CN112397214B - 一种基于四光束光阱实现光致轨道旋转的装置及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于光学微操纵系统技术领域，特别涉及一种基于四光束光阱实现光致轨道旋转的装置及方法。该装置包括光源系统、功率调制系统和光阱芯片。功率调制系统对光源系统产生的四束近红外激光进行调制后，输入到光阱芯片的四个端口，在样品池中形成四束呈十字交叉的捕获光，构成了四光束光阱。利用四光束光阱捕获微粒，对相互垂直的两束捕获光进行功率调制，可实现被捕获微粒的轨道旋转。本发明能通过改变调制信号参数控制被捕获微粒的旋转轨迹，具有操作简单、控制灵活方便等优点，且对捕获光场和被捕获微粒材质无特殊要求，有利于光致轨道旋转技术的推广和应用。

Description

一种基于四光束光阱实现光致轨道旋转的装置及方法
技术领域
本发明属于光学微操纵系统技术领域，特别涉及一种基于四光束光阱实现光致轨道旋转的装置及方法。
背景技术
光阱技术是利用激光的力学效应捕获并操控纳米到微米尺寸微粒的一种技术，它具有无损伤、非接触操控等优点，自19世纪70年代问世以来，就迅速成为纳米技术、生命科技等领域微操纵研究的有力工具。
光致旋转是指微粒在光阱中受到力或力矩作用而发生旋转的现象，是当前光阱技术的主要研究方向之一。根据旋转的现象不同，光致旋转可分为两类：一类叫做光致自转，即受到光力矩作用后进行自转的现象；另一类是光致轨道旋转，即受到光力作用后沿着某一特定轨道进行旋转。其中光致轨道旋转在微机械马达、微量液体混合、粘滞系数测量等方面有着广泛的应用，对于光阱技术的发展及其集成化应用具有重要意义。
目前，光致轨道旋转的主要方法包括轨道角动量传递法、特殊光场法和双光束失准法等。轨道角动量传递法是指利用涡旋光束捕获吸收性材料的微粒，轨道角动量将传递到微粒从而使其沿圆形轨迹进行轨道旋转；特殊光场法是指利用特殊光场内部的能量流动实现被捕获微粒的轨道旋转；双光束失准法是指在双光束光阱中引入横向失准，当失准距离满足一定条件时，被捕获微粒将沿类椭圆形轨迹进行轨道旋转。这些光致轨道旋转的原理各不相同，轨道角动量传递法和特殊光场法对光场有特殊要求，双光束失准法需实现对失准距离的精确控制，且这些方法都有一个共同特点，即被捕获微粒只能沿某一类特定轨迹旋转。
双光束光阱是应用最广泛的光阱之一，它利用两束相向传输的激光形成三维势阱，从而实现对微粒的捕获和操控。在双光束光阱的基础上，在垂直于原光轴的方向上增加另一组双光束光阱，即形成了四光束光阱。相对于双光束光阱，四光束光阱的轴向光阱刚度更大，捕获稳定性更好，且能通过调制捕获光功率实现被捕获微粒不同轨迹的光致轨道旋转，从而丰富了光致轨道旋转的实现手段和运动轨迹，拓展了其应用范围。
发明内容
本发明要解决的技术问题是，提出一种基于四光束光阱实现光致轨道旋转的装置及方法，实现光阱的轴向光阱刚度更大，捕获稳定性更好，且通过调制捕获光功率实现被捕获微粒不同轨迹的光致轨道旋转，拓展其应用范围。
本发明采用的技术方案为：
一种基于四光束光阱实现光致轨道旋转的装置，包括光源系统100、功率调制系统200和光阱芯片300；所述光源系统100用于输出四束连续近红外激光；所述功率调制系统200用于调制输入激光的功率；所述光阱芯片300为透明材质，其侧面由外向内设置有第一光波导301、第二光波导302、第三光波导303和第四光波导304四个光波导，其上表面设置有样品池305；所述样品池305是底面为正方形的立方体凹槽，其深度为20μm～200μm，其底面边长为100μm～300μm；所述四个光波导呈十字交叉依次分布在同一平面内，分别与所述样品池305的四面侧壁一一对应连接，所述四个光波导与所述样品池305的对应连接侧壁之间的夹角均大于70°，且相向的两个光波导共轴；所述光源系统100输出的四束激光传输入所述功率调制系统200，所述功率调制系统200输出的四束激光分别传输入所述四个光波导，经过所述四个光波导的四束激光入射到所述样品池305中。
进一步地，所述光源系统100包括第一激光器101、第二激光器102、第一隔离器103、第二隔离器104、第一50/50分束器105和第二50/50分束器106；所述第一激光器101输出的激光传输入第一隔离器103，经过第一隔离器103的激光传输入第一50/50分束器105；所述第二激光器102输出的激光传输入第二隔离器104，经过第二隔离器104的激光传输入第二50/50分束器106。
进一步地，所述功率调制系统200包括第1电控光纤衰减器201、第2电控光纤衰减器202、第3电控光纤衰减器203和第4电控光纤衰减器204四个电控光纤衰减器；所述第一50/50分束器105输出两束激光分别传输入第1电控光纤衰减器201和第2电控光纤衰减器202，所述第1电控光纤衰减器201输出激光传输入第一光波导301，所述第2电控光纤衰减器202输出激光传输入第二光波导302；所述第二50/50分束器106输出两束激光分别传输入第3电控光纤衰减器203和第4电控光纤衰减器204，所述第3电控光纤衰减器203输出激光传输入第三光波导303，所述第4电控光纤衰减器204输出激光传输入第四光波导304。
更进一步地，所述基于四光束光阱实现光致轨道旋转的装置还包括若干光纤，所述激光传输均是通过光纤传输。
一种基于四光束光阱实现光致轨道旋转的方法，包括以下步骤：
步骤一、构建四光束光阱芯片300：所述光阱芯片300为透明材质，其侧面由外向内设置有第一光波导301、第二光波导302、第三光波导303和第四光波导304四个光波导，其上表面设置有样品池305；所述样品池305为底面是正方形的立方体凹槽，其深度为20μm～200μm，其底面边长为100μm～300μm；所述四个光波导呈十字交叉依次分布在同一平面内，分别与所述样品池305的四面侧壁一一对应连接，所述四个光波导与所述样品池305的对应连接侧壁之间的夹角均大于70°，且相向的两个光波导共轴；
步骤二、搭建四光束光阱光路：采用光源系统100产生并输出四束连续近红外激光，将所述四束连续近红外激光传输入功率调制系统200，采用功率调制系统200调制所述四束连续近红外激光使其功率相等，并将功率相等的四束连续近红外激光分别传输入并通过所述四个光波导，入射到所述样品池305中对应形成四束呈十字交叉的捕获光；
步骤三、捕获微粒：在所述样品池305中滴入含有待捕获微粒的溶液，实现微粒的捕获；
步骤四、调制连续近红外激光束：采用功率调制系统200对相互垂直的任意两束捕获光所对应的两束连续近红外激光进行功率调制，调制函数分别为Aaf(ωat+φa)和Abf(ωbt+φb)，其中Aa和Ab为调制幅度，ωa和ωb为调制频率，φa和φb为相位；
步骤五、改变微粒轨道旋转的轨迹：改变所述调制幅度Aa和Ab，或者改变调制频率比ωa:ωb，或者改变相位差φa-φb，实现改变微粒轨道旋转的轨迹。
进一步地，所述光源系统100包括第一激光器101、第二激光器102、第一隔离器103、第二隔离器104和第一50/50分束器105、第二50/50分束器106；所述第一激光器101输出的激光传输入第一隔离器103，经过第一隔离器103的激光传输入第一50/50分束器105；所述第二激光器102输出的激光传输入第二隔离器104，经过第二隔离器104的激光传输入第二50/50分束器106。
进一步地，所述功率调制系统200包括第1电控光纤衰减器201、第2电控光纤衰减器202、第3电控光纤衰减器203和第4电控光纤衰减器204四个电控光纤衰减器，所述四个电控光纤衰减器的控制电压为：
Vi＝VDCi+Aif(ωit+φi) (1)
上式中，i＝1或2或3或4，VDCi为第i电控光纤衰减器的初始偏置电压，Aif(ωit+φi)为第i电控光纤衰减器的调制偏置电压。
本发明实现光致轨道旋转的原理是：本发明利用四光束光阱捕获微粒，通过对相互垂直的任意两束捕获光对应的激光进行调制，实现被捕获微粒不同轨迹的轨道旋转。可通过改变两束激光的调制频率比、相位差等参数，改变微粒旋转轨迹。
与其它光致轨道旋转技术相比，本发明的优势在于：
1.本发明通过调制捕获光功率实现光致轨道旋转，结构简单，对捕获光场和被捕获微粒材质无特殊要求，有利于光致轨道旋转技术的推广和应用。
2.其它光致轨道旋转方法只能实现某一类特定轨迹的旋转，而本发明可通过调节捕获光的调制函数、调制频率比和相位差改变微粒的旋转轨迹，运动轨迹灵活多变，且应用范围更广。
附图说明
图1为基于四光束光阱实现光致轨道旋转的装置结构示意图。
图2为调制频率比为2:1、调制相位差为0时微粒旋转轨迹。
图3为调制频率比为2:1、调制相位差为π/4和π/2时微粒的旋转轨迹。
图4为调制频率比为1:1、调制相位差为0时微粒旋转轨迹。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不应因此限制本发明的保护范围。
如图1所示，本发明所述基于四光束光阱实现光致轨道旋转的的装置，包括光源系统100、功率调制系统200和光阱芯片300；所述光源系统100包括第一激光器101、第二激光器102、第一隔离器103、第二隔离器104和第一50/50分束器105、第二50/50分束器106；所述功率调制系统200包括第1电控光纤衰减器201、第2电控光纤衰减器202、第3电控光纤衰减器203和第4电控光纤衰减器204四个电控光纤衰减器；所述光阱芯片300为透明材质，其侧面由外向内设置有第一光波导301、第二光波导302、第三光波导303和第四光波导304四个光波导，其上表面设置有样品池305；所述样品池305为底面是正方形的立方体凹槽，其深度为20μm～200μm，其底面边长为100μm～300μm；所述四个光波导呈十字交叉依次分布在同一平面内，分别与所述样品池305的四面侧壁一一对应连接，所述四个光波导与所述样品池305的对应连接侧壁之间的夹角均大于70°，且相向的两个光波导共轴；
所述第一激光器101输出的激光传输入第一隔离器103，经过第一隔离器103的激光传输入第一50/50分束器105；所述第一50/50分束器105输出的两束激光分别传输入第1电控光纤衰减器201、第2电控光纤衰减器202，所述第1电控光纤衰减器201输出的激光传输入第一光波导301，所述第2电控光纤衰减器202输出的激光传输入第二光波导302；所述第二激光器102输出的激光传输入第二隔离器104，经过第二隔离器104的激光传输入第二50/50分束器106；所述第二50/50分束器106输出的两束激光分别传输入第3电控光纤衰减器203和第4电控光纤衰减器204，所述第3电控光纤衰减器203输出的激光传输入第三光波导303，所述第4电控光纤衰减器204输出的激光传输入第四光波导304。
第一激光器101、第二激光器102、第一隔离器103、第二隔离器104、第一50/50分束器105、第二50/50分束器106、第1电控光纤衰减器201、第2电控光纤衰减器202、第3电控光纤衰减器203、第4电控光纤衰减器204和光阱芯片300之间通过光纤进行连接。
搭建好前述基于四光束光阱实现光致旋转的装置，在第1电控光纤衰减器201、第2电控光纤衰减器202、第3电控光纤衰减器203、第4电控光纤衰减器204中分别输入初始偏置电压VDC1、VDC2、VDC3、VDC4，使所述功率调制系统200输出的四束激光功率相等。将功率相等的四束激光输入到光阱芯片中，在光阱芯片的样品池中滴入含有待捕获微粒的溶液，当微粒移动到光阱捕获范围内后，将被捕获于光阱中心。
首先，对第1电控光纤衰减器201、第2电控光纤衰减器202上加载的偏置电压进行调制，令调制函数f为正弦函数，调制频率ω1＝2ω2＝2ω0：
Figure BDA0002784686460000051
当相位差ψ为0时，记录微粒运动轨迹如图2所示，被捕获微粒绕蝶形轨迹进行轨道旋转，轨道旋转的频率为ω0。
改变两个调制信号之间的相位差，当相位差为π/4和π/2时，被捕获微粒运动轨迹的变化情况分别如图3中(a)和(b)所示，由图可知，当调制相位差由0变化到π/2时，微粒的运动轨迹逐渐由蝶形转变为勾形，相位的变化将会导致微粒旋转轨迹的变化。
改变两个信号调制频率的比值，使ω1＝ω2＝ω0，调制相位差为0：
Figure BDA0002784686460000061
被捕获微粒的运动轨迹如图4所示，微粒绕类三角形轨迹进行轨道旋转，调制轨迹比值的变化将会导致被捕获微粒旋转轨迹的变化。
此外，在电控光纤衰减器上加载其它调制信号时，还可得到其它不同的旋转轨迹。

Claims (7)

1.一种基于四光束光阱实现光致轨道旋转的装置，其特征在于，包括光源系统（100）、功率调制系统（200）和光阱芯片（300）；
所述光源系统（100）用于输出四束连续近红外激光；
所述功率调制系统（200）用于调制输入激光的功率；
所述光阱芯片（300）为透明材质，其侧面由外向内设置有第一光波导（301）、第二光波导（302）、第三光波导（303）和第四光波导（304）四个光波导，其上表面设置有样品池（305）；所述样品池（305）为底面是正方形的立方体凹槽，其深度为20μm~200μm，其底面边长为100μm~300μm；所述四个光波导呈十字交叉依次分布在同一平面内，分别与所述样品池（305）的四面侧壁一一对应连接，所述四个光波导与所述样品池（305）的对应连接侧壁之间的夹角均大于70º，且相向的两个光波导共轴；
所述光源系统（100）输出的四束激光传输入所述功率调制系统（200），所述功率调制系统（200）输出的四束激光分别传输入所述四个光波导，经过所述四个光波导的四束激光入射到所述样品池（305）中，对应形成四束呈十字交叉的捕获光；
所述功率调制系统（200）对相互垂直的任意两束捕获光所对应的两束连续近红外激光进行功率调制，调制函数分别为A a f（ω a t+φ a）和A b f（ω b t+φ b），其中A a和A b为调制幅度，ω a和ω b为调制频率，φ a和φ b为相位；改变所述调制幅度A a 和A b ，或者改变调制频率比ω a :ω b ，或者改变相位差φ a -φ b ，实现改变微粒轨道旋转的轨迹。
2.根据权利要求1所述的基于四光束光阱实现光致轨道旋转的装置，其特征在于，所述光源系统（100）包括第一激光器（101）、第二激光器（102）、第一隔离器（103）、第二隔离器（104）、第一50/50分束器（105）和第二50/50分束器（106）；
所述第一激光器（101）输出的激光传输入第一隔离器（103），经过第一隔离器（103）的激光传输入第一50/50分束器（105）；
所述第二激光器（102）输出的激光传输入第二隔离器（104），经过第二隔离器（104）的激光传输入第二50/50分束器（106）。
3.根据权利要求2所述的基于四光束光阱实现光致轨道旋转的装置，其特征在于，所述功率调制系统（200）包括第1电控光纤衰减器（201）、第2电控光纤衰减器（202）、第3电控光纤衰减器（203）和第4电控光纤衰减器（204）四个电控光纤衰减器；
所述第一50/50分束器（105）输出两束激光分别传输入第1电控光纤衰减器（201）和第2电控光纤衰减器（202），所述第1电控光纤衰减器（201）输出激光传输入第一光波导（301），所述第2电控光纤衰减器（202）输出激光传输入第二光波导（302）；
所述第二50/50分束器（106）输出两束激光分别传输入第3电控光纤衰减器（203）和第4电控光纤衰减器（204），所述第3电控光纤衰减器（203）输出激光传输入第三光波导（303），所述第4电控光纤衰减器（204）输出激光传输入第四光波导（304）。
4.根据权利要求1-3任一项所述的基于四光束光阱实现光致轨道旋转的装置，其特征在于，还包括若干段光纤，所述激光传输均是通过光纤传输。
5.一种基于四光束光阱实现光致轨道旋转的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、构建四光束光阱芯片（300）：所述光阱芯片（300）为透明材质，其侧面由外向内设置有第一光波导（301）、第二光波导（302）、第三光波导（303）和第四光波导（304）四个光波导，其上表面设置有样品池（305）；所述样品池（305）为底面是正方形的立方体凹槽，其深度为20μm~200μm，其底面边长为100μm~300μm；所述四个光波导呈十字交叉依次分布在同一平面内，分别与所述样品池（305）的四面侧壁一一对应连接，所述四个光波导与所述样品池（305）的对应连接侧壁之间的夹角均大于70º，且相向的两个光波导共轴；
步骤二、搭建四光束光阱光路：采用光源系统（100）产生并输出四束连续近红外激光，将所述四束连续近红外激光传输入功率调制系统（200），采用功率调制系统（200）调制所述四束连续近红外激光使其功率相等，并将功率相等的四束连续近红外激光分别传输入并通过所述四个光波导，入射到所述样品池（305）中对应形成四束呈十字交叉的捕获光；
步骤三、捕获微粒：在所述样品池（305）中滴入含有待捕获微粒的溶液，实现微粒的捕获；
步骤四、调制连续近红外激光束：利用功率调制系统（200）对相互垂直的任意两束捕获光所对应的两束连续近红外激光进行功率调制， 调制函数分别为A a f（ω a t+φ a）和A b f（ω b t+φ b），其中A a和A b为调制幅度，ω a和ω b为调制频率，φ a和φ b为相位；
步骤五、改变微粒轨道旋转的轨迹：改变所述调制幅度A a 和A b ，或者改变调制频率比ω a :ω b ，或者改变相位差φ a -φ b ，实现改变微粒轨道旋转的轨迹。
6.根据权利要求5所述的基于四光束光阱实现光致轨道旋转的方法，其特征在于，所述光源系统（100）包括第一激光器（101）、第二激光器（102）、第一隔离器（103）、第二隔离器（104）、第一50/50分束器（105）和第二50/50分束器（106）；
所述第一激光器（101）输出的激光传输入第一隔离器（103），经过第一隔离器（103）的激光传输入第一50/50分束器（105）；
所述第二激光器（102）输出的激光传输入第二隔离器（104），经过第二隔离器（104）的激光传输入第二50/50分束器（106）。
7. 根据权利要求5所述的基于四光束光阱实现光致轨道旋转的方法，其特征在于，所述功率调制系统（200）包括第1电控光纤衰减器（201）、第2电控光纤衰减器（202）、第3电控光纤衰减器（203）和第4电控光纤衰减器（204）四个电控光纤衰减器，所述四个电控光纤衰减器的控制电压为：
V i=V DCi+A i f(ω it+φ i)
式中，i=1或2或3或4，V DCi为第i电控光纤衰减器的初始偏置电压，A i f(ω it+φ i)为第i电控光纤衰减器的调制偏置电压。
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