一種基于漸變折射率透鏡的流式細胞儀光束整形系統的制作方法

本發明涉及流式細胞儀的儀器領域，具體涉及一種基于漸變折射率透鏡的流式細胞儀光束整形系統。

背景技術：

在激光的許多實際應用中，例如激光驅動核聚變、激光材料加工、激光醫療等領域，常要求光強空間分布均勻的激光光束。但實際所用的激光器發出的激光光束通常為高斯光束，因此需要通過特殊設計的光學系統將高斯光束整形為光強均勻分布的平頂光束。

經過光學調制技術的進一步發展，如今的光束的空間整形方法很多，除了人們最初使用的光闌攔截法，還可利用非球面透鏡組、全息濾波器、二元相位、振幅調制光柵、相位型光束整形、衍射光學元件、微透鏡陣列整形、雙折射透鏡組、液晶空間光調制器、長焦深整形元件(圓錐鏡光束變換)等將高斯光束整形為平頂光束。激光光束整形是激光光學領域近些年來興起的一種新技術，針對激光光束的特點，人們研究并發明了大量的針對激光光束整形的方法，以上介紹的是在激光光束整形中常用的幾種方法，各種方法都有它的優劣點，每一種整形方法都不盡人意，要么是適用性不高，要么是結構復雜，制作困難，成本高。在這些方法中非球面鏡整形以結構簡單、整形效率高的特點，適合于高功率固體激光激光器高斯光束的整形。

國內外學者針對激光束整形問題進行了很多研究，2000年，J.A.Hoffnagle和C.M.Jefferson全面介紹了利用非球面透鏡組將高斯光束轉化為平頂光束的設計方法和評價方法，該方法能夠在短距離內獲得超高斯函數分布的激光束輸出，但是激光束無法在較長距離內保持其光強分布。2006年，P.W.Rhodes和D.L.shealy針對激光束的傳播問題，詳細討論了超高斯函數分布、洛倫茲函數分布、費米狄克拉函數分布等幾種光強平項分布的激光束的光強特征、相位特征以及傳播特性。在此基礎上，2007年9月，S.Zhang提出了一種改進式雙凸非球面高斯光束整形器，通過選用洛倫茲函數分布的激光束輸出作為目標，明顯地提高了激光束的傳播距離，同時降低了非球面透鏡的加工制作難度。2010年10月華中科技大學光電子科學與工程學院的尚健力等人，提出了一種新型折射式高斯光束平頂器，僅用一塊非球面透鏡就達到了良好的整形效果，改進了傳統整形器具有的體積大、不易調節的缺點，但是該系統只適用于較小擴束倍數的高斯光束整形方案中。2011年6月，國防科技大學光電子科學與工程學院的馬浩統等人，提出了伽利略式非球面透鏡組整形高斯光束的改進方法，使得整形系統不僅能夠對激光束進行擴束整形，還可以對激光束進行縮束整形，同時該整形效果已接近衍射極限，但是所設計的非球面的面型曲線不單調，使得加工難度非常高。2011年7月，長春理工大學光電學院的高踽含等人，提出了利用光學軟件ZEMAX編程宏語言來設計高斯光束整形系統，相比于之前的求解數值方程計算非球面系數的方法，該方法更加快捷實用。

綜上所述，目前國內外研究學者使用非球面透鏡組對高斯光束進行整形的研究，主要建立在軸對稱光學系統的理論基礎上，該方法最大的不足在于只能對光束的光強分布進行調制，而不能改變光斑的形狀。而且目前改變光斑形狀的方法是在透鏡間增加1/2波晶片或1/4波晶片，通過改變1/2波晶片或1/4波晶片與偏振方向的位置實現對光斑形狀的改變。

技術實現要素：

為解決上述問題，本發明提出一種基于漸變折射率透鏡的流式細胞儀光束整形系統，在減少光學元器件的同時又能夠有效的兼顧光強調制和光斑大小形狀調制。

本發明的技術方案是：一種基于漸變折射率透鏡的流式細胞儀光束整形系統，包括透鏡組和激光器，所述的透鏡組包括第一透鏡和第二透鏡，所述第一透鏡是聚光透鏡，第二透鏡為散光透鏡，所述第一透鏡和第二透鏡具有方向相關折射率特性。

優選的，所述第一透鏡和第二透鏡的方向相關折射率特性是第一透鏡折射率沿軸向逐漸增大，第二透鏡折射率沿軸向逐漸減小。

優選的，所述的第一透鏡最大折射率與第二透鏡最大折射率相同。

優選的，所述透鏡組包括的透鏡不限于兩個。

優選的，所述透鏡組包括的透鏡的幾何中心在同一條直線上。

優選的，所述的透鏡組包括的透鏡的截面形狀是圓形、橢圓形或矩形。

本發明的有益效果是：一種基于漸變折射率透鏡的流式細胞儀光束整形系統，通過使用具有方向相關折射率特性的光學透鏡對激光器發出的光束進行匯聚，實現有效地兼顧光強調制和光斑形狀調制。該光學系統安裝方便、使用簡單。

附圖說明

參考隨附的附圖，本發明更多的目的、功能和優點將通過本發明實施方式的如下描述得以闡明，其中：

圖1示出本發明一種基于漸變折射率透鏡的流式細胞儀光束整形系統的系統圖；

圖2示出本發明實施例1漸變折射率透鏡的折射率變化曲線圖；

圖3示出本發明實施例2漸變折射率透鏡的折射率變化曲線圖；

圖4示出本發明實施例3漸變折射率透鏡的折射率變化曲線圖。

具體實施方式

通過參考示范性實施例，本發明的目的和功能以及用于實現這些目的和功能的方法將得以闡明。然而，本發明并不受限于以下所公開的示范性實施例；可以通過不同形式來對其加以實現。說明書的實質僅僅是幫助相關領域技術人員綜合理解本發明的具體細節。

在下文中，將參考附圖描述本發明的實施例。在附圖中，相同的附圖標記代表相同或類似的部件，或者相同或類似的步驟。

本發明的工作原理是由具有方向相關折射率特性的光學透鏡對激光器發出的光束進行匯聚，使其在不同方向上具有不同的軸向放大率，從而實現匯聚光斑的橢圓化。

實施例1

圖1為本發明一種基于漸變折射率透鏡的流式細胞儀光束整形系統的系統圖。如圖1所示，一種基于漸變折射率透鏡的流式細胞儀光束整形系統包括第一透鏡101、第二透鏡102和激光器(未標出)。激光器發出的入射激光束103通過第一透鏡101和第二透鏡102形成出射激光束104。入射激光束103的截面光斑是A，出射激光束的截面光斑是B。截面光斑是B與截面光斑是A相比較區別是光斑的大小發生了變化。

入射激光束103到達第一透鏡101，由于第一透鏡101的折射率沿軸向逐漸增大，如圖2左圖所示，縱軸N代表折射率，橫軸L代表透鏡長度，第一透鏡101的折射率N隨著長度L的增加而增加，趨勢是反比例函數分支的遞增分支，使沿軸向傳輸的激光束發生折射，從而實現出射激光束被平滑且連續的匯聚到Q點；匯聚到Q點的激光束，由于第二透鏡102的折射率沿軸向逐漸增大，如圖2右圖所示，縱軸第二透鏡102的折射率N隨著長度L的增加而減小，趨勢是反比例函數分支的遞減分支，Q點的激光束沿軸向傳輸并發生折射，在折射率的作用下，Q點的激光束漸漸形成光斑，但由于第一透鏡101的最小折射率與第二透鏡102的最小折射率不相同且第二透鏡102的最小折射率大于第一透鏡101的最小折射率，最終的出射激光束104的截面光斑B小于入射激光束103的截面光斑A，實現了改變激光束光斑的大小，當通過第二透鏡102不同方向的軸向放大率不同，當長軸軸向放大率不等于短軸放大率時，形狀也會跟著發生變化，將圓形光斑在漸變折射率透鏡中形成橢圓形光斑。

本實施例中采用的第一透鏡和第二透鏡的截面形狀為矩形，其中漸變折射率透鏡還可以選用截面形狀是圓形或橢圓形的透鏡。

其中，因為第一透鏡101最大折射率和第二透鏡102最大折射率相同，使得當光斑到達第二透鏡102再次發生折射時不會突然產生跳變，保證了光斑變化的連續性。

如圖1所述的第一透鏡101和第二透鏡102的幾何中心與激光光束的發射點在同一條直線上，確保光束在透鏡中傳播始終處于透鏡中心，不會在第一透鏡101和第二透鏡102的結合處突然發生位置改變，保證了光斑變化的連續性。

其中，透鏡組的個數不限于是兩個，可以根據實際情況根據透鏡的折射率關系合理組合透鏡實現改變激光束的大小和形狀。

實施例2

圖3為本發明實施例2漸變折射率透鏡的折射率變化曲線圖。如圖3所示，左圖代表第一透鏡101的折射率變化曲線圖，右圖代表第二透鏡102的折射率變化曲線圖，本實施例與實施例1的區別在于，漸變折射率透鏡的折射率發生了改變，本實施例的透鏡折射率曲線的每一處斜率的絕對值隨著長度L的增加而逐漸增加。

入射激光束到達第一透鏡，如圖3所示，縱軸N代表折射率，橫軸L代表透鏡長度，第一透鏡的折射率N隨著長度L的增加而增加，折射率曲線趨勢為拋物線函數的遞增曲線，折射率為入射角正弦比折射角正弦值，由于拋物線函數的遞增曲線特征，曲線斜率隨著長度L的增加而逐漸減小，在第一透鏡中沿軸向傳輸的激光束不斷發生折射，光斑大小逐漸減小和形狀逐漸變化，實現出射激光束被平滑且連續的匯聚到一點；第二透鏡的折射率N隨著長度L的增加而減小，趨勢是拋物線函數分支的遞減分支，匯聚一點的激光束沿軸向傳輸并發生折射，由于拋物線函數的遞減曲線特征，曲線斜率隨著長度L的增加而逐漸增加，激光束在第二透鏡中傳播，在折射率作用下，匯聚一點的光斑的大小逐漸增大，通過第二透鏡光斑不同方向的軸向放大率不同，當長軸軸向放大率不等于短軸放大率時，形狀也會跟著發生變化，將圓形光斑在漸變折射率透鏡中形成橢圓形光斑。

實施例3

圖4為本發明實施例3漸變折射率透鏡的折射率變化曲線圖。如圖4所示，左圖代表第一透鏡101的折射率變化曲線圖，右圖代表第二透鏡102的折射率變化曲線圖，本實施例與實施例1的區別在于，漸變折射率透鏡的折射率發生了改變，本實施例中透鏡折射率曲線趨勢為一次函數曲線圖，折射率曲線斜率處處相等，激光束在漸變折射率透鏡中傳播時光斑大小產生勻速變化。

結合這里披露的本發明的說明和實踐，本發明的其他實施例對于本領域技術人員都是易于想到和理解的。說明和實施例僅被認為是示例性的，本發明的真正范圍和主旨均由權利要求所限定。