CN109802287A - 一种基于透镜组合的三维自冷却激光光镊装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于透镜组合的三维自冷却激光光镊装置和方法。采用一种基于透镜组合的三维自冷却激光光镊装置实现三维自冷却。该方法将光镊结合到光腔中，利用微球三维位置与腔损耗的特性，实现捕获微粒的三维高速自冷却。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

一种基于透镜组合的三维自冷却激光光镊装置和方法

技术领域

本发明涉及一种基于透镜组合的三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。将光镊技术结合到光纤激光器中形成损耗腔，利用激光器自身反馈特性进行微粒冷却是一种新型的冷却技术。

将光镊技术结合到光纤激光器中形成损耗腔，使用透镜组合搭建特定光阱结构，使得微粒三维位置变化与激光器损耗形成特定关系，可以实现大刚度高速三维“自冷却”。使用透镜组合将光镊结合到环形腔内实现三维高速自冷却的装置和方法，目前还未见报道。

发明内容

为克服现有冷却技术的不足，本发明提出了一种基于透镜组合的三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，可以实现三维的自冷却。本发明具有冷却速度高、结构简单、实用效果强等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于透镜组合的三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、准直器、透镜、微粒，其中隔离器、准直器、透镜各有2个，掺杂光纤3、隔离器Ⅰ4和隔离器Ⅱ5、准直器Ⅰ6和准直器Ⅱ7、反射镜Ⅰ8和反射镜Ⅱ9、透镜Ⅰ10和透镜Ⅱ11、微粒12构成的环形腔；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时针、逆时针两个方向激光光路；顺时针方向的激光经过准直器Ⅰ6和反射镜Ⅰ8后进入透镜Ⅰ10，逆时针方向的激光经过准直器Ⅱ7和反射镜Ⅱ9后进入透镜Ⅱ11，形成双光束光阱，微粒12被捕获于双光束光阱中；

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。

将顺、逆两个方向的激光接入透镜组可以捕获微粒，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，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。透镜组中两束对向传输的高斯光束可以形成三维势阱，常被称为形成双光束光阱，是光镊的一种。双光束光阱将微粒束缚于光阱的中心；

顺、逆时针两个方向的激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、双光纤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。在这种透镜组合结构下，顺/逆方向光路散射损耗δ _顺/δ _逆与偏移量x呈反相关关系；顺/逆方向光路散射损耗δ _顺/δ _逆与顺时针方向偏移量y呈正/反相关关系，与逆时针方向偏移量y呈反/正相关关系。具体冷却原理解释如下：

当微球偏移光轴时，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/逆光路的腔内损耗减小，导致掺杂光纤的出光功率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，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；

当微粒沿着腔内顺时针环路偏移时，微粒靠近一侧透镜Ⅰ，远离另一侧透镜Ⅱ。在透镜组合搭建光阱中，顺时针环路的捕获光从透镜Ⅱ出射经过微球后，耦合到透镜Ⅰ的光功率随微球偏离而减小，因此顺时针光路的腔内损耗δ _顺增大，导致掺杂光纤顺时针光路出光功率P减小；而逆时针环路的捕获光从透镜Ⅰ出射经过微球后，耦合到透镜Ⅱ的光功率随微球偏离而增大，逆时针光路的腔内损耗δ _逆减小，导致掺杂光纤逆时针光路出光功率P增大。假设顺时针光路的散射力为F _s1 ，而逆时针光路为F _s2 。顺时针光路出光功率减小导致散射力F _s1 减小，而逆时针光路出光功率增大导致散射力F _s2 增大。两光束的散射力作用使得微粒快速恢复到光轴向稳定位置，实现沿光轴方向冷却；

综合上述两种冷却原理，实现微粒的三维冷却。

本发明的有益效果是：

本发明将光镊结合到光腔中，利用微球三维位置与腔损耗的特性，实现捕获微粒的三维高速自冷却。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为微粒位置变化示意图；

图3为微粒位置变化与损耗的关系图；

图1中对应的元器件为：1为泵浦激光，2为波分复用器，3掺杂光纤，4为Ⅰ号隔离器，5为Ⅱ号隔离器，6为Ⅰ号准直器，7为Ⅱ号准直器，8为Ⅰ号反射镜，9为Ⅱ号反射镜，10为Ⅰ号透镜，11为Ⅱ号透镜，12为微粒，13为照明光源，14为Ⅰ号位置探测器，15为Ⅱ号位置探测器；

图2中对应的元器件为：10为Ⅰ号透镜，11为Ⅱ号透镜，12为微粒；a为微粒产生垂直于光轴方向偏移，b为微粒顺时针沿光轴方向偏移；

图3中图的对应关系为：其中图a为微粒偏移光轴与损耗关系，对应图2中微粒a的变化；图b为微粒沿光轴偏移与损耗关系，对应图2中微粒b的变化。

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，一种基于透镜组合的三维自冷却激光光镊装置，包括泵浦激光1，波分复用器2，掺杂光纤3， 隔离器Ⅰ4和隔离器Ⅱ5，准直器Ⅰ6和准直器Ⅱ7，反射镜Ⅰ8和反射镜Ⅱ9，透镜Ⅰ10和透镜Ⅱ11，微粒12，照明光源13、位置探测器Ⅰ14和位置探测器Ⅱ15，泵浦激光1经过波分复用器2后进入掺杂光纤3，掺杂光纤3中的增益介质得到泵浦激光1的泵浦出射激光。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时针、逆时针两个方向激光光路。顺时针方向的激光经过准直器Ⅰ6和反射镜Ⅰ8后进入透镜Ⅰ10，逆时针方向的激光经过准直器Ⅱ7和反射镜Ⅱ9后进入透镜Ⅱ11，形成双光束光阱，微粒12被捕获于双光束光阱中。捕获光经过微粒12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。辐射光在掺杂光纤3、隔离器Ⅰ4和隔离器Ⅱ5、准直器Ⅰ6和准直器Ⅱ7、反射镜Ⅰ8和反射镜Ⅱ9、透镜Ⅰ10和透镜Ⅱ11、微粒12构成的环形腔，微粒12的前向散射光形成环形腔的散射损耗。照明光源13为微粒提供照明光，位置探测器Ⅰ14和位置探测器Ⅱ15用于探测微粒的位置信号。

如图2所示，分析微粒偏移与损耗的关系。对应图1中的透镜Ⅰ10、透镜Ⅱ11和微粒12。图3为微粒位置变化与损耗的关系图，其中的a图为微粒偏移光轴与顺逆光路损耗关系，图b为微粒沿光轴偏移与顺逆光路损耗关系。图2所示的a和b偏移分别对应图3中图a和图b的“正”偏移。

从图3中a图可以看出，当微粒垂直于光轴偏移时，顺、逆光路的腔内损耗都减小，结合图1中环形光路，腔内损耗减小，引起掺杂光纤3的出光功率增大，最终引起被捕获微粒12受到的梯度力增大。微粒12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。

结合图2和图3中的b图可以看出，当微粒向下偏移时，顺时针光路的腔内损耗增大而逆时针光路的腔内损耗减小。这将会引起顺时针光路出光功率减小，逆时针光路出光功率增大，变化的散射力作用使得微粒快速恢复到光轴向稳定位置，实现冷却。

综合上述两种效应，实现对微粒的三维冷却。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1使其输出合适的功率，调整准直器Ⅰ6和准直器Ⅱ7，反射镜Ⅰ8和反射镜Ⅱ9，透镜Ⅰ10和11形成双光束光阱。使用合适的方法将微粒12装载进入双光束光阱中。调整光源13提供照明光源，使用位置探测器Ⅰ14和位置探测器Ⅱ15高速测量微粒的三维位置情况，统计一段时间内微粒12三维运动情况。与传统闭环捕获相比，本发明中的微粒12三维运动的均方值更小，即微粒冷却效果更好。

Claims (2)

1.一种基于透镜组合的三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，实现三维的自冷却，其特征在于，采用一种基于透镜组合的三维自冷却激光光镊装置实现三维自冷却，

所述装置包括泵浦激光、波分复用器、掺杂光纤、隔离器、准直器、透镜、微粒，其中隔离器、准直器、透镜各有2个，

掺杂光纤（3）、隔离器Ⅰ（4）和隔离器Ⅱ（5）、准直器Ⅰ（6）和准直器Ⅱ（7）、反射镜Ⅰ（8）和反射镜Ⅱ（9）、透镜Ⅰ（10）和透镜Ⅱ（11）、微粒（12）构成的环形腔；激光经过隔离器Ⅰ（4）和隔离器Ⅱ（5）后形成顺时针、逆时针两个方向激光光路；顺时针方向的激光经过准直器Ⅰ（6）和反射镜Ⅰ（8）后进入透镜Ⅰ（10），逆时针方向的激光经过准直器Ⅱ（7）和反射镜Ⅱ（9）后进入透镜Ⅱ（11），形成双光束光阱，微粒（12）被捕获于双光束光阱中；

顺、逆两个方向的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，两束对向传输的激光光束形成三维势阱，被称为双光束光阱，双光束光阱将微粒束缚于光阱的中心；

当微球偏移光轴时，顺/逆时针光路中微粒的遮挡减少，导致前向传递的光功率增大，顺/逆光路的腔内损耗减小，导致掺杂光纤的出光功率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，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；

当微粒沿着腔内顺时针光路偏移时，微粒靠近一侧透镜Ⅰ，远离另一侧透镜Ⅱ，在透镜组合搭建光阱中，顺时针光路的捕获光从透镜Ⅱ出射经过微球后，耦合到透镜Ⅰ的光功率随微球偏离而减小，因此顺时针光路的腔内损耗δ _顺增大，导致掺杂光纤顺时针光路出光功率P减小；而逆时针光路的捕获光从透镜Ⅰ出射经过微球后，耦合到透镜Ⅱ的光功率随微球偏离而增大，逆时针光路的腔内损耗δ _逆减小，导致掺杂光纤逆时针光路出光功率P增大，设顺时针光路的散射力为F _s1 ，而逆时针光路为F _s2 ，顺时针光路出光功率减小导致散射力F _s1 减小，而逆时针光路出光功率增大导致散射力F _s2 增大，两光束的散射力作用使得微粒快速恢复到光轴向稳定位置，实现沿光轴方向冷却；

综合上述两种冷却，实现微粒的三维冷却。

2.根据权利要求1所述的一种基于透镜组合的三维自冷却激光光镊方法，其特征在于，所述顺时针、逆时针两个方向的激光照射在微粒时形成散射光，散射光包括：前向散射光、侧向散射光和后向散射光。