CN112652417B

CN112652417B - 一种部分相干光束捕获和操纵粒子的方法及装置

Info

Publication number: CN112652417B
Application number: CN202011427232.7A
Authority: CN
Inventors: 徐颖; 刘永雷; 蔺淑琴; 蔡阳健; 余佳益
Original assignee: Shandong Normal University
Current assignee: Shandong Normal University
Priority date: 2020-12-09
Filing date: 2020-12-09
Publication date: 2022-08-30
Anticipated expiration: 2040-12-09
Also published as: CN112652417A

Abstract

本公开提供了一种部分相干光束捕获和操纵粒子的方法及装置，包括：特殊关联结构、粒子捕获模块和成像模块；所述特殊关联结构产生部分相干光束入射到粒子捕获模块，通过所述粒子捕获模块对部分相干光束进行强聚焦，光束会在焦点附近形成多个不同性质的稳定的光学势阱，所述光学势阱同时在多个位置对不同折射率的粒子进行捕获，并在成像模块上进行显示，同时通过调控部分相干光束构建模块对粒子进行操纵。

Description

一种部分相干光束捕获和操纵粒子的方法及装置

技术领域

本公开属于微粒捕获和操纵的领域，具体涉及一种部分相干光束捕获和操纵粒子的方法及装置。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

光辐射力是由入射光被一个粒子作为一个整体散射时，光子与微粒之间的动量交换而产生的。Ashkin最伟大的作品之一是介电粒子的单束梯度力光学阱，其大小范围从米氏粒子到瑞利粒子。在这种光学阱中，需要一束强聚焦的激光束来获得稳定的单光束轴向阱。在1970年，Ashkin首次演示了如何利用辐射压力捕获和操纵微小颗粒。此后，关于粒子操纵的理论和实验论文大量发表，各种激光束的辐射力也得到了广泛的研究，这项新技术也被广泛应用于操纵各种粒子，如微介电粒子、中性原子、细胞、DNA分子和活的生物细胞等。目前，研究了高斯光束、瓶形光束、零阶贝塞尔光束、拉盖尔-高斯光束、厄米-高斯光束、倏逝场、径向偏振光束、高斯光束等的捕获特性，研究发现，激光束产生的辐射力与其束型、相干性和偏振性等光束特性密切相关。

但是，发明人发现现有的粒子捕获和操纵存在以下问题：

(1)仅能对同一位置粒子进行捕获和操纵；

(2)仅能对同一种粒子进行捕获和操纵；

因此，如果想要对多个位置的不同粒子进行捕获时，现有技术是无法实现的。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种部分相干光束捕获和操纵粒子的方法及装置，本公开旨在利用特殊关联的部分相干光束的光束特性，通过对其特殊关联结构的调控对粒子进行捕获和操纵。特殊关联部分相干光展现出自聚焦，抗湍流等特性，将其通过焦透镜进行强聚焦，从而获得稳定的光学势阱来对粒子进行捕获，同时调控光束的特殊关联结构对其进行操纵。

第一方面，本公开提供了部分相干光束捕获和操纵粒子的装置；

部分相干光束捕获和操纵粒子的装置，包括：

特殊关联结构、粒子捕获模块和成像模块；

所述特殊关联结构产生部分相干光束入射到粒子捕获模块，通过所述粒子捕获模块对部分相干光束进行强聚焦，光束会在焦点附近形成多个不同性质的稳定的光学势阱，所述光学势阱同时在多个位置对不同折射率的粒子进行捕获，并在成像模块上进行显示，同时通过调控部分相干光束构建模块对粒子进行操纵。

第二方面，本公开提供了部分相干光束捕获和操纵粒子的方法；采用上述部分相干光束捕获和操纵粒子的装置，包括：将一束特殊关联结构的部分相干光通过透镜进行强聚焦，光束会在焦点附近形成多个不同性质的稳定的光学势阱，所述光学势阱同时在多个位置对不同折射率的粒子进行捕获，同时通过调节特殊关联结构对粒子进行操纵。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开将一束特殊关联的部分相干光通过透镜进行强聚焦，光束会在焦点附近形成多个不同性质的稳定的光学势阱，从而同时在多个位置对不同折射率的粒子进行捕获，同时通过调控光束的关联结构对粒子进行操纵。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本实施例的产生拉盖尔非均匀关联结构的部分相干光的实验装置图；

图2是本实施例中聚焦光学系统示意图；

图3(a)是本实施例中拉盖尔非均匀关联光束的散射力强度在焦平面随阶数n的变化图；

图3(b)是本实施例中纵向梯度力随阶数n的变化图；

图3(c)、图3(d)和图3(e)是本实施例中分别对应A、O、B三点的横向梯度力随阶数n的变化图；

图3(f)是本实施例中当n＝2，rc²＝0.5mm时相对折射率大于1和小于1的两类粒子的纵向梯度力图；

图4(a)是本实施例中拉盖尔非均匀关联光束的散射力强度在焦平面随rc²的变化图；

图4(b)是本实施例中纵向梯度力随rc²的变化图；

图4(c)、图4(d)和图4(e)是本实施例中分别对应A、O、B三点的横向梯度力随rc²的变化图；

其中，1、氦氖激光器，2、光束扩展仪，3、线偏振片，4、空间光调制器，5、圆孔(CA₁)，6、薄透镜(L₁)，7、圆孔CA，8、准直透镜(L₂)，9、高斯振幅滤波片(GAF)，10、CCD，11、电脑PC。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

首先，为了证明具有特殊关联结构的部分相干光束的独特特性，构建了一种具有特殊关联结构的部分相干光束——拉盖尔非均匀关联(LNUC)光束。然后用这种光束实现对粒子的捕获和操纵。

实施例一

本实施例提供了部分相干光束捕获和操纵粒子的装置，包括：

特殊关联结构、粒子捕获模块和成像模块；

作为一个或多个实施例，如图1所示，所述特殊关联结构包括：依次设置氦氖激光器、光束扩展仪、线偏振片、空间光调制器、第一圆孔、薄透镜、第二圆孔、准直透镜、高斯振幅滤波片；

进一步的，拉盖尔非均匀关联结构的部分相干光的产生过程为：一束从氦氖激光器出来的单色激光束，经过一个光束扩展仪(BE)，然后经过一个线偏振片(LP)，然后再经过一个空间光调制器(SLM)，SLM是一个用计算机全息法设计的相位光栅，然后用圆孔(CA₁)选择全息图的一级衍射图样，接着从CA₁出来的光再经过薄透镜(L₁)，然后经过用于移除额外光线的圆孔CA₂，然后再通过准直透镜(L₂)和高斯振幅滤波片(GAF)，在GAF之后就产生了拉盖尔非均匀关联(LNUC)光束，然后用CCD就可以捕获LNUC光束在不同位置以及不同传输距离处的光强分布。由于SLM后的不同衍射级次的光斑不能直接分离，所以用L₁和L₂组成的一个4f成像系统来获得纯一级衍射光斑。图中的PC镶嵌图是不同模式的相位光栅图案的图像之一。

进一步的，所述粒子捕获模块为焦透镜，部分相干光束通过焦透镜会形成稳定的光学势阱，所述光学势阱对粒子进行捕获。

实施例二

本实施例提供了部分相干光束捕获和操纵粒子的方法，包括：

采用上述的部分相干光束捕获和操纵粒子的装置，将一束特殊关联结构的部分相干光通过透镜进行强聚焦，光束会在焦点附近形成多个不同性质的稳定的光学势阱，所述光学势阱同时在多个位置对不同折射率的粒子进行捕获，同时通过调节特殊关联结构对粒子进行操纵。

拉盖尔非均匀关联(LNUC)光束的具体产生的理论过程为：

在空间频率域中，标量部分相干光束用交叉谱密度函数表征：

W(r₁,r₂)＝<E^*(r₁)E(r₂)> (1)

其中，E是瞬时电场。

分别为横截面上的任意两个位置坐标。<>，^*分别是系综平均和复共轭运算。

根据非负正定条件，要成为物理上可实现的光束，则交叉谱密度函数可表示为：

其中p(v)是一个非负函数，H(r,v)是光路系统函数，可以是任意调制函数。在线性光学系统中，函数H(r,v)可以表示为：

H(r,v)＝τ(r)exp(-ikvr²) (3)

其中k代表波数。

将式(3)代入到式(2)中得到：

W(r₁,r₂)＝τ^*(r₁)τ(r₂)μ(r₁,r₂) (4)

其中μ(r₁,r₂)是p(v)的傅里叶变换形式，

为了产生这种光束，将p(v)和H(r,v)定义为以下形式：

其中n是光束阶数。

将式(5)、(6)代入到式(2)中，得到：

其中

其中，r_c＝(2/kα)^1/2，w₀代表初始光斑宽度。

基于以上理论基础分析，在实际操作中，为了实验中产生拉盖尔非均匀关联光束，将公式(5)中的v积分离散化，用一个有限集合有效地取代了不相干模式的连续分布，因为已经证实伪模展开可以很好地逼近精确积分，即使模数相对较少。用离散的形式，交叉谱密度矩阵的矩阵元可表示为：

所以，在任意z平面

点处的光强可以表示为以下形式：

N是伪模式数量，在区间|v|≤4a内采样，并且采样间隔为Δv＝2a/25，也就是我们取了101个模式，我们在计算机中合成了101个相位图，并以随机动画序列将它们加载到SLM中，其中每个伪模式出现的概率p(v)由公式(5)决定。加载到SLM的相位模式序列的平均每秒帧数(fps)约为15s-1，低于最大SLM刷新速率60Hz。然后我们通过对CCD捕获的伪模图像序列进行平均，得到了LNUC光束的强度,实验中使用的图像数量约为1000幅。

部分相干光束通过透镜聚焦传输时，根据广义惠更斯—菲涅尔衍射积分，传输到任意z平面处的交叉谱密度函数为：

其中，

是传播面的任意两个坐标矢量，z是传播距离，λ是光波长，k是波数，i是虚数单位；

通过透镜传输的传输矩阵为：

将式(13)代入到式(12)中，当ρ₁＝ρ₂时，得到光束的光强S(ρ,z)＝W(ρ,ρ,z)。

光辐射力是由入射光被一个粒子作为一个整体散射时，光子与微粒之间的动量交换而产生的，辐射力分为散射力和梯度力，可分别表示为：

其中

n_r＝n_p/n_m，n_r为粒子的相对折射率，a₀为粒子半径，

为光束出射面光强。

本公开利用拉盖尔非均匀关联光束对粒子的散射力和梯度力进行计算，结果表明可用此光束对粒子进行多位置同时捕获不同折射率的粒子，并通过调控其关联结构对捕获的粒子进行操纵。

具体实施方案：基于以上理论基础分析，如图2所示，选取束腰宽度为3cm的拉盖尔非均匀关联光束，通过焦距为5mm的透镜进行强聚焦，在折射率为1.33的环境中对折射率为1.59、半径为50nm的瑞利粒子进行捕获和操纵。

如图3和图4所示，经过强聚焦后的拉盖尔非均匀关联光束，其散射力和梯度力远大于热运动产生的布朗力，布朗力对粒子的影响完全可以忽略，因此，粒子可被稳定捕获。同时根据图2(b)和图2(f)可以看出，在光轴上存在三个稳定的捕获点，在A点和B点可对折射率大于周围介质的粒子进行捕获，在O点可对折射率小于周围介质的粒子进行捕获。因此，可在A、B、O三处对具有不同折射率的粒子同时进行捕获。当调控光束阶数n和相干宽度rc发生改变时，A、B、O三处稳定捕获点的位置会沿着光轴进行移动，从而达到对粒子的操纵。

综上所述，我们构建了一种具有特殊关联结构的部分相干光束，并研究了其对瑞利粒子的辐射力，结果证实具有特殊关联结构的部分相干光束可用于粒子捕获与操纵，同时可在光轴上三处不同位置同时对两类具有不同折射率的粒子(粒子折射率大于周围介质折射率和小于周围介质折射率)进行捕获和操纵。因此，具有特殊关联结构的部分相干光束在粒子捕获与操纵领域有着广泛的应用前景。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims

1.一种部分相干光束捕获和操纵粒子的方法，其特征在于，采用部分相干光束捕获和操纵粒子的装置，包括：特殊关联结构、粒子捕获模块和成像模块；所述特殊关联结构产生部分相干光束入射到粒子捕获模块，通过所述粒子捕获模块对部分相干光束进行强聚焦，光束会在焦点附近形成多个不同性质的稳定的光学势阱，所述光学势阱同时在多个位置对不同折射率的粒子进行捕获，并在成像模块上进行显示，同时通过调控部分相干光束构建模块对粒子进行操纵；将一束特殊关联结构的部分相干光通过透镜进行强聚焦，光束会在焦点附近形成多个不同性质的稳定的光学势阱，所述光学势阱同时在多个位置对不同折射率的粒子进行捕获，同时通过调节特殊关联结构对粒子进行操纵；

所述特殊关联结构包括：依次设置氦氖激光器、光束扩展仪、线偏振片、空间光调制器、第一圆孔、薄透镜、第二圆孔、准直透镜、高斯振幅滤波片；

所述氦氖激光器产生单色激光束，经过光束扩展仪，然后再经过线偏振片投射到空间光调制器上，接着穿过第一圆孔的光经过薄透镜再穿过第二圆孔，依次经过准直透镜和高斯振幅滤波片产生部分相干光束；

部分相干光束通过特殊关联结构的近轴传播用柯林斯积分公式表示，通过透镜聚焦传输时，根据广义惠更斯—菲涅尔衍射积分，传输到任意z平面处的交叉谱密度函数为：