CN101324711A - 多功能反向光镊 - Google Patents

Abstract

一种用于多微粒捕获与传输的多功能反向光镊，特点是其结构包括沿光束前进方向依次的空间轴对称偏振光产生器、衍射光学元件和高数值孔径透镜，所述的衍射光学元件和高数值孔径透镜作为一个整体由压电陶瓷驱动器所控制驱动。本发明可对微观尺度的低折射率微粒、中性冷原子及金属微粒等的捕获及传输，具有结构简单、可操作性强、成本低的特点。

Description

多功能反向光镊

技术领域

本发明涉及激光光镊，特别是一种多功能反向光镊。利用激光在微观尺度下对微粒进行捕获，特别是对低折射率微粒、中性冷原子及金属微粒等的捕获及传输，适用于原子光学、分子光学、生命科学等方面。

背景技术

“光镊”是以激光的力学效应为基础，通过强会聚光场与微粒相互作用时形成的光学势阱，在微观尺度下监控和操纵微粒的一种物理工具。这种使用光束来实现对微粒非机械接触的捕获，不会产生机械损伤，是一种“遥控”的操作。光镊分为标准光镊和反向光镊两种，标准光镊通过光束中心亮斑来捕获折射率比环境介质高的微粒，反向光镊是利用光束中空暗斑来捕获折射率低于环境介质的微粒，对中性冷原子及金属微粒也具有很好的捕获效果，另外，由于反向光镊对捕获微粒的光学加热损伤可减至最小，对生物活细胞的捕获具有重要价值。

反向光镊不仅可以捕获低折射率的介质、中性冷原子和金属微粒等粒子，还可以对微粒进行传输。可作为微粒相互作用过程中力的探针或称为力的传感器，能够有效的研究微粒的静态和动态力学特性。常用的多个微粒捕获和传输装置是利用两束传播方向相反的光波形成的驻波场，通过改变一束光波的位相使强会聚光场的强度分布发生改变，从而驱动微粒进行传输。由于光的传播路径分离，此种方法比较复杂且稳定性不高。液晶向列空间光调制器可以实时控制入射光的位相和振幅从而改变强会聚光场的强度分布，但光的利用率不高，且时间响应慢。另外由于强会聚光场的去偏振效应，空间均匀线偏振光在强会聚光学系统中，光场焦斑强度分布在光束传播横截面上并不是对称的，这对微粒的三维稳定捕获是个不利的因素。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种多功能反向光镊，是一种能够进行多微粒捕获与传输的多功能反向光镊。该光镊具有结构简单、可操作性强、能对微粒进行三维稳定捕获和可控性传输。

本发明的基本原理是：利用衍射光学元件调制单束空间轴对称偏振光的波前而改变强会聚光学系统焦点处的光场强度分布，以能够在焦点附近形成多个中空暗斑的三维光捕获结构，同时利用压电陶瓷驱动器，控制衍射光学元件及高数值孔径透镜的移动从而控制中空暗斑的移动，以实现对捕获在中空暗斑内的微粒进行传输。

本发明的技术解决方案如下：

一种多功能反向光镊，特点是其结构包括沿光束前进方向依次的空间轴对称偏振光产生器、衍射光学元件和高数值孔径透镜，所述的衍射光学元件和高数值孔径透镜作为一个整体由压电陶瓷驱动器所控制驱动。

所述的空间轴对称偏振光产生器是一块圆形石英晶体薄片，空间轴对称偏振光产生器的光轴平行于该石英晶体的厚度方向，即光的传播方向，该石英晶体薄片具有12个不同厚度的扇区，每个扇区对应的圆心角为π/6，每个扇区的厚度标定为hn，其值为：

$\mathrm{hn}=\frac{\mathrm{\π}}{6\mathrm{\α}}(n-0.5),$ 其中n为1至12的整数。

所述的衍射光学元件由三个圆环区域构成，其中心区域和外圆环区域的光透过率分别为1，位相相差π，而中环区域的光透过率为0。

本发明提出的多功能反向光镊即可以对多个微粒进行三维稳定捕获，同时也可以对微粒进行传输，快速且控制自由度大。同时本发明具有成本低，制作方便等特点。

附图说明

图1为本发明功能反向光镊的光路结构示意图

图1中：1-空间轴对称偏振光产生器；2-衍射光学元件；3-高数值孔径透镜。方框表示2，3元件由压电陶瓷驱动器4控制，可沿光的传播方向进行移动。光的传播方向设定为z轴方向。

图2为空间轴对称偏振光光束传播横截面上偏振方向分布图

图3为轴对称偏振光产生器沿光束传播方向的投影结构分布图

图4为衍射光学元件结构图

图5为三维光捕获结构简图

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明做进一步的说明。

先请参阅图1，图1为本发明功能反向光镊的光路结构示意图，由图可见，本发明多功能反向光镊，结构包括沿光束前进方向依次的空间轴对称偏振光产生器1、衍射光学元件2和高数值孔径透镜3，所述的衍射光学元件2和高数值孔径透镜3作为一个整体由压电陶瓷驱动器4控制驱动。

入射的准直空间均匀线偏振光通过空间轴对称偏振光产生器1，转化为偏转角可调的空间轴对称偏振光，然后通过衍射光学元件2的调制和高数值孔径透镜3的强会聚在焦点附近形成多个中空暗斑，沿光的传播方向呈准周期排列的结构，而微粒就可被捕获在中空暗斑内，光的传播方向设定为z轴正向。

本发明的特点是利用空间轴对称偏振光产生器1形成的空间轴对称偏振光进行光学捕获，空间轴对称偏振光在光束传播横截面上光的偏振方向分布如图2所示，xy平面表示光束传播横截面，z轴正向指向纸内表示光的传播方向。光束横截面上每一个空间点的偏振态是线性偏振的，图2中箭头的起点表示光束横截面上的空间点，箭头的指向表示该空间点的光的偏振方向。空间各点的偏振方向与所在空间点的角位置坐标θ紧密联系，其偏振方向以光束传播方向为轴呈对称性分布，具有相同角位置θ的各空间点的偏振方向相互平行，而不同角位置的空间点的偏振方向由空间点的角位置θ决定。角位置为θ的空间点的偏振方向与x轴正向的夹角为θ+Φ₀，其中Φ₀为偏转角，如图2所示，表示光束横截面上角位置为θ空间点的偏振方向偏离径向方向的角度。空间轴对称偏振光产生器1的原理是利用石英晶体的旋光效应来实现的，旋光效应是当线偏振的光束在石英晶体中沿着晶体光轴传播时，光的偏振方向会发生一定角度的偏转，偏转的角度称为旋光角，旋光角的大小与晶体的厚度成正比。本发明所述的空间轴对称偏振光产生器1的石英晶体，沿光束传播方向的投影结构分布如图3所示，xy平面表示投影面，z轴正向指向纸内代表光的传播方向，石英晶体被分割成12个扇形区域，且其光轴平行于石英晶体的厚度方向，即z轴正向。扇区对应的圆心角为π/6，每个扇区的厚度标定为hn，其值为：

$\mathrm{hn}=\frac{\mathrm{\π}}{6\mathrm{\α}}(n-0.5)$ (n＝1，2，……12)               (1)

其中α为旋光率。n代表着每个扇区的编号，如此入射的空间均匀线偏振光在通过每个扇区时，因为每个扇区厚度不同，旋光角不同，得到了光束横截面上偏振方向具有空间分布的光，光束通过每个扇区后，其偏振方向相对原偏振方向的旋光角为：

${\mathrm{\φ}}_n=\frac{\mathrm{\π}(n-0.5)}{6}$ (n＝1，2……12)                 (2)

这样入射的空间均匀线偏振光就转化为准空间轴对称偏振光，满足应用需要，另外沿光束传播方向旋转石英晶体，空间轴对称偏振光的等价偏转角Φ₀会相应改变。

本发明的特点是利用衍射光学元件调制单束入射的空间轴对称偏振光的位相，能使其在高数值孔径透镜焦点附近形成奇特的强度分布。衍射光学元件结构图如图4所示，其中包括三个圆环区域，分别为外环区201，中环区202，中心区203，其中201和203区的光透过率分别为e^0j＝1，e^πj＝-1，而阴影部分202的光透过率为0。不透光区202的存在，会影响着两个透光区外环区201和中心区203的光束位相差。由于位相差异，两个透光区的光场在高数值孔径透镜焦点附近干涉叠加，形成暗斑沿光的传播方向呈准周期排列分布的三维光捕获结构，如图5所示。区域5表示光的高强度区，6表示暗斑区，而微粒7可被捕获在暗斑区6中，P点表示高数值孔径透镜的焦点位置，暗斑区6对称分布于焦平面两侧，z轴表示光的传播方向为纵向方向，xy平面为光束传播横截面。由于偏振的轴对称特性，光场强度分布在光束传播横截面xy面上是对称的，且可以通过旋转石英晶体调整空间轴对称偏振光的偏转角，平衡中空暗斑在径向方向和纵向方向的光强度，以利于对微粒进行三维稳定捕获。而且对于三个区域的衍射光学元件，改变不透光区202的半径尺寸，外环区201和中心区203区的半径尺寸做相应改变，就可以得到不同数量的中空暗斑区6，以捕获不同数量的微粒，这种二元衍射光学元件很容易利用离子束刻蚀工艺制作。

本发明的特点还在于利用压电陶瓷驱动器控制衍射光学元件和高数值孔径透镜元件沿着光的传播方向在微米尺度移动，高数值孔径透镜焦点的移动会带动三维光捕获结构的移动。由于空间轴对称偏振光衍射传输的光束发散角很小，且在衍射传输过程中能够保持偏振的轴对称特性，移动元件导致的高数值孔径焦点处的光场强度分布形态基本不发生改变。压电陶瓷驱动器作为一种理想的微位移驱动装置，其具有尺寸小、线性好、控制方便、位移分辨率高、频率相应好、能耗低、无噪声等特点。

实施例1

本发明功能反向光镊确定的步骤如下：

1、根据所述的激光光束口径来选取石英晶体的口径以及系统中其它元件的尺寸，保证光束可以有效地通过该系统，口径为40mm。选取高数值孔径透镜，数值孔径NA＝0.98。

2、根据所述的捕获微粒的数目需要，确定衍射光学元件的各圆环的具体半径大小。选取焦点处暗斑的数目3个。参照图4，外环区201和中心区203的内外环半径通过优化模拟计算得到，分别为R_203内＝0mm，R_203外＝18.47mm；R_201内＝25.47mm，R_201外＝40mm。同时减小外环区201和中心区203的面积，也即增加202区的面积，会引起暗斑个数的增加，优化设计中控制图5中捕获结构6的光强度极小值尽可能的小，捕获结构5的暗斑周围光强度极大值大于最大光强度的0.1倍[见张艳丽et al.，高数值孔径三维光链的研究，物理学报，55，2006，p.1253-1258文献中标明的亮点个数为N，而对应本发明的暗班数为N-1，文献中衍射光学元件的边界用对焦点的张角θ表示，对应本发明的半径尺寸为fsinθ，f为高数值孔径透镜的焦距]。

3、根据所述的旋光石英晶体，按照所设定的厚度进行加工。光波长为435.8nm的蓝光，石英晶体12个扇区对应的厚度为hn＝0.7229(n-0.5)mm.(n＝1，2……12)。

4、选取压电陶瓷驱动器，确定压电陶瓷器件的驱动电压，可带动元件进行线性位移移动。驱动电压为100V，产生的微位移为0-20μm.

5、按照图1安排元件布置，调整光路进行准直。首先确定入射的均匀线偏振光的偏振方向，以光的传播方向为轴旋转石英晶体，找到最佳位置。最后在高数值孔径透镜焦点附近就能够得到三维光捕获结构。

实施例2：

实施例2与实施例1的不同之处在于：暗斑数目为5个，选取的衍射光学元件的外环区201和中心区203的内外半径分别为：R_203内＝0mm，R_203外＝15.21mm；R_201内＝26.85mm.R_201外＝40mm。

实施例3：

实施例3与实施例1的不同之处在于：暗斑数目为7个，选取的衍射光学元件的外环区201和中心区203的内外半径分别为：R_203内＝0mm，R_203外＝12.03mm；R_201内＝27.59mm，R_201外＝40mm。

实施例4：

实施例4与实施例1的不同之处在于：暗斑数目为9个，选取的衍射光学元件的外环区201和中心区203的内外半径分别为：R_203内＝0mm，R_203外＝8.67mm；R_201内＝28.16mm，R_201外＝40mm。

本发明用最简单的结构及原理，用来实现对低折射率微粒、中性冷原子和金属微粒等进行稳定捕获及传输，对于在微观尺度内研究微粒的动力特性，尤其是在细胞生物学领域中研究生物细胞和生物大分子等微粒的力学特性，在微操作，微测量中具有重要的使用价值。

Claims (3)

1.一种多功能反向光镊，特征在于其结构包括沿光束前进方向依次的空间轴对称偏振光产生器(1)、衍射光学元件(2)和高数值孔径透镜(3)，所述的衍射光学元件(2)和高数值孔径透镜(3)作为一个整体由压电陶瓷驱动器(4)控制驱动。

2.根据权利要求1所述的多功能反向光镊，其特征在于所述的空间轴对称偏振光产生器(1)是一块圆形石英晶体薄片，空间轴对称偏振光产生器(1)的光轴平行于该石英晶体的厚度方向，即光的传播方向，该石英晶体薄片具有12个不同厚度的扇区(h1、h2、h3、h4、h5、h6、h7、h8、h9、h10、h11、h12)，每个扇区对应的圆心角为π/6，每个扇区的厚度标定为hn，其值为：

$\mathrm{hn}=\frac{\mathrm{\π}}{6\mathrm{\α}}(n-0.5),$ 其中n为1至12的整数。

3.根据权利要求1所述的多功能反向光镊装置，其特征在于所述的衍射光学元件(2)由三个圆环区域(201、202、203)构成，其中心区域(203)和外圆环区域(201)的光透过率分别为1，位相相差π，而中环区域(202)的光透过率为0。

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