CN111175969B - 一种基于涡旋对光束的光镊系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种基于涡旋对光束的光镊系统，包括按光路设置的激光器、准直扩束系统、空间光调制器、共焦缩束系统、样品台和观测单元，所述的空间光调制器实时连续加载不同的涡旋对光束相位图，利用单一涡旋对光束对微粒实时操控和旋转。该光镊系统可以实现两个微粒在平面内任意位置的精准调控和定位，以及棒状微粒平面内任意可控的旋转操作，这使得该光镊系统的应用对象更加丰富，有效解决了现有光镊系统对棒状微粒难控制以及精准定向旋转的问题。

Description

一种基于涡旋对光束的光镊系统

技术领域

本发明涉及光学技术领域，具体涉及一种基于涡旋对光束的光镊系统。

背景技术

光镊技术是利用一束强聚焦的激光光束作为光源，激光照射到粒子上时，激光会产生作用于粒子上的辐射力，从而捕获和操纵微粒的一项技术。其原理比较简单，就是把一束激光高度聚焦作为光镊的光源，聚焦后的光束就会通过形成的势阱把微粒捕获，也可以操控粒子实现转动等操作。和众多的微操纵技术相比，例如原子力显微镜、扫描探针显微镜等等，光镊的优势还是很突出。特别是光镊操控微粒时无需与微粒接触，这样可以避免对微粒造成伤害，这种优势在生物医学等领域更加突出。

最初的光学操纵是利用基模高斯光束的梯度力实现。随着一些新型的结构光场的出现，这些新的结构光场也被利用到光学捕获操作。最典型的就是拉盖尔高斯光束的涡旋光束。利用涡旋光束作为光镊时，由于涡旋光束在传输的过程中携带有轨道角动量，将涡旋光束强聚焦后照射粒子，会和粒子之间发生角动量和动量的交换和传递，从力的角度来分析就是光束给微粒施加了一个力，从而能够控制操控粒子旋转。把涡旋光束高度聚焦，会形成一个梯度力。这个力达到pN量级大小时，依靠这个力就可以把微粒牢牢地囚禁，也可以操纵粒子运动。同时由于强聚焦的光阱力，将微小粒子捕获在焦点附近，粒子呈悬浮状态，涡旋光束的中心光强为零，不会对微粒造成损伤，这一点相比传统的光镊是一个很大的优势。而利用涡旋光束作为光镊不仅可以捕获折射率大于周围介质的粒子，同时还能捕获折射率小于周围介质的粒子。

光镊和微粒的作用过程是：激光光束首先要聚焦，然后聚焦后的光照射到要作用的微粒上，这样由于微粒的存在，光束和微粒相互作用，同时光束的轨道角动量发生了改变。因为力的作用是相互的，粒子从光束那里得到了动量，从而会运动或者旋转等。在作用的过程中，有两种力，一是梯度力，指的是由于折射而对粒子的作用力，方向则是指向光束的聚焦中心；还有一种力就是散射力，散射力指的是光束由于反射而对粒子的作用力。散射力的方向是沿着捕获光束的传播方向的。梯度力在横向上方向上的分量能够把微粒拉向捕获光束的聚焦中心，同时梯度力的另一个分量，也就是轴向分量在捕获光束的聚焦中心特定位置和散射力达到一个平衡。这样光束就可以在三维上把粒子囚禁了。

由于涡旋光束在传输的过程中带有轨道角动量，涡旋光束和粒子作用的过程就会传递动量给粒子，因此粒子会发生转动。但是由于轨道角动量的存在，光的轨道角动量会被传输到微粒上，导致微粒会亮环上公转，某种程度上，这种转动不可控，在一些微粒的操纵上并不希望出现。

早期的光镊捕获的对象通常是球形的，而对于非球形的微粒的捕获较为难以实现。若想实现单一光束对多粒子或者非球形微粒如棒状微粒等进行可操控的捕获时通常存在有光学装置复杂、操作难度大、可控性不高等缺点。

发明内容

本发明旨在解决现有技术中无法实现双微粒的相对位置调控，以及无法对长条形等特殊结构的微粒实现定向转动的问题，提供一种基于涡旋对光束的光镊系统。该光镊系统可以实现两个球形微粒在平面内相对位置的精准调控和定位，以及棒状微粒平面内任意可控的旋转操作，这使得该光镊系统的应用对象更加丰富，有效解决了现有光镊系统对棒状微粒难控制的问题。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种基于涡旋对光束的光镊系统，包括按光路设置的激光器、准直扩束系统、空间光调制器、共焦缩束系统、样品台和观测单元，所述的空间光调制器实时连续加载不同的涡旋对相位图，输出单一涡旋对光束，实现微粒的实时操控；

所述的涡旋对相位图通过公式(1)计算：

其中，φ表示相位，m₁,m₂为任意两个相等整数，称为拓扑荷数；a表示双涡旋相位奇异点的离轴距离，为任意实数；u表示横坐标；v表示纵坐标；i表示虚数单位。

将公式(1)计算的相位图加载至空间光调制器中，空间光调制器输出单一涡旋对光束，利用单一涡旋对光束聚焦后在焦平面具有两个对称的捕获区域，可实现对两个微粒的同时捕捉。通过调整公式(1)中的拓扑荷数m1,m₂或离轴距离a，得到不同的涡旋对相对图，空间光调制器连续不断的加载不同的涡旋对相位图，可以实现两个微粒相对距离的实时精准控制。

当m1,m₂同时增大时，可以增大涡旋对光束在焦平面双光斑之间的距离，从而使得捕捉到的两个微粒间的距离增大；当a变大时，涡旋对光束在焦平面双光斑之间的距离反而减小，可实现两个微粒间距离减小。

所述的a为入射到空间光调制器的入射光束腰半径的0.1～1倍，在该范围内，离轴距离a与微粒间距离的变化呈线性关系。

所述的涡旋对相位图中横坐标和纵坐标根据公式(2)计算：

其中，u表示横坐标；v表示纵坐标；u₀表示初始横坐标；v₀表示初始纵坐标；θ(t)表示旋转角度，为时间函数；t表示时间参数。

横、纵坐标经过公式(2)可实现旋转，将旋转后的坐标带入公式(1)进行计算得到旋转后的涡旋对相位图，加载至空间光调制器，可实现捕捉的两个微粒在平面内的位置旋转，再通过调整公式(1)内的拓扑荷数m₁,m₂或离轴距离a，即可实现两个微粒在平面内任意角度、任意相对距离的变化；另一方面，通过控制时间参数t或空间光调制器加载相位图的速度可实现两个微粒旋转速度、相对位置变化速度的准确控制，具有精度高，稳定性强，操作方便的特点。

本发明的光镊系统中空间光调制器加载涡旋对相位图，还可以利用单一涡旋对光束聚焦后在焦平面具有两个对称的捕获区域，实现非球形如棒状微粒的捕获和锁定。调整公式(2)中的θ(t)参数，实现棒状微粒的可控定向转动，解决了现有技术中对非球形等特殊结构的微粒实现定向转动的问题，且旋转速度可调控，精度高，稳定性强，这使得该光镊系统的应用对象更加丰富。

所述的θ(t)的范围为0到360度，实现涡旋对光束在360度的任意旋转，即实现两个微粒在360度内的任意角度相对位置变化，或非球形等特殊结构的微粒在360内的任意角度的旋转；最大旋转角速度为60°每秒。

优选地，所述的激光器波长为533～1064nm，输出功率为400mW以上，为涡旋对光束在捕获粒子过程中提供足够的捕获力。

所述准直扩束系统按照光路的设置依次包括半波片、偏振分光棱镜、全反镜、扩束镜系统；

所述半波片固定在可旋转的光学镜架上，通过半波片的绕光轴旋转改变入射激光的偏振方向；

所述偏振分光棱镜通过介质分束膜来反射s光透过p光，分离，s偏振光和p偏振光；可通过旋转半波片，结合偏振分光棱镜，改变输出光的光功率。

所述全反镜用于改变光路，将光束反射至扩束镜系统；

所述扩束镜系统将光束光斑半径的扩大并实现光束的准直，有利于将光斑覆盖空间光调制器的液晶面板，充分利用空间光调制器的调制性能。

所述空间光调制器与计算机连接，通过计算机的控制程序，为空间光调制器加载不同的涡旋对相位图，实现对微粒的精准调控和定位。

优选地，所述的空间光调制器叠加闪耀光栅相位图，并在空间光调制器后设有光阑，提高空间光调制器出射光中涡旋对光束的纯度。

优选地，所述的空间光调制器的调制光波段为450～1064nm，空间光调制器最大的调制频率为120Hz。

所述共焦缩束系统按照光路的设置依次包括第一透镜、第二透镜、分束镜、物镜；第一透镜、第二透镜和分束镜用于将空间光调制器调制生成的涡旋对光束光斑缩小，使得全部光斑能进入物镜的孔径；物镜用于将缩小后的光斑会聚至所述样品台上。

所述样品台为二维电控位移台，可精确寻找并定位所需捕获的微粒。

所述的观测单元包括可见光源、聚焦透镜、CCD探测器。

所述的聚焦透镜前设有滤光片，对入射的激光进行滤光，使入射的激光不影响CCD探测器成像。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

(1)本发明的光镊系统仅利用单一的涡旋对光束即可实验两个微粒的同时捕获，通过调整相位图的参数，可实现两个微粒的相对距离在平面内任意角度、任意方向的位置实时调控。

(2)本发明的光镊系统通过旋转加载的调制相位图来旋转光束，实现对非球形等特殊结构微粒，如棒状微粒平面内任意角度的可控定向旋转，精度高，稳定性强。

(3)本发明的光镊系统设计简单，控制精度高，操作简便灵活，对微粒的捕获效果可控性强，极大地拓展了光镊的应用范围，尤其是对于棒状微粒等形状不规则的微粒的捕获，可在生物领域的推广应用。

附图说明

图1为本发明光镊系统的光路图。

其中：1、激光器；2、半波片；3、偏振分光棱镜；4、全反镜；5、扩束镜系统；6、空间光调制器；7、光阑；8、第一透镜；9、第二透镜；10、分束镜；11、物镜；12、样品台；13、可见光源；14、滤光片；15、聚焦透镜；16、CCD探测器；17、计算机。

图2为a＝0.45mm，m₁＝6，m₂＝6时涡旋对相位图。

图3为a＝0.9mm，m₁＝6，m₂＝6时涡旋对相位图。

图4为光镊系统对两个球形微粒的捕获效果图，其中(a)a＝0.45mm；(b)a＝0.9mm。

图5为涡旋对光束经由焦距为500mm的透镜聚焦后在焦平面的光强分布理论分布图，m₁＝6，m₂＝6，a＝0.9mm。

图6为旋转120°后的涡旋对相位图，a＝0.9mm，m₁＝6，m₂＝6，θ(t)＝120°。

图7为光镊系统对棒状微粒的捕获效果图，其中(a)a＝0.9mm，m₁＝6，m₂＝6，θ(t)＝0°；(b)a＝0.9mm，m₁＝6，m₂＝6，θ(t)＝120°。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。本领域技术人员在理解本发明的技术方案基础上进行修改或等同替换，而未脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围内。

如图1所示为本发明实施例的光路图。按照光路设置依次包括激光器1，半波片2，偏振分光棱镜3，全反镜4，扩束镜系统5，空间光调制器6，光阑7，第一透镜8，第二透镜9，分束镜10，物镜11，样品台12，可见光光源13，滤光片14，聚焦透镜15，CCD探测器16。以及和空间光调制器6连接的计算机17。

激光器1输出激光通过对应的533nm波长的半波片2，半波片2固定在可旋转光学镜架上，通过半波片2绕光轴旋转，改变出射光的偏振方向。

经过半波片2出射的激光通过偏振分光棱镜3来反射s光透过p光，出射p偏振光，满足空间光调制器6对入射光偏振方向的要求。同时可旋转半波片2，控制偏振分光棱镜3出射激光的光强度。

从偏振分光棱镜3出射的激光经过全反镜4将光束反射至扩束镜系统5；扩束镜系统将激光的光斑直径扩大至其尽可能全部覆盖空间调制器6的液晶面元，从而充分利用空间光调制器6。

经扩束镜系统5扩束后的激光入射至空间光调制器6中，通过计算机17控制空间光调制器6实时加载设计好的涡旋对光束的调制相位图，并叠加闪耀光栅相位图。

空间光调制器6出射的涡旋对光束通过光阑7挑选出一级衍射的光而挡住其他级次的光，一级衍射的光即为目标的涡旋对光束，再经第一透镜8和第二透镜9实现光束半径的缩小，实现光斑全部入射至物镜11的孔径。而后经过分束镜10反射至将涡旋对光束反射至物镜11，通过物镜11将涡旋对光束聚集到样品台12上的待测样品，样品台12为二维电控位移台，可精确的移动和定位。

样品台12上的待测样品通过可见光光源13照亮，透过滤光片15滤光后由聚焦透镜15聚焦成像在CCD探测器16上。

以下实施例中激光器1为波长533nm的大功率半导体连续激光器，最大输出功率为2W，这种功率能够满足捕获微粒时具有足够的捕获力，选用长春雷仕光电科技，型号为MW-GL-532/2000mW-16060208的激光器；

扩束镜系统5选用大恒光电的GCO-25系列联系变倍扩束镜，型号为GCO-2503；

空间光调制器6选用Holoeye公司的PLUTO-2-VIS-056型号的空间光调制器，调制光波段为450～650nm，反射率大于93％；

物镜11孔径NA＝1.25，放大倍数100倍，选用尼康，型号为CFI Achromat 100X OilA N.A.1.25的物镜；滤光片选用Thorlab FD1M型号滤光片。

实施例1

激光器1出射为波长533nm的线偏振光束，通过半波片2和偏振分光棱镜3后，光的偏振方向为水平偏振，旋转半波片2调整捕捉微粒合适的光强度。光束通过全反镜4改变光传播方向进入扩束镜系统3，扩束镜系统3对光束扩大2倍，扩束后的光斑直径约3mm，能够覆盖空间光调制器6的液晶面板。

经扩束镜系统3扩束后的光束入射至空间光调制器6，空间光调制器6通过计算机17控制，实时加载涡旋对相位图。经过空间光调制器6调制后的涡旋对光束，通过光阑7选择一级衍射光束，第一透镜7和第二透镜8的缩束，缩束比例为80％。

经缩束后的涡旋对光束经过分束镜10反射进入物镜11，激光聚集在样品台12上的待测样品中，移动样品台12可实现微粒移动完成捕获。可见光光源13对样品台12上的待测样品照明，光经过滤波片14将533nm波长的激光过滤，通过聚焦透镜15聚焦成像在CCD探测器16上。

空间光调制器6通过计算机17的控制，先加载涡旋对光束初始相位图并叠加闪耀光栅相位图，通过光阑7选择一级衍射光束，衍射出的一级衍射的光束即为我们所需要的涡旋对光束。通过实时加载涡旋对相位图，可以实现对双微粒的精确控制和旋转，涡旋对相位图通过公式(1)计算：

其中，φ表示相位，m₁,m₂为任意两个相等整数，称为拓扑荷数；a表示双涡旋相位奇异点的离轴距离，为任意实数；u表示横坐标；v表示纵坐标；i表示虚数单位。

涡旋对光束初始相位图如图2所示，其中a＝0.45mm，m₁＝6，m₂＝6；保持m1,m₂不变，调整离轴距离参数a，不断增大至a＝0.9mm，涡旋对光束的相位图如图3所示，其中a＝0.9mm，m₁＝6，m₂＝6。

当空间光调制器加载的相位图中m₁＝6，m₂＝6，a＝0.45mm时，光镊系统对球形微粒的捕捉效果图如图4的(a)所示，调整相位图中a即可实现两个球形微粒在横向的可控距离操作，当m₁＝6，m₂＝6，a＝0.9mm时，光镊系统对球形微粒的捕捉效果图如图4的(b)所示，两个微粒间的横向距离缩短。

图5为涡旋对光束经由焦距为500mm的透镜聚焦后在焦平面的光强分布理论分布图，参数为m₁＝6，m₂＝6，a＝0.9mm。

实施例2

采用实施例1相同的光镊系统，空间光调制器加载的涡旋对相位图通过公式(1)计算：

其中，φ表示相位，m₁,m₂为任意两个相等整数，称为拓扑荷数；a表示双涡旋相位奇异点的离轴距离，为任意实数；u表示横坐标；v表示纵坐标；i表示虚数单位。

涡旋对相位图中横坐标和纵坐标根据公式(2)计算：

其中，u表示横坐标；v表示纵坐标；u₀表示初始横坐标；v₀表示初始纵坐标；θ表示旋转角度，为时间函数；t表示时间参数。

以m₁＝6，m₂＝6，a＝0.9mm，θ(t)＝0°的相位图作为初始相位图，光镊系统对棒状微粒的捕捉效果图如图7的(a)所示，棒状微粒呈水平横向；

调整公式(2)中旋转角度，当θ(t)＝120°，其他参数不变，旋转后的涡旋对相位图如图6所示；针对棒状微粒，即实现了微粒的可控定向转动，如图7的(b)所示，棒状微粒发生了逆时针120度的旋转。

θ(t)的范围为0到360度，可以实现涡旋对光束在360度的任意旋转包括外在旋转角速度。改变时间参数t，可制备不同旋转角度的相位图，实现对棒状微粒的速度可控的旋转。该光镊系统具有极高的精度，且稳定性强，操作方便。

Claims (7)

1.一种基于涡旋对光束的光镊系统，包括按光路设置的激光器、准直扩束系统、空间光调制器、共焦缩束系统、样品台和观测单元，其特征在于，所述的空间光调制器连续加载不同的涡旋对相位图，输出单一涡旋对光束，实现微粒的实时操控；

所述的涡旋对相位图通过公式(1)计算：

其中，φ表示相位，m₁,m₂为任意两个相等整数，称为拓扑荷数；a表示双涡旋相位奇异点的离轴距离，为任意实数；u表示横坐标；v表示纵坐标；i表示虚数单位；

所述的涡旋对相位图中横坐标和纵坐标根据公式(2)计算：

其中，u₀表示初始横坐标；v₀表示初始纵坐标；θ(t)表示旋转角度，为时间函数；t表示时间参数；

所述的θ(t)的范围为0到360度，最大旋转角速度为60°每秒。

2.根据权利要求1所述的基于涡旋对光束的光镊系统，其特征在于，a为空间光调制器的入射光束腰半径的0.1～1倍。

3.根据权利要求1所述的基于涡旋对光束的光镊系统，其特征在于，所述准直扩束系统按照光路的设置依次包括半波片、偏振分光棱镜、全反镜、扩束镜系统；

所述共焦缩束系统按照光路的设置依次包括第一透镜、第二透镜、分束镜、物镜；

所述的观测单元包括可见光源、聚焦透镜、CCD探测器。

4.根据权利要求3所述的基于涡旋对光束的光镊系统，其特征在于，所述的半波片可绕光轴旋转。

5.根据权利要求1所述的涡旋对光束的光镊系统，其特征在于，所述的空间光调制器叠加闪耀光栅相位图，并在空间光调制器后设有光阑。

6.根据权利要求1所述的基于涡旋对光束的光镊系统，其特征在于，所述的激光器的输出功率为400mW以上；所述的激光器波长为533～1064nm。

7.根据权利要求1所述的基于涡旋对光束的光镊系统，其特征在于，所述的空间光调制器的调制光波段为450～1064nm。

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