CN109801732A - 一种二维自冷却激光光镊装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种二维自冷却激光光镊装置和方法。将光镊技术结合到光学腔中,利用微球位置与腔损耗的关系,实现捕获微粒的二维高速自冷却。整个冷却过程不涉及外部反馈控制,由环形腔内部自反馈实现。具有结构简单、重复性好和实用性强等优点。此外,本发明不局限于光阱结构和光路结构,适用范围非常广。
Description
技术领域
本发明涉及一种二维自冷却激光光镊装置和方法,属于光学工程领域和精密测量技术领域。
背景技术
光具有动量和能量,光动量的具体表现则为光力。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,使得微粒的运动受到限制,这就是宏观的“冷却”。一般冷却方法可以分为开环冷却和闭环反馈冷却两种。开环冷却是指直接利用光功率固定条件下的光力的效应束缚微粒。闭环反馈冷却指利用微粒的偏移量作为反馈信号,控制光功率变化实现冷却,闭环反馈冷却能实现比开环冷却更好的冷却效果。传统的闭环反馈冷却主要使用外部电路实现反馈控制,反馈的速度受限于电路性能,难以适应高速冷却的需求。
光纤激光器是以光纤为基质掺入某些激活粒子制成工作物质,或者利用光纤本身的非线性效应制成的一类激光器。与传统激光技术相比,光纤激光器具有较高的泵浦效率,较宽的光谱范围,较高的光束质量等优点。其中最重要的是,光纤激光器可以实现非常高的增益,在损耗腔中有很大的应用价值。
将光镊融合在光腔内,形成损耗腔。当微粒垂直于光轴方向偏离时,将导致腔损耗减小,引起腔内光功率增大,使得微粒快速回到稳定位置,从而实现大刚度高速“自冷却”。将光镊结合到光腔内实现高速自冷却的装置和方法,目前还未见报道。
发明内容
为克服传统反馈冷却技术的不足,本发明提出了一种二维自冷却激光光镊装置和方法,整个冷却过程不涉及外部反馈控制,由环形腔内部自反馈实现,具有冷却速度快、结构简单等优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:
一种二维自冷却激光光镊装置,包括泵浦激光、波分复用器、掺杂光纤、隔离器、双光束光阱和微粒,其中掺杂光纤、隔离器、双光束光阱和微粒构成环形腔。所述的泵浦激光用于泵浦掺杂光纤提供增益,所述的波分复用器用于耦合泵浦激光到掺杂光纤光路中。所述的隔离器用于选择特定波长激光单向传输,当掺杂光纤提供的增益大于环形光路总损耗时,两个不同的隔离器连接到掺杂光纤中形成波长不同的顺、逆两个方向激光。
激光作用在微粒上会产生两种力,包括:垂直光轴方向的梯度力F g和沿着光轴方向的散射力F s,可以表示为:
, (1)
, (2)
其中a为垂直光轴方向的捕获效率系数,b为沿光轴方向的捕获效率系数,P为捕获光功率,x为微球垂直光轴方向偏移量,y为微球沿捕获光轴方向的偏移量。梯度力F g使得微粒向光功率大的方向移动,散射力F s使得微粒沿着光传播方向移动。顺、逆方向高斯激光束对向传输可以形成三维势阱,常被称为双光束光阱,是光镊的一种。双光束光阱可以将微粒束缚于光阱的中心;
光照射在微粒时会形成散射光,包括:前向散射光、侧向散射光和后向散射光,其中前向散射光为主要组成部分。本发明将双光束光阱结合到环形腔中,所述掺杂光纤、隔离器、双光束光阱和微粒构成环形腔,微粒的前向散射光形成环形腔的散射损耗。散射损耗δ与偏移量x的关系可以表示为:
, (3)
散射损耗δ与偏移量x为负相关关系。当微球垂直于光轴方向偏移时,顺(逆)光路中微粒的遮挡减少,导致前向传递的光功率增大,顺(逆)光路的散射损耗δ减小,导致掺杂光纤的捕获光功率P增大。捕获光功率P增大引起微粒受到的梯度力F g增大,增大的梯度力F g促使微粒快速恢复到光轴稳定位置,实现垂直于光轴方向的二维自冷却。
本发明的有益效果是:
本发明将光镊技术结合到光学腔中,利用微球位置与腔损耗的关系,实现捕获微粒的二维高速自冷却。整个冷却过程不涉及外部反馈控制,由环形腔内部自反馈实现。具有结构简单、重复性好和实用性强等优点。此外,本发明不局限于光阱结构和光路结构,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为微粒偏移引起单侧前向传递光功率变化示意图;
图1中对应的元器件为:11为泵浦激光,12为波分复用器,13为掺杂光纤,4为Ⅰ号隔离器,5为Ⅱ号隔离器,6为微型捕获室,7为微粒,8为位置探测器,a和b为微型捕获室6两侧的光纤;
图2中对应的元器件为:1为Ⅰ号光纤,2为Ⅱ号光纤,3为微粒。
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,一种二维自冷却激光光镊装置,由泵浦激光11,波分复用器12,掺杂光纤13, 隔离器4,隔离器5,微型捕获室6、微粒7和位置探测器8组成。泵浦激光11经过波分复用器12后进入掺杂光纤13,掺杂光纤13中的增益介质得到泵浦激光11的泵浦后在两端出射激光。激光经过波长不同的隔离器Ⅰ4和隔离器Ⅱ5后形成波长不同的顺、逆时针两个方向激光光路。两个方向的激光从a、b两端出射,在微型捕获室6中形成双光束光阱,微粒7被捕获在双光束光阱中。捕获光经过微粒7后产生多个方向的散射光,其中最主要的部分是前向散射光。掺杂光纤13、隔离器Ⅰ4和隔离器Ⅱ5、双光束光阱和微粒7构成环形腔,微粒7的前向散射光形成环形腔的散射损耗。位置探测器8用于探测微粒的位置信号。
如图2所示,分析微粒偏移光轴与散射损耗的关系。分析图由Ⅰ号光纤1、Ⅱ号光纤2和微粒3组成。以单侧光传输为例,Ⅰ号光纤出射激光经过微粒后进入Ⅱ号光纤。当微球3偏移捕获光轴时,光路中微粒3的遮挡减少,导致前向传递进入Ⅱ号光纤的光功率增大,即光路的损耗减小。结合图1分析,光环路损耗减小,引起掺杂光纤13的出光功率增大,最终引起被捕获微粒受到的梯度力增大。微粒因此快速恢复到光轴稳定位置,实现垂直于光轴方向的二维自冷却。整个冷却过程不涉及外部反馈控制,由环形腔内部自反馈实现。
本发明的具体工作过程如下:
选取合适的器件,按照图1连接光路。打开泵浦激光11使其输出合适的功率,调整微型捕获室6的a、b两侧相向对准形成双光束光阱。将浓度合适的微粒溶液滴入微型捕获室6中,使用微型操作手将微球拨到双光束光阱中使得单颗微球7被光阱捕获。使用位置探测器8高速测量微粒的位置情况,统计一段时间内微粒7垂直于光轴方向上的运动情况。与传统闭环捕获相比,本发明中的微粒7垂直于光轴方向上运动的均方值更小,即微粒冷却效果更好。
Claims (3)
1.一种二维自冷却激光光镊方法,整个冷却过程不涉及外部反馈控制,由环形腔内部自反馈实现,其特征在于,采用二维自冷却激光光镊装置实现,
装置包括泵浦激光、波分复用器、掺杂光纤、隔离器、双光纤光阱、微粒、位置探测器,其中掺杂光纤(13)、隔离器Ⅰ(4)和隔离器Ⅱ(5)、双光束光阱、微粒(7)构成环形腔,微粒(7)的前向散射光形成环形腔的散射损耗;
泵浦激光(11)经过波分复用器(12)后进入掺杂光纤(13),掺杂光纤(13)中的增益介质得到泵浦激光(11)的泵浦后在两端出射激光,激光经过波长不同的隔离器Ⅰ(4)和隔离器Ⅱ(5)后形成波长不同的顺、逆时针两个方向激光光路,两个方向的激光从a、b两端出射,在微型捕获室(6)中形成双光束光阱,微粒(7)被捕获在双光束光阱中;
激光作用在微粒上产生两种力,包括:垂直光轴方向的梯度力F g和沿着光轴方向的散射力F s,表示为:
, (1)
, (2)
其中a为垂直光轴方向的捕获效率系数,b为沿光轴方向的捕获效率系数,P为捕获光功率,x为微球垂直光轴方向偏移量,y为微球沿捕获光轴方向的偏移量,梯度力F g使得微粒向光功率大的方向移动,散射力F s使得微粒沿着光传播方向移动,顺、逆方向高斯激光束对向传输形成三维势阱,称为双光束光阱,双光束光阱将微粒束缚于光阱的中心;
本发明将双光束光阱结合到环形腔中,掺杂光纤(13)、隔离器Ⅰ(4)和隔离器Ⅱ(5)、双光束光阱、微粒(7)构成环形腔,微粒(7)的前向散射光形成环形腔的散射损耗,散射损耗δ与偏移量x的关系表示为:
, (3)
散射损耗δ与偏移量x为负相关关系,当微球垂直于光轴方向偏移时,顺/逆光路中微粒的遮挡减少,导致前向传递的光功率增大,顺/逆光路的散射损耗δ减小,导致掺杂光纤的捕获光功率P增大,捕获光功率P增大引起微粒受到的梯度力F g增大,增大的梯度力F g促使微粒快速恢复到光轴稳定位置,实现垂直于光轴方向的二维自冷却。
2.根据权利要求1所述的一种二维自冷却激光光镊方法,其特征在于,所述捕获光经过微粒(7)后产生多个方向的散射光,包括:前向散射光、侧向散射光和后向散射光,其中最主要的部分是前向散射光。
3.根据权利要求1所述的一种二维自冷却激光光镊方法,其特征在于,所述位置探测器(8)用于探测微粒的位置信号。
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