CN108415176A - 一种操控粒子做非对称的自旋和轨道运动的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种操控粒子做非对称的自旋和轨道运动的装置及方法。本发明的方法为：一束线偏振高斯激光光束依次经过一组透镜组合后准直扩束；随后利用矢量光场生成装置，产生幂指数角向变化的矢量光场，再经过一个高数值孔径物镜，在焦平面上，光场的线动量和角动量发生改变，与瑞利介质粒子相互作用时，随着线动量和角动量转移到被捕获粒子，使得粒子受到非对称的自旋和轨道力矩，从而实现粒子非对称的自旋运动和轨道运动。本发明具有光路简单、装置结构简单、技术成熟和稳定性强等优点。

Description

一种操控粒子做非对称的自旋和轨道运动的装置及方法

技术领域：

本发明涉及紧聚焦矢量光场对瑞利粒子的操控，属于光学微操控的领域，具体来说，是一种利用紧聚焦的矢量光场实现微纳粒子的非对称自旋和轨道运动的装置及方法。

背景技术：

线动量和角动量作为电磁波的主要特性，在光与物质相互作用过程中起着重要作用。光的线动量包括自旋和轨道部分：自旋线动量正比于光场自旋密度的旋度，而轨道线动量正比于作用在瑞利粒子上的辐射力。同样地，电磁波的光学角动量也可以分为自旋和轨道两部分：自旋角动量来源于光的偏振，导致粒子绕自身轴的旋转；轨道角动量和光场的相位结构有关，引起粒子绕光轴作轨道运动。理论上，光场的线动量和角动量可以转移至粒子，分别使得粒子受到光力作用和力矩作用，引起粒子的平移运动和旋转运动。实验上，将粒子放置在光场中通过观察粒子的运动轨迹，可以定性测量光场的线动量和角动量密度。这种光学捕获是一种用聚焦激光束来非接触无创操控微粒的实用技术。在过去的几十年里，研究者们报道了捕获粒子的各种运动轨迹。例如，Allen等人观察到携带有轨道角动量的涡旋光束能够驱动粒子绕光轴旋转(L.Allen,M.W.Beijersbergen,R.J.C.Spreeuw,andJ.P.Woerdman,“Orbital angular momentum of light and the transformation ofLaguerre-Gaussian laser modes,”Phys.Rev.A 45,8185--8189(1992).)。O’Neil等人实验上证实了在离轴处捕获的粒子自旋和轨道运动分别与自旋角动量和轨道角动量相关(A.T.O’Neil,I.MacVicar,L.Allen,and M.J.Padgett,“Intrinsic and extrinsicnature of the orbital angular momentum of a light beam,”Phys.Rev.Lett.88,053601(2002).)。Zhao等人论证了聚焦的携带自旋角动量光束可以感应轨道角动量，驱动微尺寸金属粒子离轴做轨道运动(Y.Zhao,David Shapiro,David Mcgloin,DanielT.Chiu,and Stefano Marchesini,“Direct observation of thetransfer of orbitalangular momentum to metal particles from a focused circularly polarizedGaussian beam,”Opt.Express 17,23316--23322(2009).)。Cao等人报道了在紧聚焦高阶拉盖尔-高斯光束中自旋控制的轨道运动(Y.Cao,T.Zhu,H.Lv,and W.Ding,“Spin-controlled orbital motion in tightly focused high-orderLaguerre-Gaussianbeams,”Opt.Express 24,3377--3384(2016).)。Li等人利用圆偏振或径向偏振涡旋光束实现了吸收型粒子的非轴向自旋和轨道运动(M.Li,S.Yan,B.Yao,Y.Liang,and P.Zhang,“Spinning and orbiting motion of particles in vortex beams with circular orradial polarizations,”Opt.Express 24,20604--20612(2016).)。应该注意到以上提到的以光轴为中心的粒子运动均具有轴对称性。但是探究具有轴对称破缺的粒子运动有着学术兴趣和技术应用，尽管这方面的文献报道非常少(Z.Man,L.Du,Y.Zhang,C.Min,S.Fu,andX.Yuan,“Focal and optical trapping behaviors of radiallypolarized vortex beamwith broken axial symmetry,”AIP Adv.7,065109(2017).)。

近年来，超控光场的偏振态受到了人们的广泛关注是因为具有空间变化偏振态的柱状矢量光场拥有奇特特性和新颖应用，在光学捕获、光学微加工和光学显微等领域应用广泛。实验上人们提出了各种矢量光场生成技术(如X.Wang,J.Ding,W.J.Ni,C.Guo,andH.Wang,“Generation of arbitrary vector beams with a spatial lightmodulatorand a common path interferometric arrangement,”Opt.Lett.32,3549--3551(2007).)，生成了各种偏振分布的矢量光场(例径向偏振光、角向偏振光、杂化偏振矢量光场、全庞加莱球光场以及涡旋矢量光场等)。利用衍射光学元件，报道了各种新奇的焦场分布，包括光学囚笼、光针、光链等等。此外，不同矢量光场的光学捕获特性，包括柱状矢量光场、杂化偏振矢量光场、全庞加莱球光束以及椭圆偏振矢量光束等，都有相关的研究。但是对于偏振态分布对称性破缺的矢量光场的光学捕获及操控的研究提及甚少。

发明内容

本发明的目的是提供一种操控粒子做非对称的自旋和轨道运动的装置及方法，能够实现在焦平面上操控瑞利介质粒子做非对称的自旋和轨道运动。本发明在光学微操控和光学捕获等方面具有非常广阔的应用价值。

上述的目的通过以下技术方案实现：

一种操控粒子做非对称的自旋和轨道运动的装置，该装置包括一束线偏振高斯光束、一组透镜、矢量光生成装置、高数值孔径物镜，所述的透镜、矢量光生成装置、高数值孔径物镜顺次排列设置。

所述的操控粒子做非对称的自旋和轨道运动的装置，所述的高数值孔径物镜是指数值孔径大于0.8的物镜。

用上述操控粒子做非对称的自旋和轨道运动的装置操控粒子做非对称的自旋和轨道运动的方法，该方法为：一束线偏振高斯激光光束依次经过一组透镜组合后准直扩束；随后利用矢量光场生成装置，产生幂指数角向变化的矢量光场，再经过一个高数值孔径物镜，在焦平面上，光场的线动量和角动量发生改变，与瑞利介质粒子相互作用时，随着线动量和角动量转移到被捕获粒子，使得粒子受到非对称的自旋和轨道力矩，从而实现粒子非对称的自旋运动和轨道运动。

所述的方法，所述幂指数角向变化的矢量光场是指空间各点偏振态分布全部为按一定特征分布的非对称幂指数角向变化的局域线偏振光，其光场表达式为：

其中E(ρ)为径向对称分布的振幅，n为幂指数，(ρ,φ)为极坐标系下的径向和角向坐标，和分别为笛卡尔坐标系(x,y)中的单位矢量。

本发明所产生的有益效果：

1.本发明创造性地提出了幂指数角向变化的局域线偏振矢量光场，该矢量光场偏振态的空间非对称分布与其它偏振态对称分布的矢量光场不同。利用高数值孔径的物镜对其紧聚焦之后，光场的焦场偏振态和强度分布发生改变，呈现非对称的特定分布。在与微粒相互作用的过程中，伴随光场线动量和角动量转移到被捕获粒子，使得微粒所受光力和力矩分布也呈现出非对称性，从而实现微粒的非对称自旋和轨道运动。同时，本发明具有光路简单、装置结构简单、制造成本低、技术成熟、稳定性强、不需要其他特殊的光学元件等优点。

附图说明

图1为本发明装置结构示意图；

图2为本发明具体实施例一中生成的幂指数n＝2的角向变化局域线偏振矢量光场的强度及偏振态分布图；

图3为本发明具体实施例一中得到的紧聚焦后的三维焦场分布图，其中，图3(a)是焦场在x-y平面的横向强度以及偏振态分布图，图3(b)是x-y平面的纵向强度分布图，图3(c)是x-y平面总强度分布图，图3(d)是焦场在y-z平面的横向强度以及偏振态分布图，图3(e)是y-z平面的纵向强度分布图，图3(f)是y-z平面总强度分布图；

图4为本发明具体实施例一中焦场与瑞利粒子相互作用后，粒子受到的光力分布图，其中，图4(a)是粒子在x-y平面所受的横向梯度力分布图，图4(b)是粒子在x-y平面所受的横向辐射力分布图，图4(c)是粒子在x-y平面所受的横向总力分布图，图4(d)是粒子在x-z平面所受的纵向梯度力分布图，图4(e)是粒子在x-z平面所受的纵向辐射力分布图，图4(f)是粒子在x-z平面所受的纵向总力分布图；

图5为本发明具体实施例一中焦场与瑞利粒子相互作用后，粒子受到的自旋和轨道力矩分布以及粒子运动状态示意图，其中，图5(a)是粒子在x-y平面所受的自旋力矩的强度分布及方向示意图，图5(b)是粒子在x-y平面所受的轨道力矩分布图以及粒子在特定点的自旋和轨道运动示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施方式，进一步阐明本发明，应理解下述具体实施方式仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。

如图1所示，一种操控粒子做非对称的自旋和轨道运动的装置，包括一束高斯激光光束1、一组透镜(凸透镜2和凸透镜3)、矢量光生成装置4和高数值孔径物镜5。

入射的高斯线偏振激光束1依次经过透镜组合(凸透镜2，凸透镜3)，准直扩束，随后经过矢量光场生成装置4，生成幂指数角向变化的矢量光场，再经过一个高数值孔径物镜5，产生紧聚焦的光场。光场在焦平面上与微粒相互作用，从而操控微粒的运动状态。

所述的高数值孔径物镜是指数值孔径大于0.8的物镜。

用上述操控粒子做非对称的自旋和轨道运动的装置操控粒子做非对称的自旋和轨道运动的方法，该方法为：一束线偏振高斯激光光束依次经过一组透镜组合后准直扩束；随后利用矢量光场生成装置，产生幂指数角向变化的矢量光场，再经过一个高数值孔径物镜，在焦平面上，光场的线动量和角动量发生改变，与瑞利介质粒子相互作用时，随着线动量和角动量转移到被捕获粒子，使得粒子受到非对称的自旋和轨道力矩，从而实现粒子非对称的自旋运动和轨道运动。

所述的方法，所述幂指数角向变化的矢量光场是指空间各点偏振态分布全部为按一定特征分布的非对称幂指数角向变化的局域线偏振光，其光场表达式为：

其中E(ρ)为径向对称分布的振幅，n为幂指数，(ρ,φ)为极坐标系下的径向和角向坐标，和分别为笛卡尔坐标系(x,y)中的单位矢量。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例一：

若利用波长为532nm的高斯线偏振激光光束，通过矢量光场生成装置(3)中为入射光加载幂指数相位信息，从而生成幂指数n＝2的角向变化的局域线偏振矢量光场，其光场表达式为：

E₀为振幅常数，ω为入射光束半径，(ρ,φ)为极坐标系下的径向和角向坐标，和分别为笛卡尔坐标系(x,y)中的单位矢量。在水(折射率为1.33)中利用数值孔径为1.26的物镜对其进行紧聚焦，得到强度和偏振态分布呈特定分布的焦场。当该焦场与瑞利介质粒子(半径为30nm，折射率为1.6)相互作用时，由于焦场自身的线动量和角动量转移到被捕获的粒子上，使得粒子受到光力作用和力矩作用，从而实现粒子在焦平面上的非对称自旋和轨道运动。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。如改变入射光的波长、用于产生紧聚焦光束的数值孔径、操控粒子的介质环境、粒子的半径和折射率等，进而改变粒子的运动轨迹。

综上所述，本发明依据现有技术在生成矢量光场的基础上，生成了幂指数角向变化的矢量光场，通过让矢量光场经过高数值孔径物镜聚焦，能够在三维空间里得到偏振态及强度呈特殊分布的光场。在与瑞利粒子相互作用时，能够使得粒子受到非对称的自旋和轨道力矩，从而实现粒子的非对称自旋运动和轨道运动。本发明方法容易实现，装置结构简单，易于调整，制造成本低；装置稳定性好，不需要其他特殊的光学元件。

Claims (4)

1.一种操控粒子做非对称的自旋和轨道运动的装置，其特征在于，该装置包括一束线偏振高斯光束、一组透镜、矢量光生成装置、高数值孔径物镜，所述的透镜、矢量光生成装置、高数值孔径物镜顺次排列设置。

2.根据权利要求1所述的操控粒子做非对称的自旋和轨道运动的装置，其特征在于，所述的高数值孔径物镜是指数值孔径大于0.8的物镜。

3.一种用上述操控粒子做非对称的自旋和轨道运动的装置操控粒子做非对称的自旋和轨道运动的方法，其特征在于，该方法为：一束线偏振高斯激光光束依次经过一组透镜组合后准直扩束；随后利用矢量光场生成装置，产生幂指数角向变化的矢量光场，再经过一个高数值孔径物镜，在焦平面上，光场的线动量和角动量发生改变，与瑞利介质粒子相互作用时，随着线动量和角动量转移到被捕获粒子，使得粒子受到非对称的自旋和轨道力矩，从而实现粒子非对称的自旋运动和轨道运动。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述幂指数角向变化的矢量光场是指空间各点偏振态分布全部为按一定特征分布的非对称幂指数角向变化的局域线偏振光，其光场表达式为：

其中E(ρ)为径向对称分布的振幅，n为幂指数，(ρ,φ)为极坐标系下的径向和角向坐标，和分别为笛卡尔坐标系(x,y)中的单位矢量。