CN109920575B - 一种基于二维光阱的自冷却激光光镊装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于二维光阱的自冷却激光光镊装置和方法。本发明将光镊结合到光腔中，利用椭球微粒位置与腔损耗的特性，实现捕获椭球微粒的高速自冷却。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

一种基于二维光阱的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二维光阱的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。使用透镜组合实现沿捕获光轴方向的冷却，但是这种冷却方法结构较为复杂，体积较大不便于小型化。

将光镊技术结合到光纤激光器中，使用椭球微粒与光纤激光器形成损耗腔，使用双光阱捕获椭球微粒使其短轴接入损耗腔，利用椭球微粒短轴方向的散射特性与损耗的特定关系，可以实现沿捕获光轴方向的“自冷却”。使用双光阱将光镊结合到环形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

为克服现有冷却体积庞大的不足，本发明提出了一种基于二维光阱的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。本发明具有易于小型化、实用效果强、成本低廉等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于二维光阱的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、双光阱、激光器、分束器、微粒和位置探测器，其中激光器和分束器构成“主捕获环路”，掺杂光纤、隔离器、双光阱和微粒形成环形腔，为“自冷却环路”，其中主捕获环路与自冷却环路在捕获室中相互垂直。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自冷却环路中。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，自冷却环路中形成波长不同方向相反的顺、逆两个方向激光，称为“顺时针光路”和“逆时针光路”。

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：

，

，

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、逆方向的高斯激光束对向传输可以形成光学势阱，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。主捕获环路和自冷却环路分别构成独立的双光束光阱，这种光阱结构称为“二维光阱”。

在上述二维光阱中存在两个相互垂直的双光束光阱，已知双光束光阱中的椭球长轴沿光轴时力矩为零。设定主捕获光路的光功率较大，以实现沿着长轴方向捕获微粒。而自冷却光路的光功率较小，沿着短轴捕获微粒。主捕获光路的光功率为固定值，而自冷却光路捕获光功率随微粒移动而变化。

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，掺杂光纤、隔离器、二维光阱和椭球微粒形成环形腔，椭球微粒的前向散射光形成环形腔的散射损耗。设椭球沿着主捕获环路方向的偏移量为x，沿着自冷却环路方向的偏移量为y。顺时针光路散射损耗δ _顺和逆时针光路散射损耗δ _逆都与椭球微粒偏移量x呈反相关关系；顺时针光路的散射损耗δ _顺与顺时针方向偏移量y呈正相关关系；逆时针光路的散射损耗δ _逆与顺时针方向偏移量y呈反相关关系。具体冷却原理解释如下：

当微球偏移自冷却环路光阱的光轴时，顺时针和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，顺时针和逆时针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，实现垂直于自冷却光路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，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自冷却光路光轴向稳定位置，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，利用椭球微粒位置与腔损耗的特性，实现捕获椭球微粒的高速自冷却。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为椭球微粒偏移示意图；

图3 为椭球微粒偏移与损耗关系图；

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1号隔离器，5为2号隔离器，6为激光器，7为分束器，8为双光阱，9为椭球椭球微粒，10为位置探测器，a、 b、c、d为双光阱8中的四根光纤；

图2中对应的元器件为：1为微粒垂直于顺（逆）光轴偏移，2为微粒沿顺（逆）光轴偏移；

图3的对应关系为：1为微粒偏移光轴与损耗关系，对应图2中微粒1的变化；2为微粒沿光轴偏移与损耗关系，对应图2中微粒2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，一种基于二维光阱的自冷却激光光镊装置，由泵浦激光1，波分复用器2，掺杂光纤3， 隔离器4和5，激光器6，分束器7，双光阱8，椭球椭球微粒9，位置探测器10组成。激光器6出射的激光经过分束器7后从a和c端进入二维光阱8，构成双光束光阱沿着长轴方向捕获椭球微粒9。激光器6、分束器7、二维光阱8和a和c端构成主捕获环路，主捕获环路功率较大，使得微粒9的长轴沿a-c方向。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4和5后形成波长不同的顺、逆时针两个方向激光光路。顺、逆两个方向的激光从b和d端进入二维光阱8形成双光束光阱沿短轴方向捕获微粒9。捕获光经过微粒9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3、隔离器4和5、二维光阱8的b和d端构成的环形腔，微粒9的前向散射光形成环形腔的散射损耗。位置探测器10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。图3为微粒位置变化与损耗的关系图，其中的1为微粒偏移光轴与顺逆光路损耗关系，2为微粒沿光轴偏移与顺逆光路损耗关系。图2所示的1和2偏移分别对应图3中1和2的“正”偏移；

从图3中1号图可以看出，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9受到的梯度力增大。微粒9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2号图可以看出，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。打开激光器6使其输出较大功率，调整，调整双光阱8的a和c端对准形成双光束光阱。打开泵浦激光1使其输出合适的功率，调整双光阱8的b和d端对准形成双光束光阱。调整泵浦光1和激光器6的功率使得a、c端的光功率大于b、d端的光功率。使用合适的方法将椭球微粒9装载进入双光束光阱中，可以发现椭球椭球微粒的长轴端沿着a、c端光阱的方向。使用位置探测器10高速测量椭球微粒的位置情况，统计一段时间内椭球微粒9的b、d方向运动情况。与传统闭环捕获相比，本发明中的椭球微粒9运动的均方值更小，即椭球微粒冷却效果更好。

Claims (4)

1.一种基于二维光阱的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三维的自冷却，其特征在于，采用一种基于双光阱的自冷却激光光镊装置，该装置包括泵浦激光、波分复用器、掺杂光纤、隔离器、双光阱、激光器、分束器、微粒和位置探测器，其中激光器和分束器构成主捕获环路，

掺杂光纤、隔离器、双光阱和微粒形成自冷却环路，掺杂光纤一端连接波分复用器, 波分复用器另一端连接隔离器Ⅰ（4）一端，隔离器Ⅰ（4）另一端接入到双光阱的b光纤；掺杂光纤另一端连接隔离器Ⅱ（5）一端，隔离器Ⅱ（5）另一端接入到双光阱的d光纤；泵浦激光设置在波分复用器之前，位置探测器设置在双光阱外部；

其中主捕获环路与自冷却环路在捕获室中相互垂直；

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，自冷却环路中形成波长不同方向相反的顺、逆两个方向激光，称为顺时针光路和逆时针光路；

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：

，

，

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、逆方向的激光束对向传输形成光学势阱，被称为双光束光阱，双光束光阱将微粒束缚于光阱的中心，主捕获环路和自冷却环路分别构成独立的双光束光阱，这种光阱结构称为二维光阱；

顺、逆时针两个方向的激光照射在微粒时形成散射光，冷却过程如下：

①当微球偏移自冷却环路光阱的光轴时，顺时针光路和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，顺时针光路和逆时针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，实现垂直于自冷却光路光轴方向的二维自冷却；

②当微粒沿着腔内顺时针环路偏移时，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自冷却光路光轴向稳定位置，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所述的一种基于二维光阱的自冷却激光光镊方法，其特征在于，所述散射光包括：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。

3.根据权利要求1所述的一种基于二维光阱的自冷却激光光镊方法，其特征在于，所述的泵浦激光用于泵浦掺杂光纤提供增益。

4.根据权利要求1所述的一种基于二维光阱的自冷却激光光镊方法，其特征在于，所述的波分复用器用于耦合泵浦激光到掺杂光纤光路中。

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