专利名称：用LED光源实现Bessel光自重建的光学系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种利用非相干LED光源通过障碍物后无衍射Bessel光束自重建的光学系统。
背景技术：
自1987年Durnin首次提出无衍射Bessel光束以来，这类光束便以其主光斑尺寸小、能量集中、方向性好、光场分布不随传输距离而变化等特点吸引了国内外科研人员的广泛关注。近年来，由于无衍射Bessel光束所拥有高斯光束等普通光束不曾有的重要特性-重建特性，在生物工程和医学领域取得了许多重要的成果。当一个粒子被无衍射光束捕获时，粒子将会使其附近光场分布发生畸变，但在粒 子后一定距离处无衍射光束会发生重建，这样又可以捕获其它粒子，无衍射光束的重建特性使得无衍射光束同时操作多层面粒子成为可能。到目前为止人们对Bessel光束自重建所做的研究都是在采用相干光源(激光)的基础上展开的，而对于非相干LED光源无衍射光的自重建研究国内外尚未有报道。LED作为一种新型固态光源，具有节能、环保、寿命长、可靠耐用、响应时间快和高显色性等诸多优点，并且LED造价低廉，极易获得，有着独特的市场优势。非相干光源可重建的特性在粒子多层面操控、光学微操作等方面具有极高的应用价值。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用LED光源实现Bessel光自重建的光学系统。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案用LED光源实现Bessel光自重建的光学系统，包括光学平台、光具座、LED灯珠、LED聚光透镜、聚光筒、光阑、短焦距透镜、长焦距透镜、轴棱锥和不透光障碍物；其中，LED聚光透镜通过光具座支设于光学平台的一端，以光学平台设置LED聚光透镜的一端为后，另一端为前，LED聚光透镜罩设于LED灯珠外用以将LED灯珠发出的光汇聚后投向前方，聚光筒、光阑、短焦距透镜、长焦距透镜、轴棱锥和不透光障碍物分别通过光具座依次支设于LED聚光透镜的前方；聚光筒为维形聚光筒，LED聚光透镜的开口套接于此维形聚光筒的大内，此维形聚光筒的小端具有用以将光线出射至前方的小孔；LED聚光透镜、聚光筒、光阑、短焦距透镜、长焦距透镜、轴棱锥和不透光障碍物的
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中心都在光轴上，聚光筒与光阑的间距D要满足/)二± —的条件，其中b为聚光筒小端的小孔
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内径，d为光阑的直径，λ为入射光的波长；光阑与短焦距透镜的间距小于35cm;短焦距透镜与长焦距透镜的间距为两者焦距之和；轴棱锥与长焦距透镜的间距小于18m，轴棱锥与不透光障碍物之间的距离小于13cm。所述LED聚光透镜为能与LED灯珠胶合的聚光透镜。
所述聚光筒用于与LED聚光透镜相套接的大端的半径略大于或等于所述LED聚光透镜的开口半径；所述小孔的半径约为1mm。所述光阑为半径可调的圆孔光阑，用以提高LED光场的相干性。所述LED灯珠采用频谱宽度小于80nm的LED灯珠。所述LED灯珠为蓝光LED灯珠。采用上述方案后，点亮LED灯珠，LED灯珠发出的光经LED聚光透镜汇聚后进入聚光筒，光线在聚光筒内经过多次反射并汇聚达到强度分布较均匀的状态从聚光筒的小孔出射，经过光阑光场空间相干性得到提高，再通过由短焦距透镜和长焦距透镜构成的准直扩束系统后接近平行光入射到轴棱锥上，在轴棱锥后一定距离内形成近似无衍射区域，在无衍射区域内放置不透光障碍物，Bessel光束不会因此而停止传播，反而绕过不透光障碍 物继续传播，并在障碍物后方投下一片阴影区，但很快Bessel光束又恢复到原来的光强分布，即在无衍射区域内发生了重建。本发明采用的LED灯珠、LED聚光透镜等光学元件造价低廉，获取容易，为用非相干光源实现Bessel光束自重建提供了较为方便快捷的方法，使非相干光源产生无衍射光束能同时操作多个粒子成为可能，为多层面操控粒子、光学微操作提供了条件，对于非相干光源的研究具有重大意义。
图I为本发明光学系统的结构示意图；图2为本发明的光路示意图(省略LED聚光透镜4)。
具体实施例方式下面结合附图对本发明系统的结构和原理作进一步详细的说明。本发明用LED光源实现Bessel光自重建的光学系统，如图I所示，包括光学平台I，光具座2，LED灯珠3，LED聚光透镜4，聚光筒5，光阑6，短焦距透镜7，长焦距透镜8，不透光轴棱锥9和障碍物10。其中，LED灯珠3可选用频谱宽度小于80nm的LED灯珠，本实施例选用蓝光LED灯珠，频谱宽度为41nm。其中，LED聚光透镜4通过光具座2支设于光学平台I的一端，以光学平台I设置LED聚光透镜4的一端为后,另一端为前，LED聚光透镜4罩设于蓝光LED灯珠3外用以将蓝光LED灯珠3发出的光汇聚后投向前方，聚光筒5、光阑6、短焦距透镜7、长焦距透镜8、不透光轴棱锥9和障碍物10分别通过光具座2依次支设于LED聚光透镜3的前方，且LED聚光透镜4、聚光筒5、光阑6、短焦距透镜7、长焦距透镜8、轴棱锥9和不透光障碍物10的中心都在光轴上。其中聚光筒5为一端直径大、另一端直径小的锥形聚光筒，此锥形聚光筒大端的半径比LED聚光透镜4的开口半径(LED聚光透镜4的开口半径即LED聚光透镜4朝向前方的这一端的半径)略大，或锥形聚光筒大端的半径与LED聚光透镜4的开口半径相等，LED聚光透镜4的开口(即，LED聚光透镜4朝向前方的这一端)套接于锥形聚光筒的大端内；锥形聚光筒5的小端(靠近光阑6的一端)形成用以将光线出射至前方的小孔，此小孔的半径(即小端的内半径)约为Imm ；
光阑6为半径可调的圆孔光阑，用以提高LED光场的相干性，为达到相干性要求，
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光阑6与聚光筒5的间距D要求满足/) < Y的条件，其中b为聚光筒5的小端的小孔的内
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径，d为光阑的直径，λ为入射光的波长光阑6与短焦距透镜7的间距小于35cm，本实施例中，光阑6与短焦距透镜7的间距可选择30cm ；短焦距透镜7和长焦距透镜8用以构成望远镜系统，对通过光阑6后的LED光进行准直扩束，短焦距透镜7与长焦距透镜8的间距为短焦距透镜7和长焦距透镜8的焦距之和； 轴棱锥9与长焦距透镜8的间距小于18cm，本实施例中，此间距可选择12cm。轴棱锥9与不透光障碍物10之间的距离要求小于13cm，本实施例中，此间距可选择9cm。本发明中，不透光障碍物10可采用菲林片。如图2所示，为本发明系统的光路示意图。LED灯珠3发出的光经LED聚光透镜4(图中未示出)汇聚后进入聚光筒5，光线在聚光筒5内经过多次反射并汇聚达到强度分布较均匀的状态从聚光筒5的小孔出射，经过半径为a的光阑6，光场空间相干性得到提高，再通过由短焦距透镜7和长焦距透镜8构成的准直扩束系统后接近平行光入射到轴棱锥上，在轴棱锥9后一定距离内形成近似无衍射Bessel区域。最大无衍射距离可由公式Zmax ^ R/[(n-l) Y ]计算得到，其中η为轴棱锥材料的折射率，Y为轴棱锥底角，R为入射轴棱锥的光束半径。最小自重建距离可由公式Zmin=a/2(n-l) Y计算得到，其中η为轴棱锥材料的折射率，Y为轴棱锥底角，a为不透光障碍物10的直径。按图I的结构在光学平台I上调整好各个光学元件，调节时先将光阑6小孔孔径调至最大，这样透过光阑6的光强最大便于后面装置的调节，然后让光轴垂直通过光阑6、短焦距透镜7、长焦距透镜8、轴棱锥9光学元件的中心。调节好各个光学元件后需将光阑6的小孔孔径调至O. 2_，这样可提高光场的相干性，在轴棱锥9后一小段距离内可观察到较清晰的近似无衍射Bessel光束，在近似无衍射Bessel区域内放置不透光障碍物10，通过调节显微镜可以很清楚的看到整个自重建过程。
权利要求
1.用LED光源实现Bessel光自重建的光学系统,其特征在于包括光学平台、光具座、LED灯珠、LED聚光透镜、聚光筒、光阑、短焦距透镜、长焦距透镜、轴棱锥和不透光障碍物； 其中，LED聚光透镜通过光具座支设于光学平台的一端，以光学平台设置LED聚光透镜的一端为后，另一端为前，LED聚光透镜罩设于LED灯珠外用以将LED灯珠发出的光汇聚后投向前方，聚光筒、光阑、短焦距透镜、长焦距透镜、轴棱锥和不透光障碍物分别通过光具座依次支设于LED聚光透镜的前方； 聚光筒为锥形聚光筒，LED聚光透镜的开口套接于此锥形聚光筒的大端内，此锥形聚光筒的小端具有用以将光线出射至前方的小孔； LED聚光透镜、聚光筒、光阑、短焦距透镜、长焦距透镜、轴棱锥和不透光障碍物的中心都在光轴上，聚光筒与光阑的间距D要满足的条件，其中b为聚光筒小端的小孔内 A径，d为光阑的直径，λ为入射光的波长；光阑与短焦距透镜的间距小于35cm;短焦距透镜与长焦距透镜的间距为两者焦距之和；轴棱锥与长焦距透镜的间距小于18m，轴棱锥与不透光障碍物之间的距离小于13cm。
2.根据权利要求I所述的用LED光源实现Bessel光束自重建的光学系统，其特征在于所述LED聚光透镜为能与LED灯珠胶合的聚光透镜。
3.根据权利要求I所述的用LED光源实现Bessel光束自重建的光学系统，其特征在于所述聚光筒用于与LED聚光透镜相套接的大端的半径略大于或等于所述LED聚光透镜的开口半径；所述小孔的半径约为1_。
4.根据权利要求I所述的用LED光源实现Bessel光束自重建的光学系统，其特征在于所述光阑为半径可调的圆孔光阑，用以提高LED光场的相干性。
5.根据权利要求I所述的用LED光源实现Bessel光束自重建的光学系统，其特征在于所述LED灯珠采用频谱宽度小于80nm的LED灯珠。
6.根据权利要求5所述的用LED光源实现Bessel光束自重建的光学系统，其特征在于所述LED灯珠为蓝光LED灯珠。
全文摘要
本发明公开了一种用LED光源实现Bessel光束自重建的光学系统。光学系统包括光学平台，蓝光LED灯珠，LED聚光透镜，聚光筒，光阑，短焦距透镜、长焦距透镜、轴棱锥、不透光障碍物。其中短焦距透镜和长焦距透镜间距为两者焦距之和，LED聚光透镜、聚光筒、光阑、短焦距透镜、长焦距透镜、轴棱锥、障碍物的中心都在光轴上。本发明采用的蓝色LED灯珠、LED聚光透镜等光学元件造价低廉，获取容易，为用非相干光源实现Bessel光束自重建提供了较为方便快捷的方法，使非相干光源产生无衍射光束能同时操作多个粒子成为可能，为多层面操控粒子、光学微操作提供了条件，对于非相干光源的研究具有重大意义。
文档编号G02B27/00GK102902066SQ201210363878
公开日2013年1月30日 申请日期2012年9月26日 优先权日2012年9月26日
发明者吴逢铁, 范丹丹, 杜团结, 王涛 申请人:华侨大学