CN105469847A - 基于双光束失准法实现光致轨道旋转的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于光学微操纵系统技术领域，特别涉及一种基于双光束失准法实现介观尺度微粒光致轨道旋转的装置及方法。该装置由两套捕获光发生系统、透明样品池、照明系统和测量系统五个部分组成，其中照明系统和测量系统作为辅助系统，对微粒轨道旋转进行测量。两套捕获光发生系统位于透明样品池两侧，分别产生功率相同的高斯光束，从透明样品池两侧输入透明样品池并沿待捕获微粒的切向照射微粒，在样品池下方利用照明系统提供照明，并在样品池上方利用测量系统进行观察并测量微粒的转动轨道及转动幅度，同时测量微粒的轨道旋转速度。本发明具有控制精度高、操控更加简便且实验系统简单等优点。

Description

基于双光束失准法实现光致轨道旋转的装置及方法

技术领域

本发明属于光学微操纵系统技术领域，特别涉及一种基于双光束失准法实现介观尺度微粒光致轨道旋转的装置及方法。

背景技术

介观尺度指的是介乎于微观和宏观之间、能够保持量子相干性的尺度，介观尺度的大小与材料性质和物理环境有关，一般在nm～μm量级。介观尺度微粒的运动是物理学和流体力学中的基本问题之一，控制介观尺度微粒的运动对于生物细胞、生物大分子和纳米马达研究以及微观领域中物质属性的精确测量有着非常重要的意义。

光致旋转是在光镊的基础上发展起来的介观尺度微粒角向操控技术，它利用光的力学效应实现微粒的旋转控制，包括光致自转和光致轨道旋转。而双光束失准法光致旋转是指在双光束光阱中当两束捕获激光相向传输且存在横向失准(称捕获激光的传输方向为纵向；与之垂直的方向称为横向；横向失准是指两束捕获激光的传播方向没有对准，而在横向有一定的距离，这个距离称为横向失准距离，见附图2)时，光力对被捕获微粒存在力矩的作用，使微粒发生旋转。双光束失准法对被操控微粒的材料、形状均无限制，具有广泛的应用前景。

国防科技大学申请的专利《一种基于双光束光阱实现光致旋转的装置及方法》(公开号：104900290A，公开日：2015-09-09)，该发明主要采用基于光场角动量传递的方法实现被捕获粒子的光致自转，即当两束圆偏振光相向传播，照射具有双折射性质的微粒时，透过微粒的散射光的角动量将发生改变，根据动量守恒定律，改变的角动量将传递给微粒，从而使微粒绕自身轴线旋转。与上述专利不同，光致轨道旋转方法是利用光力作用实现对微粒的轨道旋转控制。光致轨道旋转技术可广泛应用于微环境局域温度测量、光学微混合等微生化研究领域，具有广阔的应用前景。

目前研究较多的介观尺度微粒的光致轨道旋转方法主要包括失准光循环控制法(NobuyukiWatanabe,KozoTaguchi.TheoreticalStudyofOpticalVibrationandCirculationofaMicrosphere.KeyEngineeringMaterialsVol516：563-568,2012.)、流体光阱控制法(BlakelyJT,GordonR,SintonD.Flow-dependentoptofluidicparticletrappingandcirculation[J].LabonaChip8(8):1350-1356,2008.)、旋转椭圆光斑法(RaktimDasgupta,SamarendraK.Mohanty&PradeepK.Gupta.Controlledrotationofbiologicalmicroscopicobjectsusingopticallinetweezers.BiotechnologyLetters25:1625–1628,2003.)等，这三种方法实质上是通过改变捕获光束的方向、功率大小、光强分布等形成轨道旋转的力场，从而实现对微粒的光学轨道操控.失准光循环控制法利用捕获激光功率的周期性变化实现被捕获微粒的光致轨道旋转，该方法的缺点是需要连续周期性控制激光光强。流体光阱控制法是利用流体的推动力和光的散射力共同作用于微粒，从而实现介观微粒光致轨道旋转，该方法的缺点是流速对微粒旋转有很大的影响，需要对流速进行精确控制。旋转椭圆光斑法是在捕获光路中放置圆柱形棱镜形成椭圆光斑，转动圆柱形棱镜，椭圆光斑转动，实现被捕获微粒的连续可控轨道旋转，该方法存在以下缺点：(1)光斑尺寸决定了可操纵粒子大小，增大光阱尺寸就需要更高的捕获光束功率；(2)光斑的转动需要靠圆柱形棱镜的转动，而棱镜的连续转动不易控制。

发明内容

本发明采用的技术方案为：一种基于双光束失准法实现光致轨道旋转的装置，该装置由两套捕获光发生系统、样品池、照明系统和观测系统五个部分组成。其中照明系统和观测系统为辅助系统。两套捕获光发生系统位于样品池两侧，分别产生功率相同的高斯光束，从透明样品池两侧相向传播，照射向透明样品池中的待捕获微粒，在样品池下方利用照明系统提供照明，并在样品池上方利用观测系统进行观察并测量微粒的转动轨道、转动幅度和旋转速度。

其中捕获光发生系统由两台激光器和两台三维位移台组成，两台激光器分别固定在两台三维位移台上。

样品池为装载有待捕获微粒的透明容器。所述透明容器具有两个相互平行的面，以保证捕获光发生系统发出的高斯光束进入透明容器后光路不发生偏折,透明容器可以为长方体容器。微粒尺寸与入射激光的波长有关，大约在几微米到十几微米，对微粒的材料、形状均无限制。

照明系统由LED光源和聚焦透镜组成，位于样品池的下方，主要作用是为样品池提供照明。

观测系统由物镜、双色相滤光镜、CCD图像传感器、透镜和四象限探测器组成，利用位于样品池上方的物镜收集捕获光在经微粒散射后形成的散射光束以及从照明系统透过样品池后的照明光束，并利用双色相滤光镜将散射光束和照明光束分开，其中照明光束输入到位于物镜上方的CCD图像传感器中对微粒的捕获和轨道旋转过程进行观察；散射光束经双色相滤光镜后传播方向偏转90度，经过透镜聚焦后用四象限探测器进行探测，测量微粒的转动轨道及转动幅度，同时测量微粒的轨道旋转速度。

本发明还提供一种实现介观尺度微粒光致轨道旋转的方法，该方法的具体步骤如下：

步骤一、装配好前述实现介观尺度微粒光致轨道旋转的装置并调节左右两套捕获光发生系统，使得两套捕获光发生系统分别出射功率相同的高斯光束；

步骤二、调节三维位移台，使捕获光对准，实现对微粒的捕获；

步骤三、通过三维位移台调节两捕获光传播方向的横向失准距离，使微粒从捕获状态转换到自转状态；

步骤四、调节三维位移台，继续增大横向失准距离，使微粒进入轨道旋转状态。

与其它光致轨道旋转技术相比，本发明的优势在于：

1.本发明利用双光束失准技术实现微粒的光致轨道旋转，通过三维位移台改变捕获光束横向失准距离对微粒轨道旋转精确调控，控制精度高。

2.本发明只需使两束捕获光存在横向失准就能实现微粒的光致轨道旋转，与现有的其他方法相比，不存在流速对微粒的影响，也不需要移动光斑位置或周期性改变激光功率，排除了外界因素的干扰，操控更加简便。

附图说明

图1为双光束失准力场图；

图2为基于双光束失准法实现光致轨道旋转的装置结构组成图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不应因此限制本发明的保护范围。

参考图1，本发明所述微粒受双光束失准力场图，图中三角形箭头代表微粒位置，箭头指向代表受力方向，闭合曲线1和闭合曲线2均代表微粒轨道旋转运动轨迹。

本发明的原理如下：在双光束光阱中，微粒受到的光阱力包括梯度力和散射力，在这两类光阱力的作用下微粒将被束缚在平衡位置。这里梯度力的方向永远指向捕获光光束的焦点；散射力的方向与捕获光传播方向相同。当两束捕获光存在横向失准且失准距离较小时，微粒受到的散射力远大于梯度力，微粒在散射力所形成的力矩作用下在光阱中心位置自转；继续增大横向失准距离到一定值时，微粒由于所受梯度力增大而无法被稳定捕获于光阱中心位置，而是在光阱内绕中心位置做轨道旋转运动，此时的横向失准距离称为横向失准阈值。理论上，横向失准阈值与光阱中心处的刚度性质有关。当光阱中心处的光阱刚度为负时光阱力将微粒稳定捕获在光阱中心，当光阱中心处的光阱刚度为正时，光阱力将微粒推离光阱中心并开始做轨道旋转，因此中心处光阱刚度为零时对应的横向失准距离就是横向失准阈值。微粒轨道旋转的轨迹大小和周期与横向失准距离有关，横向失准距离越大，旋转轨道的周长越长，旋转速度越快。当继续增大横向失准距离，以致横向失准距离过大时，微粒运动轨道变得过大而脱离光阱范围，从而从光阱中逃逸。

参考图2，本发明所述基于双光束失准法实现光致轨道旋转的装置，由一号捕获光发生系统100、二号捕获光发生系统200、照明系统300、样品池400和测量系统500组成。两套捕获光发生系统100、200分别输出功率相等的高斯光束，将这两束光作为捕获光输入到样品池400中并对准，用于捕获微粒并使之发生轨道旋转。在样品池下方利用照明系统300提供照明，并在样品池上方利用测量系统500进行观察并测量微粒的旋转轨道和旋转速度等。

所述捕获光发生系统100由激光器101和三维位移台102组成；捕获光发生系统200由激光器201和三维位移台202组成。调节激光器保证出射光功率相同，同时调节三维位移台使捕获光横向失准距离d大于失准阈值，输出光作为捕获激光，将两束捕获光射入样品池400中用于使微粒发生轨道旋转。

所述照明系统300由LED光源301和透镜302组成，其主要作用是为样品池400提供照明。样品池400是装载有待捕获微粒401的透明容器。

所述测量系统500由物镜501、双色相滤光镜502、CCD图像传感器503、透镜504和四象限探测器505组成。微粒的散射光和照明光束经物镜501收集后被双色相滤光镜502滤光，照明光输入到CCD图像传感器503中对微粒的捕获和轨道旋转过程进行观察，散射光经透镜入射到四象限探测器测量位置，并根据位置变化测量微粒的旋转速度、轨道等。

Claims (4)

1.一种基于双光束失准法实现光致轨道旋转的装置，其特征在于：所述装置由两套捕获光发生系统、样品池、照明系统和观测系统五个部分组成，其中照明系统和观测系统为辅助系统；两套捕获光发生系统位于样品池两侧，分别产生功率相同的高斯光束，从透明样品池两侧相向传播，照射向透明样品池中的待捕获微粒，在样品池下方利用照明系统提供照明，并在样品池上方利用观测系统进行观察并测量微粒的转动轨道、转动幅度和旋转速度；

其中捕获光发生系统由两台激光器和两台三维位移台组成，两台激光器分别固定在两台三维位移台上；

样品池为装载有待捕获微粒的透明容器，所述透明容器具有两个相互平行的面，以保证捕获光发生系统发出的高斯光束进入透明容器后光路不发生偏折；

照明系统由LED光源和聚焦透镜组成，位于样品池的下方，主要作用是为样品池提供照明；

观测系统由物镜、双色相滤光镜、CCD图像传感器、透镜和四象限探测器组成，利用位于样品池上方的物镜收集捕获光在经微粒散射后形成的散射光束以及从照明系统透过样品池后的照明光束，并利用双色相滤光镜将散射光束和照明光束分开，其中照明光束输入到位于物镜上方的CCD图像传感器中对微粒的捕获和轨道旋转过程进行观察；散射光束经双色相滤光镜后传播方向偏转90度，经过透镜聚焦后用四象限探测器进行探测，测量微粒的转动轨道及转动幅度，同时测量微粒的轨道旋转速度。

2.根据权利要求1所述基于双光束失准法实现光致轨道旋转的装置，其特征在于：所述透明容器为长方体容器。

3.根据权利要求1所述基于双光束失准法实现光致轨道旋转的装置，其特征在于：所述待捕获微粒尺寸与入射激光的波长有关，大约在几微米到十几微米，对微粒的材料、形状均无限制。

4.一种实现介观尺度微粒光致轨道旋转的方法，其特征在于，该方法的具体步骤如下：

步骤一、装配好如权利要求1所述实现介观尺度微粒光致轨道旋转的装置并调节左右两套捕获光发生系统，使得两套捕获光发生系统分别出射功率相同的高斯光束；

步骤二、调节三维位移台，使捕获光对准，实现对微粒的捕获；

步骤三、通过三维位移台调节两捕获光传播方向的横向失准距离，使微粒从捕获状态转换到自转状态；

步骤四、调节三维位移台，继续增大横向失准距离，使微粒进入轨道旋转状态。