CN108319028B - 一种基于空心光尺寸调节的光镊操纵方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于空心光尺寸调节的光镊操纵方法和装置，包括：将一束调制激光束和另一束被调制激光束入射至非线性介质中并获取空心光；将空心光扩束准直后通过一第三偏振分光立方体使其分成两束子空心光；两束子空心光为第一子空心光和第二子空心光；将第一子空心光入射到第一成像装置中；第二子空心光经过第四聚焦透镜汇聚到样品池中，样品池中喷入有样品微粒，且样品微粒被第二子空心光捕获在其光阱位置；通过调节调制激光束的光强来调节样品微粒的运动。本发明通过调制激光束改变被调制激光束的相位，使被调制激光束远场光强分布表现为中间强度为零周围为一圈高强度激光，再利用该尺寸可调的空心光束对空气中的吸光性微粒进行三维操作。

Description

一种基于空心光尺寸调节的光镊操纵方法和装置

技术领域

本发明属于非线性光学应用领域，具体涉及一种基于空心光尺寸调节的光镊操纵方法和装置。

背景技术

光镊是指利用激光来操纵微米及亚微米级别微粒的一种微观操作技术。通常其操作是在液体中进行，对于空气中微粒的操作效果甚微。之后根据光泳力基本原理，利用两束或者多数光在空气中成功实现了微粒的三维操作。在光学领域中，空心光束是指横向振幅分布满足高阶贝塞尔函数的光束，其横向光强分布表现为一个中心为暗的一系列同心圆环。根据光泳力基本原理空心光将吸光性微粒捕获在其暗的区域。利用空心光束捕获空气中的吸光性微粒是目前已知最稳定的装置。正是因为空心光束的这种独特的光强分布使其在粒子操控、非线性光学等领域有着非常重要的应用价值。目前，能够实现空气中微粒的操纵方法主要是两束反向传播或多束光束通过改变光束的相对强度或者相对空间位置来实现对微粒的操控。然而这些方法均有各自的缺陷，主要可分为三类：其一是通过改变光束空间相对位置不能做到精确控制，只能使微粒在该方向上运动而不能精确控制其停止位置；其二对于某些光损伤阈值低的微粒，通过改变光束强度进行操作会损伤其物理机，不利于其微粒表面性质的实时原位研究；其三光源产生装置结构复杂，价格昂贵。

发明内容

针对现有技术中的不足，本发明的目的在于，提供一种基于空心光尺寸调节的光镊操纵方法和装置，通过一束较强激光束改变被调制激光束的相位，使被调制激光束远场光强分布表现为中间强度为零周围为一圈高强度激光的目的，进而利用该尺寸可调的空心光束对空气中的吸光性微粒进行三维操作。

为了实现上述目的，本发明的采用如下技术方案予以实现：

一种基于空心光尺寸调节的光镊操纵方法，包括以下步骤：

步骤1，获取一束调制激光束并将其聚焦于非线性介质中；

步骤2，获取另一束被调制激光束并将其入射于步骤1中所述的非线性介质中，再通过第一偏振分光立方体后入射到光镊系统；

步骤3，调节调制激光束的光强和非线性介质的位置使得入射到光镊系统的光束横截面为中心暗的空心圆环图样，即入射到光镊系统中的光束为空心光；

其中，还包括以下步骤：

步骤4，将空心光扩束准直后通过一第三偏振分光立方体使其分成两束子空心光；

所述两束子空心光为第一子空心光和第二子空心光，所述第一子空心光为空心光通过第三偏振分光立方体后反射的一束子空心光，所述第二字空心光为空心光穿过第三偏振分光立方体的一束子空心光；

步骤5，将第一子空心光入射到第一成像装置中；第二子空心光经过第四聚焦透镜汇聚到样品池中，所述样品池中喷入有样品微粒，且所述样品微粒被第二子空心光捕获在其光阱位置；

步骤6，通过调节调制激光束的光强来调节第一子空心光和第二子空心光的尺寸，即调节样品微粒在第二子空心光的光轴上进行运动，并通过第二成像装置记录样品微粒的运动情况。

进一步地，所述步骤2中获取另一束被调制激光束并将其入射于步骤1中所述的非线性介质中，再通过第一偏振分光立方体后入射到光镊系统，包括：

将被调制激光束入射于步骤1中所述的非线性介质中，使其与步骤1所述的调制激光束反向共线传播，被调制激光束从非线性介质出射后通过第一偏振分光立方体进入光镊系统。

进一步地，所述步骤3中调节非线性介质的位置使其置于调制激光束汇聚焦点位置。

进一步地，所述非线性介质是指能够产生kerr效应和热效应的非线性介质。

进一步地，所述调制激光束和被调制激光束均具有高斯型光强分布。

本发明还提供了一种基于空心光尺寸调节的光镊操纵装置，包括聚焦透镜、第一半波片、第二半波片、第一偏振分光立方体、第二偏振分光立方体、非线性介质和光镊系统，所述聚焦透镜、第一半波片、第一偏振分光立方体、非线性介质和第二偏振分光立方体依次设置在同一光路传播的水平面上，所述第二半波片位于第二偏振分光立方体的正上方，所述光镊系统位于第一偏振分光立方体的下方。

进一步地，所述光镊系统包括高反射镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、第三半波片、第四聚焦透镜、样品池、第三偏振分光立方体、第一成像装置、第二成像装置，所述高反射镜位于第一偏振分光立方体的正下方，所述高反射镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、第三半波片、第四聚焦透镜和样品池依次设置在同一光路传播的水平面上，所述第一成像装置位于第三偏振分光立方体的正下方，第二成像装置位于样品池的正下方。

进一步地，所述第一成像装置和第二成像装置为CCD或CMOS器件。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

(1)本发明将一束激光聚焦于非线性吸收介质中，由于热效应，介质的折射率发生了非线性调制，这使得通过其中的另外一束激光束发生了非线性相移，使其在远场的横向强度分布发生了改变，得到中心为暗四周为一亮环的空心光束，并且该空心光束暗区域的尺寸可由入射泵浦光束精确调控，进而利用该尺寸可调的空心光束实现光泳力光镊系统中对空气中吸光性微粒的三维操纵；

(2)本发明通过改变泵浦光束的功率实现空心光束尺寸的精确控制，进而精确控制微粒的捕获位置；可以根据捕获对象的光损伤阈值来设置捕获空心光束的功率，实现相同功率下对微粒的自由操控，避免由于功率过高对微粒造成光损伤；同时，实现该方法装置的结构简单、便于操作。

附图说明

图1为本发明的光路示意图；

图2(a)为一个实施例下所获取不同调制激光束强度下空心光的光斑图样；图2(b)为空心光的暗区尺寸随调制激光束功率变化的拟合直线；

图3(a)一个实施例下为聚焦透镜焦距为30mm时所捕获的微粒；图3(b)为成像装置CCD采集到的捕获微粒图像；图3(c)为处于焦点前、中、后区域捕获微粒的位置随时间的变化情况；

图中标号代表：1-调制激光束；2-被调制激光束；3-第一聚焦透镜；4-第一半波片；5-第一偏振分光立方体；6-非线性介质；7-第二半波片；8-第二偏振分光立方体；9-高反射镜；10-第二聚焦透镜；11-第三聚焦透镜；12-第三半波片；13-第三偏振分光立方体；14-第四聚焦透镜；15-第一成像装置；16-样品池；17-样品微粒；18-第二成像装置；19-显微物镜；20-空心光束。

以下结合附图对本发明的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

以下给出本发明的具体实施例，需要说明的是本发明并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本发明的保护范围。

本发明中提及的“上”、“下”等方位词为图1所示的上、下。

实施例1：

遵从上述技术方案，本发明公开了一种基于空心光尺寸调节的光镊操纵方法，包括以下步骤：

步骤1，获取一束调制激光束1并将其聚焦于非线性介质6中；

步骤2，获取另一束被调制激光束2并将其入射于步骤1中的非线性介质6中，再通过第一偏振分光立方体5后入射到光镊系统；

具体地，将被调制激光束2入射于步骤1中所述的非线性介质6中，使其与步骤1所述的调制激光束1反向共线传播，被调制激光束2从非线性介质6出射后通过第一偏振分光立方体5进入光镊系统。

步骤3，调节调制激光束1的光强和非线性介质6的位置使得入射到光镊系统的光束横截面为中心暗的空心圆环图样，即入射到光镊系统中的光束为空心光；

具体地，调节非线性介质6的位置使其置于调制激光束1汇聚焦点位置。

本实施例中，将调制激光束1作为泵浦光入射到非线性介质，被调制激光束2作为探测光反向并且与泵浦光共线入射到非线性介质6，将非线性介质6置于调制光束1汇聚焦点位置，调整调制光束1的光强即可在第一偏振分光立方晶体5的反射端面的远场获得中心暗区尺寸不同的空心光束。

本实施例中的非线性介质6是指能够产生kerr效应和热效应的非线性介质，包括非线性折射率在10^-16cm²/W数量级以上的有机物、铅玻璃、原子蒸汽等，但不限于上述介质。

本实施例中的调制激光束1和被调制激光束2均具有高斯型光强分布的激光束，其波长相等或相差在10×10^-4nm以内。

步骤4，将空心光扩束准直后通过一第三偏振分光立方体13使其分成两束子空心光；

两束子空心光为第一子空心光和第二子空心光，第一子空心光为空心光通过第三偏振分光立方体13后反射的一束子空心光，第二字空心光为空心光穿过第三偏振分光立方体13的一束子空心光；

步骤5，将第一子空心光入射到第一成像装置15中；第二子空心光经过第四聚焦透镜14汇聚到样品池16中，样品池16中喷入有样品微粒17，且样品微粒17被第二子空心光捕获在其光阱位置；

由于空心光束可以捕获位于焦点前中后的不规则微粒，并且通过增大空心光束的尺寸可使微粒靠近焦点，减小空心光束可使微粒远离焦点，所用的样品微粒为2-10μm的吸光性不规则石墨微粒。

步骤6，通过调节调制激光束1的光强来调节第一子空心光和第二子空心光的尺寸，即调节样品微粒17在第二子空心光的光轴上进行运动，并通过第二成像装置18记录样品微粒17的运动情况。

本实施例改变调制激光束1的光强(功率)可改变空心光束中心暗区的尺寸，即改变了子空心光束中心暗区的尺寸，由于样品微粒17被捕获在子空心光的中心暗区处，故可通过改变激光束1的光强来移动样品微粒的位置。

实施例2：

如图1所示，本实施例提供了一种基于空心光尺寸调节的光镊操纵装置，包括聚焦透镜3、第一半波片4、第二半波片7、第一偏振分光立方体5、第二偏振分光立方体8、非线性介质6和光镊系统，聚焦透镜3、第一半波片4、第一偏振分光立方体5、非线性介质6和第二偏振分光立方体8依次设置在同一光路传播的水平面上，第二半波片2位于第二偏振分光立方体8的正上方，光镊系统位于第一偏振分光立方体5的下方。

本实施例中的光镊系统包括高反射镜9、第二聚焦透镜10、第三聚焦透镜11、第三半波片12、第四聚焦透镜14、样品池16、第三偏振分光立方体13、第一成像装置15、第二成像装置18，高反射镜9位于第一偏振分光立方体5的正下方，高反射镜9、第二聚焦透镜10、第三聚焦透镜11、第三半波片12、第四聚焦透镜14和样品池16依次设置在同一光路传播的水平面上，第一成像装置15位于第三偏振分光立方体13的正下方，第二成像装置18位于样品池16的正下方。

本实施例中第一成像装置15和第二成像装置18为CCD或CMOS器件。

具体地，第二聚焦透镜和第三聚焦透镜的焦距分别为：100mm，200mm。其中第二聚焦透镜和第三聚焦透镜其选择的焦距不同，组成的望远镜系统对光束的放大倍数不同。

具体地，第四聚焦透镜为焦距为30mm的弱汇聚聚焦透镜，汇聚透镜焦距不同对微粒的捕获能力不同。

本实施例采用连续可调谐的环形钛宝石激光器(Matisse TR)出射光作为调制激光束；凸透镜4个，焦距分别为500mm，100mm，200mm，30mm；半波片3个；偏振分光立方体3个；高反射镜1个，非线性介质为乙醇溶液；用于成像的CCD两个；尺寸为2微米的石墨微粒。

如图1所示，使用本发明的方法利用尺寸可调空心光束操纵微粒的具体步骤如下：

步骤1，将可调谐环形钛宝石(Matisse TR)激光器发出光束通过一个分光镜分为调制光束1和被调制光束2。调制激光束1利用凸透镜3进行聚焦，得到腰斑大小为172μm的高斯光束，并将腰斑位置设为坐标原点；经过透镜变换的高斯光束经过第一半波片4和第一偏振分光立方体5后聚焦于非线性介质6中；

步骤2，将被调制激光束2通过第二半波片7后由第二偏振分光立方体8反射进入非线性介质6，并使其与调制激光束1反向共线；出射后的被调制光束经过第一偏振分光立方体5反射，使其进入高反射镜9；

步骤3，旋转第一半波片2调节调制激光束8进入非线性介质的功率直至位于远场的高反射镜9上出现中心为暗周围为一亮还的图样，此时功率为20mW。在该条件下，出射的被调制光束即为空心光束20；

步骤4，改变第一半波片4的角度，即可改变空心光束8的暗区域的尺寸；

步骤5，将出射的空心光束20通过第二聚焦透镜10和第三聚焦透镜11，对空心光束8进行放大准直；

步骤6，将放大准直后的空心光束20通过第三偏振分光立方晶13分为两束，反射的空心光进入成像装置15，用来实时观测空心光尺寸的变化；

步骤7，通过第三偏振分光立方晶体13的空心光经过第四聚焦透镜14，汇聚到样品池16中，用滴管将样品17喷入样品池16中，用于捕获；

步骤8，将第二成像系统18置于样品池16的侧方，并且将一显微物镜19置于第二成像装置18前，通过调整显微物镜19的焦距，使捕获的微粒17清晰成像与第二成像装置18上；

步骤9，通过调节第一半波片4的角度，即改变空心光束20的尺寸，操纵捕获微粒17的捕获位置，进而在第二成像装置18里观察微粒的运动情况。

如图2所示，本发明的方法能够获得尺寸可变的空心光束。图2(a)表示所得空心光束的光斑图样，图2(b)表示实验所得空心光束的暗区尺寸随调制激光束功率变化的拟合。可见所得空心光尺寸与调制光功率成正比。图3(a)表示在聚焦透镜焦距为30mm时所捕获的微粒，可观测到微粒集中捕获在光束的焦点区域；图3(b)为成像装置CCD采集到的捕获微粒图像；图3(c)为处于焦点前、中、后区域捕获微粒的位置随时间的变化，其中位于焦点后的微粒捕获最为稳定，捕获时间长达3小时以上，并且通过改变空心光束的尺寸，微粒的捕获位置随之发生变化，证明本发明通过改变空心光束尺寸可以操纵空气的微粒。

工作过程：

如图1所示，将调制激光束1通过透镜3聚焦于非线性介质6中，在进入非线性介质6前使其通过第一偏振分光立方体5，保证调制激光束1为水平偏振；

将被调制激光束2与调制激光束1反方向入射同一非线性介质6，使得其通过第二偏振分光立方体8反射，保证被调制激光束2为垂直偏振，经由非线性介质6出射后通过第一偏振分光立方体5反射；

通过调节第一半波片4的角度来改变调制激光束1进入非线性介质6的光强，改变非线性介质6的位置直至其位于第一聚焦透镜3的焦点位置；直至位于第一偏振分光立方晶体5反射端面的远场位置出现空心光束；

改变第一半波片4的角度可得中心暗区域尺寸不同的空心光束；

将中心暗区域尺寸可调的空心光8通过高反射镜9反射到第二聚焦透镜10中，经第二聚焦透镜10聚焦后通过第三聚焦透镜11，调整第二聚焦透镜10和第三聚焦透镜11使其共焦，使入射的空心光束经过望远镜系统扩束准直后进入第三偏振分光立方晶体13；

通过改变第三半波片12的角度，使入射到第三偏振分光立方晶体13中的空心光分成两束，反射的空心光进入第一成像装置15；

通过第三偏振分光立方晶体13的空心光束传播经过第四聚焦透镜14汇聚到样品池16中，

往样品池16中喷入石墨微粒17，在焦点区域可以捕获到样品微粒17；

第二成像装置18前加一显微物镜19，可观察样品池16中样品微粒17的捕获状态。

工作原理：

根据交叉相位调制和非线性介质的热效应的理论，调制光束汇聚到非线性介质中会产生热效应，导致非线性介质的折射率发生变化，其中乙醇溶液的折射率可用n＝n₀+n₂I₁表示，n₀为线性的折射率，I₁表示调制光束的光强，n₂表示由热效应产生的非线性折射率，其中

表示非线性折射率随温度的变化而变化，α是吸收系数，ω_p是调制光束的束腰半径，κ为热传导系数。被调制光束通过非线性介质中调制光束汇聚的区域时，在非线性介质的出射端面产生附加相移

表示为：

其中I₁(ρ,z)为调制激光束的光强，I₁₀为入射调制光束中心光强，k₀为波矢，ω₁₀是调制光束的束腰半径，ω_1p(z)是光轴不同位置处的光束半径，ρ为光斑径向坐标，L为非线性介质6的长度。设调制光束1经过第一凸透镜聚焦后的腰斑位置设为坐标原点；设被调制光束2在非线性介质6内的传播方向为z轴；设被调制光束入射非线性介质时的端面为入射端面，出射非线性介质时的端面为出射端面，则z₀为入射端面的位置。考虑了非线性相移之后，可根据菲涅尔-基尔霍夫衍射公式得到被调制光束9的远场衍射光强分布：

式中，D表示被调制光束从非线性介质的出射端面到达检测装置的距离，λ为被调制激光束的波长，R(l)为被调制激光束在介质入射端面的波前曲率半径，θ和

分别表示远场衍射角和出射端面的角坐标，i为虚数单位。

将式(1)中的

代入式(2)，即可得到由非线性介质6作用后的被调制激光束在远场的光强分布。

由于被调制激光束的非线性相移Δφ(r)与调制激光束光强I₂(r,z)有关，因此，本发明的方法通过调节调制激光束的光强确定得到空心光束的条件，然后在该条件下通过调整非线性介质6的位置得到中心暗区域尺寸可控的空心光束。

根据光泳力光镊的基本原理，当一束光照射在吸光性微粒表面，会引起微粒表面被照射区域温度升高，温度升高导致其表面附着的气体分子热运动加剧，气体分子将会以更大的速度弹离微粒表面，此时，被照射面气体分子热运动大于未被照射面的，综合作用下使微粒产生一个由照射面指向未被照射面的净作用力。根据空气动力学原理，分子作用于微粒表面的压力P可以表示为：

其中，ρ_a为空气的密度,B普适空气常数，T为微粒表面温度，M为空气分子的摩尔质量。为对于空心光束来说，其作用在微粒表面上的里可以表示为：

a表示微粒的半径，ω0为空心光的空心区域半径。对于不规则的微粒有：

C表示空气分子的平均速度，γ＝c_p/c_v表示比热比，Pl为入射空心光束的功率，α为微粒表面的热适应系数，Δα＝α1-α2，α＝1/2(α1+α2)。所以，通过重力，F_ΔT力和F_Δα力可将微粒捕获在焦点区域，并且通过调节F_ΔT力中空心光束的尺寸来改变F_ΔT力的大小，进而对微粒进行操控。

Claims (2)

1.一种基于空心光尺寸调节的光镊操纵方法，包括以下步骤：

步骤1，获取一束调制激光束(1)并将其聚焦于非线性介质(6)中；

步骤2，获取另一束被调制激光束(2)并将其入射于步骤1中所述的非线性介质(6)中，再通过第一偏振分光立方体(5)后入射到光镊系统；

步骤3，调节调制激光束(1)的光强和非线性介质(6)的位置使得入射到光镊系统的光束横截面为中心暗的空心圆环图样，即入射到光镊系统中的光束为空心光；

其特征在于，还包括以下步骤：

步骤4，将空心光扩束准直后通过一第三偏振分光立方体(13)使其分成两束子空心光；

所述两束子空心光为第一子空心光和第二子空心光，所述第一子空心光为空心光通过第三偏振分光立方体(13)后反射的一束子空心光，所述第二子空心光为空心光穿过第三偏振分光立方体(13)的一束子空心光；

步骤5，将第一子空心光入射到第一成像装置(15)中；第二子空心光经过第四聚焦透镜(14)汇聚到样品池(16)中，所述样品池(16)中喷入有样品微粒(17)，且所述样品微粒(17)被第二子空心光捕获在其光阱位置；

步骤6，通过调节调制激光束(1)的光强来调节第一子空心光和第二子空心光的尺寸，即调节样品微粒(17)在第二子空心光的光轴上进行运动，并通过第二成像装置(18)记录样品微粒(17)的运动情况；

所述步骤2中获取另一束被调制激光束(2)并将其入射于步骤1中所述的非线性介质(6)中，再通过第一偏振分光立方体(5)后入射到光镊系统，包括：

将被调制激光束(2)入射于步骤1中所述的非线性介质(6)中，使其与步骤1所述的调制激光束(1)反向共线传播，被调制激光束(2)从非线性介质(6)出射后通过第一偏振分光立方体(5)进入光镊系统；

所述步骤3中调节非线性介质(6)的位置使其置于调制激光束(1)汇聚焦点位置；

所述非线性介质(6)是指能够产生kerr效应和热效应的非线性介质；

所述调制激光束(1)和被调制激光束(2)均具有高斯型光强分布。

2.一种基于空心光尺寸调节的光镊操纵装置，其特征在于，包括聚焦透镜(3)、第一半波片(4)、第二半波片(7)、第一偏振分光立方体(5)、第二偏振分光立方体(8)、非线性介质(6)和光镊系统，所述聚焦透镜(3)、第一半波片(4)、第一偏振分光立方体(5)、非线性介质(6)和第二偏振分光立方体(8)依次设置在同一光路传播的水平面上，所述第二半波片(2)位于第二偏振分光立方体(8)的正上方，所述光镊系统位于第一偏振分光立方体(5)的下方；

所述光镊系统包括高反射镜(9)、第二聚焦透镜(10)、第三聚焦透镜(11)、第三半波片(12)、第四聚焦透镜(14)、样品池(16)、第三偏振分光立方体(13)、第一成像装置(15)、第二成像装置(18)，所述高反射镜(9)位于第一偏振分光立方体(5)的正下方，所述高反射镜(9)、第二聚焦透镜(10)、第三聚焦透镜(11)、第三半波片(12)、第四聚焦透镜(14)和样品池(16)依次设置在同一光路传播的水平面上，所述第一成像装置(15)位于第三偏振分光立方体(13)的正下方，第二成像装置(18)位于样品池(16)的正下方；

所述第一成像装置(15)和第二成像装置(18)为CCD或CMOS器件。

Images