CN111028974B - 新型阵列涡旋光束对微观粒子分级筛选的方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了新型阵列涡旋光束对微观粒子分级筛选的方法及系统，系统将激光器产生的激光束经匀光板得到一束均匀的等强度光束，再通过透镜组将均匀光束准直扩束，扩束后的均匀光束垂直入射光孔阵列板上，得到等强度均匀光阵列，通过光孔出射后的等强度的均匀光阵列入射到由螺旋相位板排布成M行L列的阵列板上，通过差异化设置每列的SPP的高度，得到在不同列位置上具有不同拓扑荷值的出射涡旋光阵列，最后通过透镜阵列，聚焦在远场，得到聚焦涡旋光束阵列的夫琅禾费衍射场，把微流体室放在聚焦涡旋光束阵列的夫琅禾费衍射场范围内。由于在各列位置的涡旋光束具有不同的拓扑荷，因此可根据涡旋光束光场力的差异，对微流体室中微观粒子进行分级筛选。

Description

新型阵列涡旋光束对微观粒子分级筛选的方法及系统

技术领域

本发明涉及一种新型阵列涡旋光束对微观粒子分级筛选的方法及系统,可用于多个微观粒子的同时俘获和分级筛选。

背景技术

涡旋光束也称为“暗中空光束”，是一种光强呈梯度分布的非均匀光束，作用于介质微粒时，粒子会受到指向光强较强处的力，称之为梯度力，效果为拉力，使粒子被俘获在光聚焦点附近，即在焦点附近形成束缚粒子的势阱，被形象地称为光阱或光镊。由于暗中空光束具有较高的囚禁力，较低的光学损伤和自旋与轨道角动量等优点，故采用聚焦的暗中空光束作为“光学镊子”与“光学扳手”对微观粒子比如柔软的生物细胞进行囚禁和操控，可以避免对生物细胞的破坏。

螺旋相位板(SPP,SpiraL Phase PLate)是一种相位沿极角

连续变化的新型的滤波器，能实现较高的涡旋光束转换效率，对任何波长的激光束都适应。入射平面波穿过SPP后产生的涡旋光束是一种具有相位奇点、螺旋型波前和确定轨道动量的特殊光场，随着SPP高度的增加，涡旋光束的亮环半径增大，同时空心区域面积变大，涡旋特性表现得越为明显，这些特性使SPP在光学微操作领域具有十分重要的潜在价值。

单光镊技术已经应用的非常广泛，但是只能实现对单个粒子的操纵，灵活度不高，阵列光镊则可以同时操纵多个微粒，实现操纵的多样化，由涡旋光束组成的光涡旋阵列能够高效的进行大规模分子筛选，可以同时俘获和观察多个粒子，与单涡旋相比可以大大提高工作效率，符合多个甚至大量微粒进行俘获、操作和观察的应用需求。目前光涡旋阵列产生的方法有平面波干涉法、空间光调制法、光契衍射法等，但是这些方法存在以下问题：光路系统复杂，需要的光学元件或者仪器价格昂贵，或者需要借助计算机进行调制，不能做到便携化。

因此，本发明提出一种利用SPP加工简单，体积小，便携化，转换效率高，高度可以通过角相等分形式降低等优点构造一种新型的SPP阵列(SPP_MxL)，作为新型光镊，搭建简单的光路系统，用以控制微观粒子，同时俘获多个微粒，实现对微观粒子的分级筛选。

发明内容

本发明的目的在于提供一种新型阵列涡旋光束对微观粒子分级筛选的方法及系统，其采用SPP构成阵列，产生的光学涡旋阵列能够高效的进行大规模微观粒子筛选，可以满足同时俘获和观察多个粒子的应用需求。

为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：一种新型阵列涡旋光束对微观粒子分级筛选的方法，该方法中搭建光路的系统包括激光器、准直扩束透镜组、光孔阵列板、SPP阵列板、透镜阵列，以及用于光学俘获的微流体室，所述方法包括如下步骤：

步骤1，利用激光器产生的激光束通过匀光板得到一束均匀的平面波，再通过准直扩束透镜组进行扩束，得到一束直径为D的均匀光束，将扩束后直径为D的均匀平面波垂直照射到光孔阵列板，被分为多束均匀光束阵列；

步骤2，将步骤1得到均匀光束阵列垂直投射到SPP阵列板，经过M×L排布的SPP调制后生成M×L阵列涡旋光束，阵列板上M×L所在位置的SPP(SPP_M×L)的高度满足h₁＞h₂＞h₃＞...h_L，其中，M为SPP的行数，L为SPP的列数(例：SPP_3×4，代表SPP阵列的排布方式是3行4列)，即SPP的高度目随着排布的列数逐渐减小；

步骤3，将步骤2得到的涡旋光束阵列通过透镜阵列聚焦到远场，得到涡旋光阵列的夫琅禾费衍射光场；

步骤4，将聚焦后的阵列涡旋光束照射到微流体室，涡旋光阵列中由于SPP所产生具有不同拓扑结构的光学涡旋会产生半径不同的暗中空结构的聚焦环带，同时具备不同的俘获能力，可以实现对不同尺寸范围微粒的俘获，微流体室采用管道结构，微流管道的宽度依据每一列聚焦涡旋光束光斑直径大小进行设计，高度依据每一列聚焦涡旋光束俘获光阱的范围(-z_trap，+z_trap)进行设计，使得聚焦涡旋光束在夫琅禾费场内俘获微粒的尺寸范围更加精确；

步骤5，通过差异化设置每列的SPP的高度，得到在不同位置上具有不同拓扑荷值的出射涡旋光阵列，含有微观粒子的溶液以一定的流速依次经过第1列、第2列……第L列俘获区域，在涡旋光阵列的夫琅禾费衍射光场中，设计第1列SPP的高度在阵列中最高，光束照射第一列高度最高的SPP后所产生的涡旋光的光强最小，故第一列各单元的涡旋光的光场力相对较弱，但此时涡旋光的空心区域面积较大，相对来说，俘获的微粒尺寸也会较大，故液体经过第一列聚焦的涡旋光束时，满足光阱力能够克服微粒所受到的粘滞阻力的条件下，首先被俘获的是尺寸较大的粒子，由于光场力相对较弱，所以俘获到粒子的范围会较小，设最先被俘获的微观粒子半径范围为a_m1～a_n1，此范围内的最小粒子的半径记为A₁，除此范围之外的粒子，即第一列聚焦涡旋光束不能俘获到的粒子会随着液体流向第二列聚焦涡旋光阱的俘获区域，第2、3、......L列SPP高度满足h₁>h₂>h₃>...h_L，以此类推，设第二列聚焦涡旋光束俘获的微观粒子半径范围为a_m2～a_n2，记此范围内的最小粒子的半径记为A₂，第L次俘获的微观粒子半径范围为a_mL～a_nL，此范围内的最小粒子的半径记为A_L，这L列所俘获的最小粒子半径满足A₁>A₂...>A_L，即高度相对较高的SPP衍射出的涡旋光束，通过聚焦之后俘获到的粒子的尺寸大于高度较小的SPP衍射涡旋光所俘获的粒子尺寸，进而可以对粒子实现不同尺寸范围的分级筛选；

步骤6，利用CCD成像系统记录基于SPP阵列法的阵列涡旋光束根据各单元涡旋光束俘获能力的不同，分级俘获筛选不同尺寸范围的微粒的过程。

在步骤2中，把获得的均匀光束阵列垂直投射到SPP阵列，SPP_MxL出射的阵列涡旋光束通过对应位置的透镜阵列，把各列各单元SPP产生的涡旋光束聚焦在远场，形成光场独立的涡旋光束，由于各列各单元SPP的入射光束一致，均匀照明条件下，通过各列相位板函数在经过透镜阵列在焦平面上形成的夫琅和费衍射场为：

式中，

l_L为SPP产生涡旋光涡旋分量的的拓扑荷，为整数变化，L表示SPP所在的第L列，(ρ,φ,z)是焦平面的坐标，r_L为SPP半径，那么，

故根据所需的拓扑荷可加工相应高度的SPP。

根据文献“Diffraction of a plane,finite-radius wave by a spiral phaseplate”以及参考贝塞尔积分公式，简化后得：

把聚焦的涡旋光束照射到微流体室，各列涡旋光束所产生的光强可表示为：

其中，n_m为周围介质折射率，ε₀为真空介电常数，c为光在真空中的传播速率，其中L＝1,2,3...，表示第L列聚焦涡旋光束。则SPP_MxL出射的涡旋光束聚焦后的中的衍射场可以描述为：

第1列SPP的高度统一为h₁，其余参数不变，对应的拓扑荷值记为l₁，均匀平面波通过第一列SPP再经过透镜阵列形成的光场场强记为

那么相应的涡旋光光强记为

可根据需要设计各列SPP的参数，本发明以同一列SPP参数一致，不同列SPP参数不同为例。

以此类推，第L列SPP的高度统一为h_L，其余参数不变，对应拓扑荷值记为l_L，均匀平面波通过第L列SPP再经过透镜阵列形成的光场场强记为

涡旋光光强为

以瑞利粒子为例，根据文献“Observation of a single-beam gradient forceoptical trap for dielectric particles”.Opt.Lett.,voL.11,pp.288–290,1986”，光束对微观粒子的俘获力公式为：

散射力：

梯度力：

其中，c为光在真空中的传播速率，

是沿着光传播方向上的单位矢量，λ只是光在介质中传播的波长且只与入射光波波长λ₀的关系是λ＝λ₀/n_m,n_r＝n_p/n_m是相对折射率(n_p是微观粒子的折射率)。把计算得到各列聚焦涡旋光束的光场强度分别带入上式，会得到各列俘获粒子的光场力，在瑞利近似情况下，为了能够稳定的俘获微粒，需要满足轴向梯度力F_{grad_z}必须大于散射力F_Scat，以及横向梯度力F_{grad_ρ}必须克服粒子受到溶液的粘滞阻力，粘滞阻力公式为：

F_drag＝6πηνa (6)

其中，a是微粒的半径，η溶液流动粘度，ν是粒子流动的速度。那么，不同列SPP的高度不同，所产生的涡旋光的拓扑荷不同，根据夫琅禾费传输公式(5)、(6)得到的涡旋光的光场光强不同，假设I₁＜I₂＜I₃＜...I_L，L＝1,2,3...，由俘获力公式(7)、(8)可知，当光强增大时粒子所受到的散射力、梯度力依次增大，因此涡旋光的暗中空面积减小，可以增大对尺寸较小粒子的束缚能力，那么俘获粒子的范围也会从第1列到第L列逐级减小，根据俘获微粒范围的减小，每一列俘获到的粒子的参数就不同，比如光阱力最小的一列涡旋光束，其暗中空区域的面积最大，所能俘获到的粒子尺寸会更大，但是俘获粒子的范围最小。

本发明提出的一种新型阵列涡旋光束对微观粒子分级筛选的方法中，入射光束通过匀光板之后得到一束光场近似均匀的平面波，波长为λ，通过光孔阵列后被分成多束光束，在各个光孔小范围内可以近似阵列均匀光束场强一致，故可以认为SPP_MxL上的每个SPP的入射光束的场强是相同的，不同列SSP的高度为h_L，则

其中，h_0L为SPP的基高，SPP为一个高度h_L与相对于板中心的旋转方位角

的透明螺旋相位板，拓扑荷为l_L，h_0L取0，

为2π时，拓扑荷与高度h_L的关系为

制作SPP材料折射率一定的情况下，不同高度的SPP会使所透射的光束拓扑荷值不同，会致所透射的光束光强不同，那么微观粒子在不同光强下所受到的光场力也就不同。

本发明提出的一种新型阵列涡旋光束对微观粒子分级筛选的方法中，所述光孔阵列板为只允许光孔透光的板，每个光孔的直径均为d_K，其板置于SPP阵列板之前，光孔的位置与各单元SPP的位置一一对应，光孔的个数与SPP阵列板的SPP个数相同，同为M行L列，与扩束后均匀平面波直径D满足关系：(M+L)d_k<D，作用是使准直扩束后的均匀光束能够完全照射光孔阵列板，避免由于光孔直径过大或者光孔的个数太多导致扩束后的均匀光束不能完全覆盖光孔阵列板。

本发明提出的一种新型阵列涡旋光束对微观粒子分级筛选的方法中，在制作SPP阵列板时，M行L列的每个SPP直径均为d_L，与光孔直径d_K两者满足关系d_K＝d_L，各单元SPP的位置与光孔的位置一一对应，SPP阵列板中SPP的个数、阵列方式以及直径大小可根据光孔阵列形式的需要进行设计。

一种新型阵列涡旋光束对微观粒子分级筛选的系统，其包括依次布置的激光器1、匀光板2、准直扩束透镜组3、光孔阵列板4、SPP阵列板5、透镜阵列6、微流体室7。

本发明提出的一种新型阵列涡旋光束对微观粒子分级筛选的系统中，所述激光器1、匀光板2、准直扩束透镜组3、光孔阵列板4、SPP阵列板5、透镜阵列6、微流体室7自上而下依次安装。

与现有技术相比，本发明的优点为：本方法及系统光路结构简单，在满足入射光束全覆盖阵列的条件下，SPP_MxL阵列分布的结构、阵列中SPP的数目、大小以及之间的距离都可以根据需要进行设计，其中微流体室采用管道结构，管道的宽度与高度根据各列涡旋光光阱俘获粒子的范围设计。目前螺旋相位板有成熟的加工技术，利用双光子光刻技术可加工精度极高的SPP，故此方法及系统有很强的可行性。

附图说明

图1为本发明实施例中的一种新型阵列涡旋光束对微观粒子分级筛选的系统示意图。

图2为SPP阵列板示意图。

图3为透镜阵列示意图。

图4为微流体室示意图。

图5为理论模拟SPP_MxL法阵列涡旋光束辐射力随SPP高度的变化图。

图6为理论模拟SPP_4x4(4X4)夫琅禾费场内辐射力随SPP高度对粒子的纵向俘获范围变化图，其中，(a)第一列SPP高度为h₁＝4.8016um出射的聚焦涡旋光光场力对粒子的俘获范围；(b)第二列SPP高度为h₂＝3.6001um出射的聚焦涡旋光光场力对粒子的俘获范围；(c)第三列SPP高度为h₃＝2.4009um出射的聚焦涡旋光光场力对粒子的俘获范围；(d)第四列SPP高度为h₄＝1.2004um出射的聚焦涡旋光光场力对粒子的俘获范围。

图7为理论模拟SPP_4x4(4X4)夫琅禾费场内辐射力随SPP高度对粒子的横向俘获范围变化图。其中，(a)第一列SPP高度为h₁＝4.8016um出射的聚焦涡旋光光场力对粒子的俘获范围；(b)第二列SPP高度为h₂＝3.6001um出射的聚焦涡旋光光场力对粒子的俘获范围；(c)第三列SPP高度为h₃＝2.4009um出射的聚焦涡旋光光场力对粒子的俘获范围；(d)第四列SPP高度为h₄＝1.2004um出射的聚焦涡旋光光场力对粒子的俘获范围。

具体实施方式

下面将结合示意图对本发明所采用的技术方案作进一步的说明。

本发明的第一实施方式提供了一种新型阵列涡旋光束对微观粒子分级筛选的系统(以下简称“该系统”)，参见图1，其包括自上而下依次布置的激光器1、匀光板2、准直扩束透镜组3、光孔阵列板4、SPP阵列板5、透镜阵列6、微流体室7。

图2为SPP阵列板示意图，该图中可以看出，SPP阵列板(SPP_MxL)各列SPP的高度满足h₁>h₂>h₃>...h_L，即SPP的高度目随着排布的列数逐渐降低，在制作SPP阵列板时，M×L的每个SPP直径均为d_L，与光孔直径d_K两者满足关系d_K＝d_L，其作用是使通过光孔的每一束均匀光能够覆盖对应位置SPP_MxL的每一个SPP。SPP_MxL的各列SPP的高度为h₁、h₂、h₃、...h_L，可以根据需要设计SPP的个数、阵列方式、大小以及相关高度。

图3为透镜阵列示意图，透镜阵列根据SPP_MxL每个SPP的所在位置，以及出射光的光斑大小，利用光刻等微细加工技术，加工得到相应的透镜阵列，置于SPP_MxL之后，聚焦SPP调制后的涡旋光束，利用聚焦空心光束的传播性质，对微流体室中的微观粒子进行俘获，达到分级筛选的目的。

图4为微流体室示意图，微流体室根据每列聚焦暗中空光束的径向分布特征，设计微流体室管道的宽度，同样根据每列聚焦暗中空光束光斑大小设计微流体管道的宽度，即各列SPP产生的涡旋光对粒子俘获的光场条件不同所对应液体经过的管道尺寸范围不同，其目的是充分利用不同列具备不同光学力的涡旋光俘获不同尺寸范围的粒子，使俘获粒子的尺寸范围范围更加精确，发挥分级筛选的作用。在图4中，SPP高度为h₁聚焦涡旋光束对应的微流体室的俘获区域记为L₁，SPP高度为h₂聚焦涡旋光束对应的微流体室的俘获区域记为L₂，以此类推。

光孔阵列板设计为只允许光孔透光的板，即光孔之外的部分不透光，每个光孔的直径记为d_K，其板置于SPP_MxL之前，光孔的位置与各单元SPP的位置一一对应，光孔的个数与SPP_MxL的SPP个数相等，其作用是使需要的光束从光孔中通过，不需要的光束被光孔周围的不透光板遮住，与扩束后均匀平面波直径D满足关系：(M+L)d_k<D，作用是使准直扩束后的均匀光束能够完全照射光孔阵列板。避免由于光孔直径过大或者光孔的个数太多导致扩束后的均匀光束不能完全覆盖光孔阵列板。

本实施例中M×L＝4×4。

本发明的第二实施方式提供了一种新型阵列涡旋光束对微观粒子分级筛选的方法，其可以利用第一实施方式中提出的一种新型阵列涡旋光束对微观粒子分级筛选的系统，下面对一种新型阵列涡旋光束对微观粒子分级筛选的方法进行详细说明：

步骤1,将如图1激光器1产生一束平面波，经过匀光板2得到一束近似均匀的光束，再经过准直扩束透镜组3对其进行准直扩束，得到一束直径较大的均匀光束，通过如图1所示的光孔阵列板4，被分为光强一致的均匀光束阵列。

步骤2，将步骤1得到的均匀光束阵列经过如图2所示的SPP阵列板5(SPP_MxL)，经过M×L(4×4)排布的SPP调制后生成涡旋光束阵列。

步骤3，将步骤2得到的涡旋光束阵列通过对应位置的如图3所示的透镜阵列6，把每一个SPP产生的涡旋光束聚焦在远场，形成光场独立的涡旋光束，这些涡旋光束按照SPP的排布组成聚焦的光涡旋阵列。

步骤4，将聚焦后的阵列涡旋光束照射到如图4所示的微流体室7，由于在各列位置的SPP高度不同，各列出射的涡旋光束所具备的拓扑荷不同，即具备不同的光场力，因此可以根据涡旋光束光场力的差异，对微流体室中微观粒子进行不同尺寸范围的俘获。结合图4、图5、图6可知，以1-200nm范围内的粒子为例，将含有1-200nm粒子的溶液以5um/s的速度缓缓的从A口注入，依次流过图4所示的俘获区域(L₁，L₂，L₃，L₄)，最后从B缓慢口流出。首先流经俘获能力相对最弱(俘获粒子半径范围最小)的区域L₁，流经区域由弱到强，最后流经俘获能力相对最强(俘获粒子半径范围最大)的区域L₁，实现根据粒子不同半径范围的分级筛选。根据理论仿真结果，以及图6、图7可知，图4中的俘获区域L₁可稳定俘获半径139.3nm-200nm范围内的粒子，俘获区域L₂可稳定俘获124.4nm-139.3nm范围内的粒子，俘获区域L₃可稳定俘获108.5nm-124.4nm范围内的粒子，俘获区域L₄可稳定俘获88.6nm-108.5nm范围内的粒子，进而实现对不同尺寸范围的粒子进行分级筛选。从理论仿真的结果可知，SPP的高度逐渐较小，但其衍射的涡旋光的光强逐渐增大，光学势阱减小，很难俘获尺寸较大的粒子，所以俘获到粒子的尺寸越来越小，符合理论研究结果。

步骤5，用CCD成像系统记录SPP法的阵列涡旋光束同时俘获不同尺寸范围的微粒的过程。

图5为本发明在软件模拟下法阵列涡旋光束产生的光场力随阵列中SPP高度的变化图。

图6为理论模拟4×4排布的夫琅禾费场内辐射力纵向俘获粒子范围(纵向俘获条件：F_{grad_z}＞F_scat)，(a)、(b)、(c)、(d)满足纵向俘获条件下，高度分别为h₁＝4.8016um、h₂＝3.6001um、h₃＝2.4009um、h₄＝1.2004um的SPP所产生涡旋光束的微粒纵向俘获范围均为1nm-200nm。

图7为理论模拟4×4排布的夫琅禾费场内横向俘获粒子范围(在已满足纵向俘获的条件下，需要满足横向俘获条件：

(a)中h₁＝4.8016um，ratio₄＞1的微粒范围为139.3nm-200nm；(b)中h₂＝3.6001um，ratio₃＞1的微粒范围为124.4nm-200nm；(c)中h₃＝2.4009um，ratio₂＞1的微粒范围为108.5nm-200nm；(D)中h₄＝1.2004um，ratio₁＞1的微粒范围为88.6nm-200nm。从图7可以看出涡旋光束在横向上很难俘获尺寸小于88.6nm的粒子，故不满足三维稳定俘获条件。

图6、图7为本发明在软件模拟下SPP阵列(SPP_4x4(4X4))生成涡旋光的夫琅禾费场内辐射力随SPP高度对粒子的俘获范围变化图。理论仿真中，设置主要参数为：透镜阵列的焦距为f＝50mm，SPP_4x4(4X4)阵列中的SPP半径统一设置为r_L＝0.7mm，微流体内的溶液粘滞系数为η＝0.801厘泊，液体的流动速度为5μm/s。根据图6、图7，对于1-200nm半径范围内的粒子，本方案的所有分级筛选区域(L₁，L₂，L₃，L₄)全部满足轴向俘获条件(梯度力大于散射力F_{grad_z}＞F_scat)，却不全部满足横向俘获条件(横向梯度力大于溶液对粒子的粘滞阻力F_{grad_ρ}＞F_drag)，L₁，L₂，L₃，L₄分别在粒子为不同的更小半径范围(见步骤4)下各自满足横向俘获条件。可以通过横向俘获条件的差异，按照粒子半径的不同进行分级筛选。

综上所述，本发明提供一种对微观粒子分级筛选的新型涡旋光阵列系统(也称之为“一种新型阵列涡旋光束对微观粒子分级筛选的系统”)，其利用SPP转换效率高，体积小，有高精度的加工技术，并且SPP的高度可以通过角相等分形式降低，对任意波长的激光束都适应等优点，构造SPP阵列，通过SPP阵列产生涡旋光阵列，利用涡旋光的特殊性俘获微粒，进而实现操纵的多样化，可以同时俘获和观察多个粒子，与单涡旋光束相比可以大大提高工作效率，符合多个甚至大量微粒进行俘获、操作和观察的应用需求，其设备简单，光学元件价格低廉，有很强的可行性。

上述仅为本发明的优选实施例而已，并不对本发明起到任何限制作用。任何所属技术领域的技术人员，在不脱离本发明的技术方案的范围内，对本发明揭露的技术方案和技术内容做任何形式的等同替换或修改等变动，均属未脱离本发明的技术方案的内容，仍属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种新型阵列涡旋光束对微观粒子分级筛选的方法，其特征在于，该方法中搭建光路的系统包括激光器、准直扩束透镜组、光孔阵列板、SPP阵列板、透镜阵列，以及用于光学俘获的微流体室，所述方法包括如下步骤：

步骤1，利用激光器产生的激光束通过匀光板得到一束均匀的平面波，再通过准直扩束透镜组进行扩束，得到一束直径为D的均匀光束，将扩束后直径为D的均匀平面波直照射到光孔阵列板，被分为多束均匀光束阵列；

步骤2，将步骤1得到均匀光束阵列垂直投射到SPP阵列板，经过M×L排布的SPP调制后生成M×L阵列涡旋光束，阵列板上M×L所在位置的SPP的高度满足h ₁ ＞h ₂ ＞h ₃ ＞...h _L ，其中，M为SPP的行数，L为SPP的列数；

步骤3，将步骤2得到的涡旋光束阵列通过透镜阵列聚焦到远场，得到涡旋光阵列的夫琅禾费衍射光场；

步骤4，将聚焦后的阵列涡旋光束照射到微流体室，微流体室采用管道结构，微流管道的宽度依据每一列聚焦涡旋光束光斑直径大小进行设计，高度依据每一列聚焦涡旋光束俘获光阱的范围（-z _trap ，+z _trap ）进行设计，使得聚焦涡旋光束在夫琅禾费场内俘获微粒的尺寸范围更加精确；

步骤5，通过差异化设置每列的SPP的高度，得到在不同位置上具有不同拓扑荷值的出射涡旋光阵列，含有微观粒子的溶液以一定的流速依次经过第1列、第2列……第L列俘获区域，在涡旋光阵列的夫琅禾费衍射光场中，设计第1列SPP的高度在阵列中最高，光束照射第一列高度最高的SPP后所产生的涡旋光的光强最小，故第一列各单元的涡旋光的光场力相对较弱，但此时涡旋光的空心区域面积较大，相对来说，俘获的微粒尺寸也会较大，故液体经过第一列聚焦的涡旋光束时，满足光阱力能够克服微粒所受到的粘滞阻力的条件下，首先被俘获的是尺寸较大的粒子，由于光场力相对较弱，所以俘获到粒子的范围会较小，设最先被俘获的微观粒子半径范围为a _m1 ～a _n1 ，此范围内的最小粒子的半径记为A ₁ ，除此范围之外的粒子，即第一列聚焦涡旋光束不能俘获到的粒子会随着液体流向第二列聚焦涡旋光阱的俘获区域，第2、3、......L列SPP高度满足h ₁ >h ₂ >h ₃ >...h _L ，以此类推，设第二列聚焦涡旋光束俘获的微观粒子半径范围为a _m2 ～a _n2 ，记此范围内的最小粒子的半径记为A ₂ ，第L次俘获的微观粒子半径范围为a _mL ～a _nL ，此范围内的最小粒子的半径记为A _L ，这L列所俘获的最小粒子半径满足A ₁ >A ₂ ...>A _L ，即高度相对较高的SPP衍射出的涡旋光束，通过聚焦之后俘获到的粒子的尺寸大于高度较小的SPP衍射涡旋光所俘获的粒子尺寸，进而可以对粒子实现不同尺寸范围的分级筛选；

步骤6，利用CCD成像系统记录基于SPP阵列法的阵列涡旋光束根据各单元涡旋光束俘获能力的不同，分级俘获筛选不同尺寸范围的微粒的过程。

2.根据权利要求1所述的新型阵列涡旋光束对微观粒子分级筛选的方法，其特征在于，不同列SSP的高度为h _L ，则，其中，h _0L 为SPP的基高，SPP为一个高度h _L 与相对于板中心的旋转方位角的透明螺旋相位板，拓扑荷为，h _0L 取0，为2π时，拓扑荷与高度h _L 的关系为。

3.根据权利要求1所述的新型阵列涡旋光束对微观粒子分级筛选的方法，其特征在于，所述光孔阵列板为只允许光孔透光的板，每个光孔的直径为，其板置于SPP阵列板之前，光孔的位置与各单元SPP的位置一一对应，光孔的个数与SPP阵列板的SPP个数相同，同为M行L列，与扩束后均匀平面波直径D满足关系：（M+L）d _k <D，目的是使准直扩束后的均匀光束能够完全照射光孔阵列板，避免由于光孔直径过大或者光孔的个数太多导致扩束后的均匀光束不能完全覆盖光孔阵列板。

4.根据权利要求1所述的新型阵列涡旋光束对微观粒子分级筛选的方法，其特征在于，在制作SPP阵列板时，M行L列的每个SPP直径均为，与光孔直径两者满足关系，各单元SPP的位置与光孔的位置一一对应，SPP阵列板中SPP的个数、阵列方式以及直径大小可根据光孔阵列形式的需要进行设计。

5.一种新型阵列涡旋光束对微观粒子分级筛选的系统，其特征在于，其包括依次布置的激光器、匀光板、准直扩束透镜组、光孔阵列板、SPP阵列板、透镜阵列、微流体室，该系统按照权利要求1-4任意一项所述的方法对微观粒子进行分级筛选。

6.根据权利要求5所述的一种新型阵列涡旋光束对微观粒子分级筛选的系统，其特征在于，所述激光器、匀光板、准直扩束透镜组、光孔阵列板、SPP阵列板、透镜阵列、微流体室自上而下依次安装。

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