CN109192351A - 一种双光束光阱系统中高效装载微球的装置 - Google Patents

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邝腾芳
韩翔
熊威
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Abstract

本发明涉及一种双光束光阱系统中高效装载微球的装置。包括压电陶瓷、石英波片和捕获激光，所述捕获激光为两束，两束捕获激光相向对准形成双光束光阱；石英波片贴在压电陶瓷上组成压电陶瓷系统，压电陶瓷系统放置于贴近双光束光阱的正下方，根据双光束光阱和压电陶瓷系统的参数确定微球起抛速度的最佳范围，选择模式和控制激励电压控制微球的起抛速度，实现微球起抛效率的最大化，从而实现微球的快速装载。

Description

一种双光束光阱系统中高效装载微球的装置
技术领域
本发明涉及一种双光束光阱系统中高效装载微球的装置和方法，属于光学工程领域和精密测量技术领域。
背景技术
两束相向传播的高斯激光束，可以形成能束缚微米尺度粒子的双光束光学势阱，简称双光束光阱。双光束光阱可以实现光学囚禁、光学牵引、光学拉伸和光致旋转等光学操纵功能，在精密测量领域中具有广泛的应用前景。
光学操纵主要运用了光的力学效应，将微粒束缚在微小的光阱里面，具有精度高、噪声小的优点。但是，实现快速、高效、可重复地将微粒装载到微小的光阱中，一直是光学操纵技术的重要难题。传统装载方法有两种：一是下抛自由落体法，将大量微球从高处往光阱撒；二是喷雾法，将大量微球以喷雾的形式喷香光阱中。这两种方法随机性大、装载效率比较低且易造成污染，难以适应工程运用的需求。其主要的原因为不能实现微球的精准位置装载和对微球速度的控制。
压电陶瓷是一种实现电能机械能转换的换能材料，被广泛应用于物理生物各个领域。当在压电陶瓷的极化方向施加电场时，其会在一定的方向上产生机械变形或机械压力，当外加电厂撤去时，这些形变或者应力也随之消失。使用不同的激励频率激励压电陶瓷时，会出现不同的模式，压电陶瓷的振动特性被广泛应用在微粒操纵当中，具有操纵距离长的优点。除此之外，PZT操控还能实现对微球起抛速度的精准控制。
使用压电陶瓷放置于双光束光阱系统下方，通过控制压电陶瓷的振动特性，实现对压电陶瓷上的微球向上起抛速度的控制，从而将微球装载到双光束光阱中。使用压电陶瓷将微球向上装载的装置和方法，目前还未见报道。
发明内容
为克服现有技术的不足，本发明提出了一种双光束光阱系统中高效装载微球的装置和方法，具有结构简单、实用效果强、成本低廉等优点。
本发明基于以下原理：两束相向对准的高斯激光束，将形成能束缚微米尺度粒子的双光束光阱。将少量微球放置于压电陶瓷系统上，当使用不同的频率激励压电陶瓷时，压电陶瓷出现不同的振动模式，微球将会在压电陶瓷表面不同位置跳动，微球的运动规律为从幅值大的位置往幅值小的位置运动。选定某一振动模式后，通过调节激励的电压可以控制微球以不同的速度跳动。将压电陶瓷系统放置于双光束光阱的正下方，根据双光束光阱的参数确定需要的微球起抛速度要求，通过选择合适的模式和控制激励电压使得微球达到需要的起抛速度要求，从而实现微球的装载。
本发明采用的技术方案如下：
一种双光束光阱系统中高效装载微球的装置，包括压电陶瓷、石英波片和捕获激光，所述捕获激光为两束，
所述两束捕获激光相向对准形成双光束光阱；
所述石英波片贴在压电陶瓷上组成压电陶瓷系统，压电陶瓷系统放置于贴近双光束光阱的正下方，
根据双光束光阱和压电陶瓷系统的参数确定微球起抛速度的最佳范围，选择模式和控制激励电压控制微球的起抛速度，实现微球起抛效率的最大化，从而实现微球的快速装载。
本发明的有益效果是：
本发明利用压电陶瓷系统振动特性，将压电陶瓷振动效益最大化。根据光阱和环境条件的需求，精确控制微球向上起抛的速度，实现微球的快速装载。具有结构简单、实用性强等优点。此外，本发明不局限于光阱结构和压电陶瓷结构，适用范围非常广。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为本发明的实施案例；
图3为本发明的应用结果；
图1中对应的元器件为：1为压电陶瓷，2为石英波片，3为第一束捕获激光，4为第二束捕获激光，5为微球；
图2中对应的元器件为：1为压电陶瓷，2为石英波片，3为第一束捕获激光，4为第二束捕获激光，5为微球，6为激光器，7为光纤分束器；
图3(a)为不同激励频率条件下石英波片2的振动模式，其中A部分对应振幅大，B部分振幅小；(b)为使用本发明实现微球装载的图片。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施案例作详细的说明，但不应因此限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种双光束光阱系统中高效装载微球的装置，包括压电陶瓷1、石英波片2、捕获激光Ⅰ3、捕获激光Ⅱ4和微球5，捕获激光Ⅰ3和捕获激光Ⅱ4相向对准形成双光束光阱；石英波片2黏附在压电陶瓷1表面形成压电陶瓷系统；
根据光阱的结构和微球克服范德华力所需的加速度等综合条件，选择压电陶瓷的模式和激励电压。根据石英片的振动模式选取感兴趣区域，在该区域放置少量微球5。将压电陶瓷1、石英波片2和微球5组成的结构贴近双光束光阱下方放置。使用已选择的模式和电压对压电陶瓷1进行激励，石英波片2以固定模式振动，随着振动的微球5克服范德华力后以固定的速度向上起抛，装载入光束3和光束4形成的双光束光阱。
本发明的具体工作过程如下：
本发明的一个具体实例如图2所示。打开激光器6，调节捕获激光3和捕获激光4使得相向对准形成双光束光阱。使用测振仪器获得压电陶瓷1在不同激励频率条件下石英波片2的振动模式，如图3(a)所示。选取感兴趣区域测试得到其电压-振动速度曲线。将少量微球均匀撒在感兴趣区内，并将压电陶瓷1、石英波片2和微球5组成的结构贴近双光束光阱下方放置，并使得微球对准双光束光阱。根据微球所受范德华力和双光束光阱结构计算得到微球起抛后进入光阱的最佳速度范围，再根据所测得的电压-振动速度曲线选取合适的电压和模式激励压电陶瓷1，微球5受到惯性力脱离石英片2表面向上装载到光阱中，被光束缚力捕获的微球如图3(b)所示。

Claims (2)

1.一种双光束光阱系统中高效装载微球的装置，包括压电陶瓷、石英波片和捕获激光，所述捕获激光为两束，其特征在于，
所述两束捕获激光相向对准形成双光束光阱；
所述石英波片贴在压电陶瓷上组成压电陶瓷系统，
压电陶瓷系统放置于贴近双光束光阱的正下方，
根据双光束光阱和压电陶瓷系统的参数确定微球起抛速度的最佳范围，选择模式和控制激励电压控制微球的起抛速度，从而实现微球的装载。
2.根据权利要求1所述的一种双光束光阱系统中高效装载微球的装置，其特征在于，该装置实施过程为：将微球放置于压电陶瓷系统上，当使用不同的频率激励压电陶瓷时，压电陶瓷出现不同的振动模式，微球将会在压电陶瓷表面不同位置跳动，微球的运动规律为从幅值大的位置往幅值小的位置运动，选定某一振动模式后，通过调节激励的电压控制微球以不同的速度跳动，将压电陶瓷系统放置于双光束光阱的正下方，根据双光束光阱的参数确定需要的微球起抛速度要求，通过选择的模式和控制激励电压使得微球达到需要的起抛速度要求，从而实现微球的装载。
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