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CN113946057A - 一种多模光纤匀光装置 - Google Patents

一种多模光纤匀光装置 Download PDF

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CN113946057A CN202111199087.6A CN202111199087A CN113946057A CN 113946057 A CN113946057 A CN 113946057A CN 202111199087 A CN202111199087 A CN 202111199087A CN 113946057 A CN113946057 A CN 113946057A
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陈龙超
王谷丰
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Shenzhen Sailu Medical Technology Co ltd
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Abstract

本发明公开了一种多模光纤匀光装置，包括沿光轴方向依次分布的整形组件、匀光组件及聚光元件；其中，所述整形组件，用于对光纤发出的激光进行整形以符合匀光组件的输入要求；所述匀光组件，用于对整形后的激光进行匀光；所述聚光元件，用于对匀光后的激光进行聚焦；所述聚光元件包括显微物镜。本发明实施例体积小、适用性强且可配合物镜使用，可广泛应用于光学元件领域。

Description

一种多模光纤匀光装置
技术领域
本发明涉及光学元件领域，尤其涉及一种多模光纤匀光装置。
背景技术
现有的用于基因测序领域的激光器普遍为NA0.22的多模光纤输出的激光器，其光强分布为超高斯分布，光源中心与周边强度分布不均。荧光基团的量子效率普遍较低，为了将视野边缘的样品也激发出足够的信噪比，需要将光强调至足够大，但与此同时，中心光强也会同时提高，可能损伤样品，造成光毒性导致样品光漂白。另一方面，目前市面上现有的匀光整形光学元件普遍为整套镜头的结构，体积大、造价高，仅可针对标准高斯光束进行匀化整形，无法匀化特定的超高斯光束，适用性差，且光源经过匀光整形元件后直接匀光，无法和显微物镜配套使用，难以保证物镜焦面处的光强分布均匀。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例的目的是提供一种多模光纤匀光装置，体积小、适用性强且可配合物镜使用。
本发明实施例提供了一种多模光纤匀光装置，包括沿光轴方向依次分布的整形组件、匀光组件及聚光元件；其中，
所述整形组件，用于对光纤发出的激光进行整形以符合匀光组件的输入要求；
所述匀光组件，用于对整形后的激光进行匀光；
所述聚光元件，用于对匀光后的激光进行聚焦；所述聚光元件包括显微物镜。
可选地，所述整形组件包括依次沿光轴方向分布的第一球面透镜和第二球面透镜，所述匀光组件包括依次沿光轴方向分布的第一偶次非球面透镜和第二偶次非球面透镜；其中，
由所述第一球面透镜和所述第二球面透镜组成的整形组件，用于减少激光的孔径角；
由所述第一偶次非球面透镜和所述第二偶次非球面透镜组成的匀光组件，用于对整形后的激光进行匀光。
可选地，所述第一球面透镜和所述第二球面透镜均为平凸透镜且远离所述光纤一侧的表面为平面。
可选地，所述第一球面透镜和所述第二球面透镜之间满足以下关系：
Figure BDA0003304227810000021
其中，λ表示激光波长，f1表示所述第一球面透镜的焦距，f2表示所述第二球面透镜的焦距，d表示所述第一球面透镜与所述第二球面透镜的间距。
可选地，所述第一球面透镜的焦距满足以下关系：
1.4×105λ≤f1≤1.6×105λ
可选地，所述第二球面透镜的焦距满足以下关系：
1.8×105λ≤f2≤2×105λ
可选地，所述第一偶次非球面透镜和所述第二偶次非球面透镜满足以下关系：
Figure BDA0003304227810000022
Figure BDA0003304227810000023
其中，z表示偶次非球面透镜表明的面型，c表示曲率，k表示圆锥系数，α1表示2阶非球面系数，α2表示4阶非球面系数，α3表示6阶非球面系数，α4表示8阶非球面系数，x、y表示非球面表面的坐标位置。
可选地，所述第一偶次非球面透镜和所述第二偶次非球面透镜的材料均为塑料。
可选地，所述整形组件包括第三球面透镜、所述匀光组件包括第一鲍威尔棱镜和/或第二鲍威尔棱镜，当所述匀光组件包括第一鲍威尔棱镜和第二鲍威尔棱镜，所述第一鲍威尔棱镜和所述第二鲍威尔棱镜相互垂直；其中，
由所述第三球面透镜组成的整形组件，用于对激光进行准直；
所述第一鲍威尔棱镜，用于对整形后的激光在第一方向上进行匀光；
所述第二鲍威尔棱镜，用于对整形后的激光在第二方向上进行匀光；所述第一方向与所述第二方向相互垂直。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例中光纤发出的激光首先经过整形组件进行整形以符合匀光组件的输入要求，然后经过匀光组件对整形后的激光进行匀光，最后经过聚光元件对匀光后的激光进行聚焦，聚光元件包括显微物镜；通过整形组件和匀光组件的组合，可对高斯分布光束或超高斯分布光束进行匀化整形，匀化视野中心及视野边缘的光强以达到均匀照明的目的，对光源均匀性要求降低，体积小、适用性强且可配合物镜使用，装置结构简单、装调难度小且易于实现。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种多模光纤匀光装置的结构框图；
图2是本发明实施例提供的第一种多模光纤匀光装置的光路图；
图3是本发明实施例提供的一种激光光源匀光前的光斑图；
图4是本发明实施例提供的一种激光光源匀光前x方向的光强分布图；
图5是本发明实施例提供的一种激光光源经过第一种多模光纤匀光装置匀光后的光斑图；
图6是本发明实施例提供的一种激光光源经过第一种多模光纤匀光装置匀光后x方向的光强分布图；
图7是本发明实施例提供的第二种多模光纤匀光装置的光路图；
图8是本发明实施例提供的第三种多模光纤匀光装置的光路图；
图9是本发明实施例提供的一种激光光源经过第二种多模光纤匀光装置或第三种多模光纤匀光装置匀光后的光斑图；
图10是本发明实施例提供的一种激光光源经过第二种多模光纤匀光装置匀光后y方向的光强分布图；
图11是本发明实施例提供的一种激光光源经过第三种多模光纤匀光装置匀光后x方向的光强分布图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步的详细说明。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
如图1所示，本发明实施例提供了一种多模光纤匀光装置，包括沿光轴方向依次分布的整形组件、匀光组件及聚光元件；其中，
所述整形组件，用于对光纤发出的激光进行整形以符合匀光组件的输入要求；
所述匀光组件，用于对整形后的激光进行匀光；
所述聚光元件，用于对匀光后的激光进行聚焦；所述聚光元件包括显微物镜。
具体地，首先光纤发出的激光通过整形组件进行整形，然后整形后的激光通过匀光组件进行匀光，最后匀光后的激光通过聚光元件进行聚焦以达到满足要求的输出光。
需要说明的是，整形组件进行的具体整形功能需根据匀光组件的需求进行设置，整形组件的功能包括但不限于减少输入激光的孔径角或对输入激光进行准直等，本发明实施例不做具体限制。
本领域技术人员可以理解的是，匀光组件可以是多个透镜的组合或单个透镜，具体需要根据输出光的要求进行设置，本发明实施例不做具体限制。
在一些实施例中，如图2所示，所述整形组件包括依次沿光轴方向分布的第一球面透镜L1和第二球面透镜L2，所述匀光组件包括依次沿光轴方向分布的第一偶次非球面透镜L3和第二偶次非球面透镜L4，聚光元件为显微物镜L5；其中，
由所述第一球面透镜L1和所述第二球面透镜L2组成的整形组件，用于减少激光的孔径角；
由所述第一偶次非球面透镜L3和所述第二偶次非球面透镜L4组成的匀光组件，用于对整形后的激光进行匀光。
可选地，参阅图2，所述第一球面透镜L1和所述第二球面透镜L2均为平凸透镜且远离所述光纤一侧的表面为平面。
可选地，所述第一球面透镜和所述第二球面透镜之间满足以下关系：
Figure BDA0003304227810000041
其中，λ表示激光波长，f1表示所述第一球面透镜L1的焦距，f2表示所述第二球面透镜L2的焦距，d表示所述第一球面透镜L1与所述第二球面透镜L2的间距。
需要说明的是，如果L1与L2的组合焦距过大，组合透镜组的屈光度较低，光线经过L2后孔径角仍较大，导致后续光路中元件的孔径较大，光学系统体积过大，这是不理想的情况；如果L1与L2的组合焦距过小，则L1与L2的四个表面至少其中一个具有较大的曲率，导致较大的球差，同样是不理想的情况。
可选地，所述第一球面透镜L1的焦距满足以下关系：
1.4×105λ≤f1≤1.6×105λ
可选地，所述第二球面透镜L2的焦距满足以下关系：
1.8×105λ≤f2≤2×105λ
需要说明的是，f1与f2的值差异较小，光线经过球面透镜L1与球面透镜L2之后的屈光度平缓变化，对系统的公差灵敏度具有好的影响。
可选地，所述第一偶次非球面透镜和所述第二偶次非球面透镜满足以下关系：
Figure BDA0003304227810000051
Figure BDA0003304227810000052
其中，z表示偶次非球面透镜表明的面型，c表示曲率，k表示圆锥系数，α1表示2阶非球面系数，α2表示4阶非球面系数，α3表示6阶非球面系数，α4表示8阶非球面系数，x、y表示非球面表面的坐标位置。
可选地，所述第一偶次非球面透镜和所述第二偶次非球面透镜的材料为塑料。所述第一偶次非球面透镜和所述第二偶次非球面透镜的材料选择塑料，便于加工制造，且加工成本低。
下面以一个具体实施例对上述的多模光纤匀光装置进行说明。
激光波长选择532nm，光纤口径选择0.2*0.2mm，数值孔径NA为0.22。激光光源强度分布满足以下超高斯公式：
Figure BDA0003304227810000053
其中，θx,θy分别为x、y方向的空间角，I0为入射光源的平均强度。光源模型仿真结果如图3及图4所示，光强呈超高斯分布；图3为激光光纤出口后0.5mm处的光斑，图4为激光光纤出口后0.5mm处沿x方向的光强分布。
多模光纤匀光装置选择图2中的装置。其中，第一球面透镜L1的焦距f1及第二球面透镜L2的焦距f2之间满足以下关系：
Figure BDA0003304227810000054
第一球面透镜L1的焦距f1满足：76mm≤f1≤82mm，第二球面透镜L2的焦距f2满足：98mm≤f2≤105mm。显微物镜L5的焦距为10mm。图2中的装置各透镜的具体参数如表一所示。
表一
Figure BDA0003304227810000055
表一中，BK7为硼硅酸盐冕玻璃，BK7的硬度比较高，可以防止划伤；BK7透射光谱范围380-2100nm，BK7的高均匀度、低气泡和杂质含量，以及简单的生产和加工工艺，使它成为制作透射性光学元件的良好选择。PMMA(polymethyl methacrylate，聚甲基丙烯酸甲酯)是一种高分子聚合物，又称作亚克力或有机玻璃，具有高透明度，低价格，易于机械加工等优点，是平常经常使用的玻璃替代材料。
光纤发出的上述激光通过上述图2中的多模光纤匀光装置后，像面上的光斑如图5和图6所示，光强分布均匀，光斑直径可达到约1.58mm。
在一些实施例中，如图7所示，所述整形组件包括第三球面透镜L6、所述匀光组件包括第一鲍威尔棱镜L7和/或第二鲍威尔棱镜L8，当所述匀光组件包括第一鲍威尔棱镜L7和第二鲍威尔棱镜L8，所述第一鲍威尔棱镜L7和所述第二鲍威尔棱镜L8相互垂直；其中，
由所述第三球面透镜L6组成的整形组件，用于对激光进行准直；
所述第一鲍威尔棱镜L7，用于对整形后的激光在第一方向上进行匀光；
所述第二鲍威尔棱镜L8，用于对整形后的激光在第二方向上进行匀光；所述第一方向与所述第二方向相互垂直。
需要说明的是，匀光组件可以包括第一鲍威尔棱镜L7或第二鲍威尔棱镜L8中的任意一个，或同时包括第一鲍威尔棱镜L7和第二鲍威尔棱镜L8。
本领域技术人员可以理解的是，第一方向可以理解为坐标轴的y方向，第二方向可以理解为坐标轴的x方向。
具体地，如图7所示，激光光源经过球面透镜L6后准直，在y方向上，准直光束通过第一鲍威尔棱镜L7后，匀化y方向上的光束，最终经过显微物镜L9成像在样品面上，此时第二鲍威尔棱镜L8相当于一块平板玻璃。
具体地，如图8所示，激光光源经过球面透镜L6后准直，在x方向上，准直光束通过第二鲍威尔棱镜L8后，匀化x方向上的光束，最终经过显微物镜L9成像在样品面上，此时第一鲍威尔棱镜L7相当于一块平板玻璃。
下面以一个具体实施例说明图7或图8中的多模光纤匀光装置。
激光波长选择532nm，光纤口径选择0.2*0.2mm，数值孔径NA为0.22。激光光源强度分布满足以下超高斯公式：
Figure BDA0003304227810000061
其中，θx,θy分别为x、y方向的空间角，I0为入射光源的平均强度。光源模型仿真结果如图3及图4所示，光强呈超高斯分布；图3为激光光纤出口后0.5mm处的光斑，图4为激光光纤出口后0.5mm处沿x方向的光强分布。
多模光纤匀光装置选择图7或图8中的装置，具体参数如表2所示。
表二
Figure BDA0003304227810000071
将上述光纤输出的激光输入到上述图7中的装置后，像面上的光斑如图9、图10和图11所示，均匀性达到85％以上的光斑长度可达到约1.4mm。
需要说明的是，本实施例能实现对超高斯分布光束的匀化整形功能，但在85％以上的均匀性条件下，该方案会造成约1/2的能量损失，因此只适合对于照明光源能量利用率不那么高的场合。
实施本发明实施例包括以下有益效果：本发明实施例中光纤发出的激光首先经过整形组件进行整形以符合匀光组件的输入要求，然后经过匀光组件对整形后的激光进行匀光，最后经过聚光元件对匀光后的激光进行聚焦，聚光元件包括显微物镜；通过整形组件和匀光组件的组合，可对高斯分布光束或超高斯分布光束进行匀化整形，匀化视野中心及视野边缘的光强以达到均匀照明的目的，对光源均匀性要求降低，体积小、适用性强且可配合物镜使用，装置结构简单、装调难度小且易于实现。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (9)

1.一种多模光纤匀光装置，其特征在于，包括沿光轴方向依次分布的整形组件、匀光组件及聚光元件；其中，
所述整形组件，用于对光纤发出的激光进行整形以符合匀光组件的输入要求；
所述匀光组件，用于对整形后的激光进行匀光；
所述聚光元件，用于对匀光后的激光进行聚焦；所述聚光元件包括显微物镜。
2.根据权利要求1所述的多模光纤匀光装置，其特征在于，所述整形组件包括依次沿光轴方向分布的第一球面透镜和第二球面透镜，所述匀光组件包括依次沿光轴方向分布的第一偶次非球面透镜和第二偶次非球面透镜；其中，
由所述第一球面透镜和所述第二球面透镜组成的整形组件，用于减少激光的孔径角；
由所述第一偶次非球面透镜和所述第二偶次非球面透镜组成的匀光组件，用于对整形后的激光进行匀光。
3.根据权利要求2所述的多模光纤匀光装置，其特征在于，所述第一球面透镜和所述第二球面透镜均为平凸透镜且远离所述光纤一侧的表面为平面。
4.根据权利要求3所述的多模光纤匀光装置，其特征在于，所述第一球面透镜和所述第二球面透镜之间满足以下关系：
Figure FDA0003304227800000011
其中，λ表示激光波长，f1表示所述第一球面透镜的焦距，f2表示所述第二球面透镜的焦距，d表示所述第一球面透镜与所述第二球面透镜的间距。
5.根据权利要求4所述的多模光纤匀光装置，其特征在于，所述第一球面透镜的焦距满足以下关系：
1.4×105λ≤f1≤1.6×105λ
其中，λ表示激光波长，f1表示所述第一球面透镜的焦距。
6.根据权利要求4所述的多模光纤匀光装置，其特征在于，所述第二球面透镜的焦距满足以下关系：
1.8×105λ≤f2≤2×105λ
其中，λ表示激光波长，f2表示所述第二球面透镜的焦距。
7.根据权利要求2所述的多模光纤匀光装置，其特征在于，所述第一偶次非球面透镜和所述第二偶次非球面透镜满足以下关系：
Figure FDA0003304227800000021
Figure FDA0003304227800000022
其中，z表示偶次非球面透镜表明的面型，c表示曲率，k表示圆锥系数，α1表示2阶非球面系数，α2表示4阶非球面系数，α3表示6阶非球面系数，α4表示8阶非球面系数，x、y表示非球面表面的坐标位置。
8.根据权利要求2所述的多模光纤匀光装置，其特征在于，所述第一偶次非球面透镜和所述第二偶次非球面透镜的材料均为塑料。
9.根据权利要求1所述的多模光纤匀光装置，其特征在于，所述整形组件包括第三球面透镜、所述匀光组件包括第一鲍威尔棱镜和/或第二鲍威尔棱镜，当所述匀光组件包括第一鲍威尔棱镜和第二鲍威尔棱镜，所述第一鲍威尔棱镜和所述第二鲍威尔棱镜相互垂直；其中，
由所述第三球面透镜组成的整形组件，用于对激光进行准直；
所述第一鲍威尔棱镜，用于对整形后的激光在第一方向上进行匀光；
所述第二鲍威尔棱镜，用于对整形后的激光在第二方向上进行匀光；所述第一方向与所述第二方向相互垂直。
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