CN109801732B - 一种二维自冷却激光光镊装置和方法 - Google Patents

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

一种二维自冷却激光光镊装置和方法

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；

波分复用器、掺杂光纤(13)、隔离器Ⅰ(4)和隔离器Ⅱ(5)、双光束光阱、微粒(7)构成环路，泵浦激光在环路之外；

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，泵浦后的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；

双光束光阱将微粒束缚于光阱的中心；

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：

δ∝-x，

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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