CN103293679A - 用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统 - Google Patents

用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统 Download PDF

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本发明提供的用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统包括激光光源单元、激光合束选通单元及激光调制单元。激光合束选通单元包括第一反射镜、二色镜、第二反射镜及声光可调谐滤波器。激光调制单元包括液晶空间光调制器、第一中继透镜、中空光阑、第二中继透镜及液晶相位可变延迟器。本发明提供的用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统能够同时对激光的波长、功率、振幅、相位及偏振态进行调制，实现了对激光光束的细微而复杂的整形，在为微观物质的操纵提供所需的光源的同时，还可以兼顾显微照明和荧光激发，便于实现对生物样本或微粒的操作与成分分析。

Description

用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统
技术领域
本发明涉及激光光束设计领域，尤其是涉及一种用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统。
背景技术
对微观物质运动形式和规律的研究一直是物理学及生物学领域的热点。在微观尺度上，操纵包括生物细胞、自由电子、原子及分子在内的微观物质，一直是人类的一个梦想。目前，在凝聚态物理领域大多依靠扫描隧道显微镜实现移动和控制原子，但无法脱离样品表面完成对原子分子的俘获。将激光冷却与光学势阱相结合，可以突破扫描隧道显微镜的局限性，组合成新的分子或凝聚态物质，成为最有前景的微观物质操纵技术。在生物医学领域中，这一技术对细胞器到多细胞组织范围的具体分析和操控，更具有现实研究意义。我们甚至可以利用光学势阱俘获DNA等大生物分子，从而改善动物或人类的基因，加速推进分子生物学领域的发展。
光学势阱技术，也叫光镊技术。当光照射到物体表面时，光子将被吸收或反射，动量发生变化，形成光对物体表面的冲量，表现为光的辐射压。高斯光束聚焦后，在光的传播方向以及垂直于传播方向的截面内，光强都呈现梯度分布，当微观粒子处于焦点附近时，光强的梯度分布对粒子形成推力，将粒子推向光强最大处，即束腰位置。在焦点附近粒子受到的推力可与重力等其它外力形成稳定的力平衡，实现粒子位置的固定。
在物理学与生物学、医学领域，利用激光形成光学势阱是对微观粒子操纵的主要手段。对生物细胞、自由电子、原子及分子进行光学捕获、移动、旋转等操纵具有重要的理论和现实意义。对激光光束的参数调制，控制激光光束的空间分布，是形成光学势阱、实现微观粒子操纵的关键。激光的振幅、相位和偏振态均能影响光束的空间分布，目前国内外研究者多对其中单个参数进行调制，形成的光束形状较简单，限制了其在基础研究领域的应用。对振幅、相位和偏振态的联合调制可对光束的空间分布精确控制，形成复杂的光束形状，但国内外尚无可同时调制三者的激光光束整形系统。
发明内容
本发明的目的是：提供一种用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统，该用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统能够同时对激光的波长、功率、振幅、相位及偏振态进行精确调制。
本发明的技术方案是：一种用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统，包括激光光源单元、激光合束选通单元及激光调制单元；
所述激光光源单元包括第一激光光源和第二激光光源；
所述激光合束选通单元包括第一反射镜、二色镜、第二反射镜及声光可调谐滤波器，其中，所述声光可调谐滤波器用于根据波长和功率选择性透射激光光束；
所述激光调制单元包括液晶空间光调制器、第一中继透镜、中空光阑、第二中继透镜及液晶相位可变延迟器；
所述第一激光光源出射的第一光束经所述第一反射镜反射后透射所述二色镜，所述第二激光光源出射的第二光束经所述二色镜反射，分别经所述二色镜后的所述第一光束和第二光束合束形成合束光束；
所述合束光束经所述第二反射镜反射后进入所述声光可调谐滤波器，所述声光可调谐滤波器从所述第一光束和第二光束中选择透射光束并调节透射激光的功率；
经所述声光可调谐滤波器调制后的光束进入所述液晶空间光调制器，所述液晶空间光调制器调制入射光束的振幅和相位；
经所述液晶空间光调制器调制后的光束被所述第一中继透镜聚焦于所述中空光阑处、再经所述第二中继透镜傅里叶变换后入射进入所述液晶相位可变延迟器，所述液晶相位可变延迟器调制光束的偏振态；
其中，所述中空光阑用于滤除所述液晶空间光调制器在调制光束的振幅和相位时形成的多级衍射杂光，且只允许+1级衍射光透过。
下面对上述技术方案进一步解释：
所述用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统还包括控制单元，所述控制单元电性连接于所述声光可调谐滤波器，所述控制单元可对所述声光可调谐滤波器施加不同频率和大小的电压，实现对所述第一光束和第二光束中光束的选择性透射和激光功率的调节。
所述用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统还包括控制单元，所述控制单元电性连接于所述液晶空间光调制器，所述控制单元根据系统出射激光空间光分布计算对应的激光振幅和相位，并根据计算的振幅和相位，控制所述液晶空间光调制器生成光栅条纹以形成所需的振幅和相位。
所述用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统还包括控制单元，所述控制单元电性连接于所述液晶相位可变延迟器，所述控制单元根据系统出射激光空间光分布计算对应的偏振态，并根据计算的偏振态，对所述液晶相位可变延迟器施加控制电压，使所述液晶相位可变延迟器产生相位延迟以生成所需的偏振态。
本发明的优点是：
1.本发明提供的用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统采用声光可调谐滤波器可根据波长和功率选择性透射激光光束，可实现对激光波长的高速选通和功率的快速调节；同时，采用液晶空间光调制器对激光光束的振幅和相位进行调制，以生成所需的振幅和相位分布；此外，采用液晶相位可变延迟器对激光光束的偏振态进行调制，以生成所需的偏振态。本发明提供的用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统能够同时对激光的波长、功率、振幅、相位及偏振态进行调制，实现了对激光光束的细微而复杂的整形，在为微观物质的操纵提供所需的光源的同时，还可以兼顾显微照明和荧光激发，便于实现对生物样本或微粒的操作与成分分析。
2.本发明提供的用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统还包括控制单元，该控制单元可根据待操纵微观物质的光吸收特性对声光可调谐滤波器施加不同频率和大小的电压，实现对第一光束和第二光束中光束的选择性透射和激光功率的调节，无需机械移动即可实现激光波长的切换和功率设置，方便快捷，精确度高；同时，该控制单元可根据激光束的空间分布计算对应的激光振幅、相位及偏振态，并根据计算的振幅、相位及偏振态，控制液晶空间光调制器及液晶相位可变延迟器以生成所需的激光振幅、相位和偏振态，实现了对光束空间分布的精确调制，可形成复杂的光束形状，扩大了激光光束在基础研究领域的应用范围。
附图说明
图1为本发明实施例提供的用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统结构示意图。
其中：激光光源单元110、激光合束选通单元120、激光调制单元130、第一激光光源111、第二激光光源112、第一反射镜121、二色镜122、第二反射镜123、声光可调谐滤波器124、液晶空间光调制器131、第一中继透镜132、中空光阑133、第二中继透镜134、液晶相位可变延迟器135、控制单元140。
具体实施方式
请参考图1，图1为本发明实施例提供的用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统结构示意图100。
用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统100包括激光光源单元110、激光合束选通单元120、激光调制单元130。
激光光源单元110包括第一激光光源111和第二激光光源112。可以理解，在实际应用中，激光光源单元110并不限于第一激光光源111和第二激光光源112，还可以包括更多的光源。
激光合束选通单元120包括第一反射镜121、二色镜122、第二反射镜123及声光可调谐滤波器124。
其中，声光可调谐滤波器124用于根据波长和功率选择性透射激光光束。声光可调谐滤波器124包括声光晶体及超声换能器，声光晶体紧贴在超声换能器上。对超声换能器施加不同频率和不同大小的电压时可以在声光晶体中产生不同频率和振幅的超声波，在超声波的作用下，声光晶体对入射激光产生布拉格衍射，在声光晶体的衍射下可以快速选择所需要波长的激光，并可以同时调制激光的出射功率。
激光调制单元130包括液晶空间光调制器131、第一中继透镜132、中空光阑133、第二中继透镜134及液晶相位可变延迟器135。
其中，在液晶空间光调制器131上生成光栅条纹，对入射激光进行调制形成合适的激光振幅分布和相位分布；入射液晶相位可变延迟器135的激光光束分解成沿快轴和慢轴的两个分量，当对液晶相位可变延迟器135施以不同的电压，可以使液晶相位可变延迟器135对快轴和慢轴上的两个光矢量产生不同的相位延迟，从而生成合适的偏振态。
本发明上述实施例提供的用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统100的工作过程为：
第一激光光源111出射的第一光束经第一反射镜121反射后透射二色镜122，第二激光光源112出射的第二光束经二色镜122反射，分别经二色镜122后的第一光束和第二光束合束形成合束光束；
合束光束经第二反射镜123反射后进入声光可调谐滤波器124，声光可调谐滤波器124从第一光束和第二光束中选择透射光束并调节透射激光的功率；
经声光可调谐滤波器124调制后的光束进入液晶空间光调制器131，液晶空间光调制器131调制入射光束的振幅和相位；
经液晶空间光调制器131调制后的光束经第一中继透镜132后聚焦于中空光阑133处、再经第二中继透镜134傅里叶变换后进入液晶相位可变延迟器135，液晶相位可变延迟器135调制入射光束的偏振态；
其中，中空光阑133用于滤除液晶空间光调制器131在调制光束的振幅和相位时形成的多级衍射杂光，且只允许+1级衍射光透过。
本发明提供的用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统100采用声光可调谐滤波器124可根据波长和功率选择性透射激光光束，可实现对激光波长的高速选通和功率的快速调节；同时，采用液晶空间光调制器131对激光光束的振幅和相位进行调制，以生成所需的振幅和相位分布；此外，采用液晶相位可变延迟器135对激光光束的偏振态进行调制，以生成所需的偏振态。本发明提供的用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统能够同时对激光的波长、功率、振幅、相位及偏振态进行调制，实现了对激光光束的细微而复杂的整形，在为微观物质的操纵提供所需的光源的同时，还可以兼顾显微照明和荧光激发，便于实现对生物样本或微粒的操作与成分分析。
在本发明一较佳实施例中，用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统100还包括控制单元140。控制单元140电性连接于声光可调谐滤波器124。控制单元140根据待操纵微观物质的光吸收特性对声光可调谐滤波器124施加不同频率和大小的电压，实现对第一光束和第二光束中光束的选择性透射和激光功率的调节。可以理解，在控制单元140控制下，声光可调谐滤波器124可以选择透射一种激光，也可以同时选择两种激光。
在本发明一较佳实施例中，用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统100还包括控制单元140。控制单元140电性连接于液晶空间光调制器131。控制单元140根据系统出射激光束的空间分布计算对应的激光振幅和相位，并根据计算的振幅和相位，控制液晶空间光调制器131生成光栅条纹以形成所需的振幅和相位。
在本发明一较佳实施例中，用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统100还包括控制单元140。控制单元140电性连接于液晶相位可变延迟器135。控制单元140根据系统出射激光束的空间分布计算对应的偏振态，并根据计算的偏振态，对液晶相位可变延迟器135施加控制电压，使液晶相位可变延迟器135产生相位延迟以生成所需的偏振态。
本发明提供的用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统100，在控制单元140作用下，可根据待操纵微观物质的光吸收特性对声光可调谐滤波器124施加不同频率和大小的电压，实现对第一光束和第二光束中光束的选择性透射和激光功率的调节，无需机械移动即可实现激光波长的切换和功率设置，方便快捷，精确度高；同时，控制单元140可根据系统出射激光束的空间分布计算对应的激光振幅、相位及偏振态，并根据计算的振幅、相位及偏振态，控制液晶空间光调制器131及液晶相位可变延迟器135以生成所需的激光振幅、相位和偏振态，实现了对光束空间分布的精确调制，可形成复杂的光束形状，扩大了激光光束在基础研究领域的应用范围。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述揭示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

Claims (4)

1.一种用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统，其特征在于，包括激光光源单元、激光合束选通单元及激光调制单元；
所述激光光源单元包括第一激光光源和第二激光光源；
所述激光合束选通单元包括第一反射镜、二色镜、第二反射镜及声光可调谐滤波器，其中，所述声光可调谐滤波器用于根据波长和功率选择性透射激光光束；
所述激光调制单元包括液晶空间光调制器、第一中继透镜、中空光阑、第二中继透镜及液晶相位可变延迟器；
所述第一激光光源出射的第一光束经所述第一反射镜反射后透射所述二色镜，所述第二激光光源出射的第二光束经所述二色镜反射，分别经所述二色镜后的所述第一光束和第二光束合束形成合束光束；
所述合束光束经所述第二反射镜反射后进入所述声光可调谐滤波器，所述声光可调谐滤波器从所述第一光束和第二光束中选择透射光束并调节透射激光的功率；
经所述声光可调谐滤波器调制后的光束进入所述液晶空间光调制器，所述液晶空间光调制器调制入射光束的振幅和相位；
经所述液晶空间光调制器调制后的光束经所述第一中继透镜后聚焦于所述中空光阑处、再经所述第二中继透镜傅里叶变换后进入所述液晶相位可变延迟器，所述液晶相位可变延迟器调制光束的偏振态；
其中，所述中空光阑用于滤除所述液晶空间光调制器在调制光束的振幅和相位时形成的多级衍射杂光，且只允许+1级衍射光透过。
2.根据权利要求1所述的用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统，其特征在于，还包括控制单元，所述控制单元电性连接于所述声光可调谐滤波器，所述控制单元可对所述声光可调谐滤波器施加不同频率和大小的电压，实现对所述第一光束和第二光束中光束的选择性透射和激光功率的调节。
3.根据权利要求1所述的用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统，其特征在于，还包括控制单元，所述控制单元电性连接于所述液晶空间光调制器，所述控制单元可根据系统出射激光束的空间分布计算对应的激光振幅和相位，并根据计算的振幅和相位，控制所述液晶空间光调制器生成光栅条纹以形成所需的振幅和相位。
4.根据权利要求1所述的用于形成光学势阱的激光光束整形操控系统，其特征在于，还包括控制单元，所述控制单元电性连接于所述液晶相位可变延迟器，所述控制单元可根据系统出射激光束的空间分布计算对应的偏振态，并根据计算的偏振态，对所述液晶相位可变延迟器施加控制电压，使所述液晶相位可变延迟器产生相位延迟以生成所需的偏振态。
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