CN109188673B - 一种可调的光镊装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种可调的光镊装置，包括：光源模块，用于准直平行激光束；涡旋相位控制模块，光学输入端与光源模块连接，用于改变准直平行激光束的涡旋相位的中心奇点空间位置；高数值孔径聚焦光学模块，光学输入端与涡旋相位控制模块的光学输出端连接，用于聚焦偏振激光；样品台，位于高数值孔径聚焦光学模块的光学输出端位置，用于固定和移动样品。与现有技术相比，本发明光路结构简单，光镊操作连续可调，适用于高、低折射率介质颗粒，在微小粒子的操控方面应用前景巨大。

Description

一种可调的光镊装置
技术领域
本发明涉及一种光镊技术，尤其是涉及一种可调的光镊装置。
背景技术
自从Ashkin在1986年利用可见激光的辐射压力加速和捕获微米尺度的粒子以来，人们对如何使用激光主动操纵微小粒子或生物细胞的研究不断发展，即光镊技术，已经为物理、生物和化学等领域带来很多创新成果。例如，布朗运动的研究、胶体聚合过程的观测和染色体的分选等。光镊技术作为光力学效应的典型实例，是光与物质相互作用的一种体现形式。因此，从光的角度来看，光镊必然依赖光场内在的能量和动量等物理参量的大小和空间分布。为了获得不同的光镊，光场调制是有效改变上述物理参量大小和空间分布的最直接方法。通过对光束振幅、相位和偏振的调制，很多能实现特殊或复杂操控功能的光镊光场不断被发展。例如：涡旋光束、非衍射和自修复光束、自加速光束和矢量光束等的高聚焦光场。但是，目前很多光镊技术基于单一或者多个相同的光镊光场进行粒子操控，导致光镊操作的模式比较单一，而且往往只能对一种折射率类型的介质小颗粒进行操控。尽管结合光全息技术，能够丰富光镊光场，但是常需要高效的复杂算法进行控制。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种可调的光镊装置。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种可调的光镊装置，包括：
光源模块，用于准直平行激光束；
涡旋相位控制模块，光学输入端与光源模块连接，用于改变准直平行激光束的涡旋相位的中心奇点空间位置；
高数值孔径聚焦光学模块，光学输入端与涡旋相位控制模块的光学输出端连接，用于聚焦偏振激光；
样品台，位于高数值孔径聚焦光学模块的光学输出端位置，用于固定和移动样品。
所述光源模块包括：
照明激光源，用于基础准直平行激光束；
偏振控制单元，光学输入端与照明激光源连接，用于对基础准直平行激光束进行在线偏振、圆偏振、径向偏振及方位偏振；
光束宽度控制单元，光学输入端与偏振控制单元的光学输入端连接，用于调节准直平行激光束的宽度。
所述光镊装置还包括用于固定涡旋相位控制模块并调节涡旋相位控制模块与高数值孔径聚焦光学模块横向位置的第一移动台，所述涡旋相位控制模块安装于第一移动台上。
所述涡旋相位控制模块由空间光调制器组成，将空间光调制器作为涡旋相位模板，通过程序电动控制涡旋相位的相位中心奇点相对高数值孔径聚焦光学模块光轴进行横向移动。
所述高数值孔径聚焦光学模块包括：
平行光束宽度转换单元，用于调节经过偏振和相位调制的平行激光束的宽度；
高数值孔径显微物镜，用于聚焦平行光束宽度转换单元输出的平行激光束。
所述高数值孔径显微物镜为共轭距为无穷远的高数值孔径显微物镜。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1)光路结构简单，光镊操作连续可调，适用于高、低折射率介质颗粒，在微小粒子的操控方面应用前景巨大。
2)通过涡旋相位调制的相位奇点的空间位置变化，获得可以连续变化的光镊光场，实现不同光镊操作模式的动态切换，可对高、低折射率两种类型介质粒子进行操控。
附图说明
图1为本发明根据光路走向排布的结构示意图；
图2(a)为相对偏移量为0，0.1，0.3，0.5所对应的归一化光强分布示意图；
图2(b)为相对偏移量为0.1所对应的归一化光强分布示意图；
图2(c)为相对偏移量为0.3所对应的归一化光强分布示意图；
图2(d)为相对偏移量为0.5所对应的归一化光强分布示意图；
其中：1、光源模块，2、涡旋相位控制模块，3、高数值孔径聚焦光学模块，4、样品台。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
一种可调的光镊装置，利用涡旋相位调制的相位中心奇点空间偏移，导致经过涡旋相位调制的入射平行光束的波前相位奇点相对聚焦光学系统的光轴发生横向偏移，根据高数值孔径聚焦光学模块强聚焦场易受入射照明光束相位、偏振影响的性质，使高数值孔径聚焦系统的强聚焦场呈现不同的光场分布模式，能够产生不同的光辐射力和势阱，对微小介质颗粒实施不同光镊操作方式。
具体的，如图1所示，包括：
光源模块，用于准直平行激光束；
涡旋相位控制模块，光学输入端与光源模块连接，用于改变准直平行激光束的涡旋相位的中心奇点空间位置；
高数值孔径聚焦光学模块，光学输入端与涡旋相位控制模块的光学输出端连接，用于聚焦偏振激光；
样品台，位于高数值孔径聚焦光学模块的光学输出端位置，用于固定和移动样品。
光源模块可以根据光镊操作的微小介质粒子的特征，选择输出光束宽度、偏振态适当的平行激光束；涡旋相位控制模块控制涡旋相位中心奇点的空间位置发生变化，为经过涡旋相位控制模块的上述激光束加载受相位中心奇点空间位置决定的相位调制项，实现能够调节的相位调制模式；高数值孔径聚焦光学模块首先对入射光束宽度进行转换，保证经偏振态选择和相位调节的平行光束能够充满系统入瞳，再由系统内物镜对上述相位分布可调的平行光束进行强聚焦，使强聚焦光场发生相应的变化，产生不同的光辐射力和势阱，实现不同的光镊操作方式；样品台能够固定和移动样品，辅助微小粒子的光镊操作。
具体的，光源模块包括：
照明激光源，用于基础准直平行激光束；
偏振控制单元，光学输入端与照明激光源连接，用于对基础准直平行激光束进行在线偏振、圆偏振、径向偏振及方位偏振；
光束宽度控制单元，光学输入端与偏振控制单元的光学输入端连接，用于调节准直平行激光束的宽度。
涡旋相位调制的相位奇点空间偏移有手动和电动工作模式。手动模式时，通过手动调节固定涡旋相位模板的位移平台，使涡旋相位模板的相位中心奇点相对高数值孔径聚焦系统的光轴做横向移动，获得连续可调的相位调制；电动模式时，可以通过两种方法和装置实现：(1)通过电驱动固定涡旋相位模板的电控位移平台，使涡旋相位模板的相位中心奇点相对高数值孔径聚焦系统的光轴做横向移动，获得连续可调的相位调制；(2)通过电控空间光调制器，使涡旋相位分布的相位中心奇点相对高数值孔径聚焦系统的光轴做横向移动，获得连续可调的相位调制。
对应的，涡旋相位控制模块有两种结构模式：(1)涡旋相位控制模块由涡旋相位模板和平台组成，将涡旋相位模板固定在电动或手动位移平台，通过电控或手动模式使涡旋相位模板的相位中心奇点相对高数值孔径聚焦光学模块的光轴进行横向移动，获得受相位奇点空间位置影响的可调相位调制；(2)涡旋相位控制模块由空间光调制器组成，将空间光调制器作为涡旋相位模板，通过程序电动控制涡旋相位的中心奇点相对高数值孔径聚焦光学模块光轴的偏离量，获得受相位奇点空间位置影响的可调相位调制。
高数值孔径聚焦光学模块包括：平行光束宽度转换单元，用于调节经过偏振和相位调制的平行激光束的宽度；高数值孔径显微物镜，用于聚焦平行光束宽度转换单元输出的平行激光束。优选的，高数值孔径显微物镜为共轭距为无穷远的高数值孔径显微物镜。具体的，平行光束宽度转换系统将经过偏振和相位调制的平行光束宽度转换到合适大小，保证能够充满高数值孔径显微物镜的入瞳，充分发挥高数值孔径显微物镜的强聚焦能力；高数值孔径显微物镜将上述经过偏振、相位和宽度调节的平行光束进行强聚焦，基于相位连续可调获得动态调节的强聚焦光场，产生动态可调的光辐射力和势阱，实现可调的光镊操作方式。
下面结合具体应用对本申请进行说明：
首先，利用理查德-沃尔夫矢量衍射理论、光辐射力的计算公式和被光镊操作微小介质粒子的大小和折射率，给出光源波长、偏振态和能量大小、相位中心奇点横向偏移量与强聚焦光场的对应关系、强聚焦光场动态调节的范围、光辐射力大小和势阱梯度参数；
然后，根据上述理论计算获得的参数，光源模块选择波长和能量合适的激光器，偏振控制模块使激光器发出光束选择合适的偏振态，平行光束宽度转换系统据涡旋相位控制模块中涡旋相位模板或空间光调制器的工作区域大小，使上述偏振光束以宽度合适的平行光束进入涡旋相位控制模块。
其次，涡旋相位控制模块控制手动或电动移动涡旋相位模板，根据所需光镊操作模式，控制涡旋相位中心奇点移动的方向和偏移量，为经过涡旋相位控制模块的上述平行激光束加载受相位中心奇点空间位置决定的相位调制项：
Figure BDA0001800419360000051
其中：ζ、η是高数值孔径聚焦光学模块的出瞳面内位置直角坐标，ζ0、η0是涡旋相位的中心奇点在出瞳面内对应的位置直角坐标)，提供能够调节的相位分布模式；
最后，经过偏振选择、相位调制的平行光束进入高数值孔径聚焦光学模块，先由该系统内部的平行光束宽度转换系统调节光束宽度，保证经偏振态选择和相位调节的平行光束能够充满系统入瞳，再由系统内物镜共轭距为无穷远的高数值孔径显微物镜对上述相位分布可调的平行光束进行强聚焦，使强聚焦光场发生的相应变化(如图2所示，相对偏移量＝偏移量/入瞳半径)，产生不同的光辐射力和势阱。把样品固定在位移平台，连续调节涡旋相位控制模块，对样品内微小颗粒实施动态的光镊操作。

Claims (3)

1.一种可调的光镊装置，包括：
光源模块，用于产生准直平行激光束，
其特征在于，还包括：
涡旋相位控制模块，光学输入端与光源模块连接，用于改变准直平行激光束的涡旋相位的中心奇点空间位置，
高数值孔径聚焦光学模块，光学输入端与涡旋相位控制模块的光学输出端连接，用于聚焦偏振激光，
样品台，位于高数值孔径聚焦光学模块的光学输出端位置，用于固定和移动样品；
所述光源模块包括：
照明激光源，用于产生基础准直平行激光束，
偏振控制单元，光学输入端与照明激光源连接，用于对基础准直平行激光束进行在线偏振、圆偏振、径向偏振及方位偏振，
光束宽度控制单元，光学输入端与偏振控制单元的光学输出端连接，用于调节准直平行激光束的宽度；
所述光镊装置还包括用于固定涡旋相位控制模块并调节涡旋相位控制模块与高数值孔径聚焦光学模块横向位置的第一移动台，所述涡旋相位控制模块安装于第一移动台上；
所述涡旋相位控制模块由空间光调制器组成，将空间光调制器作为涡旋相位模板，通过程序电动控制涡旋相位的相位中心奇点相对高数值孔径聚焦光学模块光轴进行横向移动；
利用涡旋相位调制的相位中心奇点空间偏移，导致经过涡旋相位调制的入射平行光束的波前相位奇点相对聚焦光学模块的光轴发生横向偏移，根据高数值孔径聚焦光学模块强聚焦场易受入射照明光束相位、偏振影响的性质，使高数值孔径聚焦光学模块的强聚焦场呈现不同的光场分布模式，产生不同的光辐射力和势阱，对微小介质颗粒实施不同光镊操作方式。
2.根据权利要求1所述的一种可调的光镊装置，其特征在于，所述高数值孔径聚焦光学模块包括：
平行光束宽度转换单元，用于调节经过偏振和相位调制的平行激光束的宽度；
高数值孔径显微物镜，用于聚焦平行光束宽度转换单元输出的平行激光束。
3.根据权利要求2所述的一种可调的光镊装置，其特征在于，所述高数值孔径显微物镜为共轭距为无穷远的高数值孔径显微物镜。
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