相等。采用上述方案后，本發(fā)明的新型錐透鏡由軸棱錐和膠合于軸棱錐底部的圓臺結(jié)構(gòu) 組成，由于圓臺結(jié)構(gòu)的下底面的半徑大于其上底面的半徑，則按對光線偏折能力的不同，相 對圓臺結(jié)構(gòu)可以將新型錐透鏡分為中間部分和外圍環(huán)形部分，該兩部分相當(dāng)于不同底角的 軸棱錐，由于外圍環(huán)形部分相對于中心部分對光線偏折能力較強(qiáng)，平面波入射該新型錐透 鏡時，中間部分和外圍環(huán)形部分將產(chǎn)生兩束不同會聚角的錐面波，且外圍環(huán)形部分產(chǎn)生錐 面波的會聚角較大，故兩束錐面波會有一個交疊的區(qū)域，由此，兩束具有不同會聚角的錐面 波分別產(chǎn)生兩束具有不同縱向波矢分量的貝塞爾(Bessel)光，而同頻率且具有不同縱向 波矢分量的Bessel光相干疊加將產(chǎn)生周期性的局域空心光束(Bottle beam)。因此，本發(fā)明通過單一元件即可獲得多個周期再現(xiàn)的Bottle beam，具有元件加工 相對容易、結(jié)構(gòu)簡單、轉(zhuǎn)換效率高、光損傷閾值高的優(yōu)點(diǎn)；另外通過控制圓臺上底面的半徑 或底角大小，可以控制周期性Bottle beam的尺寸和重現(xiàn)周期，在實際應(yīng)用中，特別是對于 微粒的單層面和多層面操控具有特殊意義。


圖1為本發(fā)明的側(cè)視圖；圖2為本發(fā)明的立體視角圖；圖3為本發(fā)明另一角度的立體視角圖；圖4為本發(fā)明產(chǎn)生多個周期性Bottle beam的光路示意圖；圖5為本發(fā)明錐透鏡后縱向上的光強(qiáng)分布圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和較佳實施例對本發(fā)明的新型錐透鏡的結(jié)構(gòu)和原理作進(jìn)一步詳細(xì) 的說明。如圖1-3所示，本發(fā)明一種產(chǎn)生周期局域空心光束的新型錐透鏡，其由軸棱錐1和 膠合于該軸棱錐1底部的圓臺結(jié)構(gòu)2組成，軸棱錐1和圓臺結(jié)構(gòu)2只需采用常用的光學(xué)玻 璃材料制成。如圖1所示，本案新型錐透鏡沿Z軸旋轉(zhuǎn)對稱，其中，圓臺結(jié)構(gòu)2的下底面與 軸棱錐1的底面膠合，圓臺結(jié)構(gòu)2的下底面的半徑大于其上底面的半徑。作為本發(fā)明一較佳實施例，如圖4所示，圓臺結(jié)構(gòu)2的下底面的半徑可以與軸棱錐 1底面的半徑相等；其中，設(shè)置軸棱錐1的底角為Y1，底面半徑為R1，圓臺結(jié)構(gòu)2的底角為 Y2,上底面半徑為&，下底面半徑為R1，且R1 > &。則按對光線偏折能力的不同，可以將所 述新型錐透鏡分為中間部分3和外圍環(huán)形部分4，該兩部分相當(dāng)于不同底角的軸棱錐。由幾何光學(xué)和波動光學(xué)分析可知，平面波入射新型錐透鏡時，新型錐透鏡的中心 部分3相當(dāng)于底角為、x的傳統(tǒng)軸棱錐，產(chǎn)生的無衍射區(qū)如圖4所示虛線包圍的ABCD區(qū)域； 新型錐透鏡的外圍環(huán)形部分4相當(dāng)于底角為Y汁Y 2的傳統(tǒng)軸棱錐，產(chǎn)生的無衍射區(qū)如圖4 所示實線包圍的EFGH區(qū)域。已知出射光束的匯聚角與軸棱錐底角近似成正比關(guān)系，因此新 型錐透鏡的外圍環(huán)形部分4產(chǎn)生較大的匯聚角，導(dǎo)致ABCD和EFGH兩個無衍射區(qū)有交疊，如 圖4的陰影部分所示，此交疊區(qū)域由于貝塞爾(Bessel)光相干疊加將產(chǎn)生多個周期性的局 域空心光束(Bottle beam)。在一具體實驗中，我們選擇了參數(shù)隊=8mm, R2 = 3mm, Y1 = Id，Y2 = 0. 5°， η= 1.5，數(shù)值模擬波長λ = 632. 8nm的平面波經(jīng)過本發(fā)明的新型錐透鏡，于新型錐透鏡的 后縱向所得到的光強(qiáng)分布圖如圖5所示，即平面波經(jīng)過本發(fā)明的新型錐透鏡后可形成周期 Bottle beam;特別地，通過控制圓臺結(jié)構(gòu)2的底角為Y 2或上底面半徑&的大小，可以便捷 地實現(xiàn)Bottle beam的尺寸和重現(xiàn)周期的可調(diào)作用。綜上所述，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡單、元件加工簡易、轉(zhuǎn)換效率高、光損傷閾值高，且無 需繁瑣的安裝調(diào)試等優(yōu)點(diǎn)，在實際應(yīng)用中，特別是微粒的單層面和多層面操控中具有特殊
眉、ο上述實施例和圖式并非限定本發(fā)明的產(chǎn)品形態(tài)和式樣，任何所屬技術(shù)領(lǐng)域的普通 技術(shù)人員對其所做的適當(dāng)變化或修飾，皆應(yīng)視為不脫離本發(fā)明的專利范疇。
權(quán)利要求
1.一種產(chǎn)生周期局域空心光束的新型錐透鏡，其特征在于由軸棱錐和膠合于該軸棱 錐底部的圓臺結(jié)構(gòu)組成，該圓臺結(jié)構(gòu)的下底面與該軸棱錐的底面膠合，上述圓臺結(jié)構(gòu)的下 底面的半徑大于其上底面的半徑。
2.如權(quán)利要求1所述的一種產(chǎn)生周期局域空心光束的新型錐透鏡，其特征在于上述 圓臺結(jié)構(gòu)的下底面的半徑與上述軸棱錐底面的半徑相等。
全文摘要
本發(fā)明公開一種產(chǎn)生周期局域空心光束的新型錐透鏡，其由軸棱錐和膠合于該軸棱錐底部的圓臺結(jié)構(gòu)組成，該圓臺結(jié)構(gòu)的下底面與該軸棱錐的底面膠合，上述圓臺結(jié)構(gòu)的下底面的半徑大于其上底面的半徑；本發(fā)明能夠通過單一元件即可獲得多個周期再現(xiàn)的局域空心光束，且產(chǎn)生的多個Bottle beam的尺寸和再現(xiàn)周期可以通過控制圓臺結(jié)構(gòu)的底角和上底半徑的大小來調(diào)節(jié)，與現(xiàn)有產(chǎn)生Bottle beam的方法相比，本案具有結(jié)構(gòu)簡單、元件加工簡易、轉(zhuǎn)換效率高、光損傷閾值高的優(yōu)點(diǎn)，并為獲取Bottle beam提供了一種簡潔、有效的新途徑，對于微粒的多層面操控具有特殊意義。
文檔編號G02B3/00GK102116883SQ20111005522
公開日2011年7月6日 申請日期2011年3月9日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月9日
發(fā)明者吳逢鐵, 張前安, 鄭維濤, 黃啟祿 申請人:華僑大學(xué)