CN113223744B

CN113223744B - 一种超快调控矢量涡旋光场的光学微操纵装置和方法

Info

Publication number: CN113223744B
Application number: CN202110432025.9A
Authority: CN
Inventors: 聂仲泉; 张延相; 刘晓菲; 田彦婷; 王铭凯; 宁梓博
Original assignee: Taiyuan University of Technology
Current assignee: Taiyuan University of Technology
Priority date: 2021-04-21
Filing date: 2021-04-21
Publication date: 2022-10-25
Anticipated expiration: 2041-04-21
Also published as: CN113223744A

Abstract

本发明属于光学操控技术领域，具体涉及一种超快调控矢量涡旋光场的光学微操纵装置和方法。装置包括飞秒激光器，所述飞秒激光器发射的脉冲光波经过扩束装置准直后变成平行光；平行光经分束镜被分为第一光束和第二光束两束光，其中第一光束经脉冲整形器后产生特定涡旋阶数的矢量光场；然后经第一偏振片和涡旋玻片后产生特定阶数的矢量光场；第二光束经光学延迟线后与经过涡旋玻片后的第一光束耦合，并入射到二向色镜滤光片，随后经物镜产生可调控的紧聚焦光场，光束聚焦在装有纳米粒子的样品池内；照明光经过透镜组后照明样品池，然后经过物镜、二向色镜，滤光片、聚焦透镜后后被探测装置收集。本发明可以实现振幅，频率，相位，偏振，时间综合可调，为光场调控和超快光镊系统增加了全新的自由度。

Description

一种超快调控矢量涡旋光场的光学微操纵装置和方法

技术领域

本发明属于光学操控技术领域，具体涉及一种可应用于光镊系统中的超快调控矢量涡旋光场的光学微操纵装置和方法。

背景技术

光镊因具有非机械接触、低损伤、操控对象范围广、可高精度测量微小位移量和作用力等特点，被广泛应用于生命科学、医学、物理学等领域的研究。研究超快光镊的本质问题是去探讨超快脉冲光与物质的相互作用。由于光学动量从光传递给物质或者粒子，使得粒子受到光力和扭矩的作用，从而达到镊取和操控的目的。这种特殊的性质已经实现了广泛的应用，包括在超快光镊，超快光学扳手，超精度测量等各个方面。上述光学动量可以分为两部分的贡献：线动量和角动量；线动量是粒子受力的原因，而角动量能够使粒子发生旋转；光学线动量具有自旋部分和轨道部分，称为自旋线动量和轨道线动量，其中自旋线动量与粒子所受自旋相关的力有关，而轨道线动量正比于粒子所受的散射力，其方向沿着光束传播方向；光学角动量同样具有自旋角动量与轨道角动量，其中前者是粒子受到扭矩的原因，方向绕着粒子自身的轴旋转；后者产生了众所周知的光涡旋，其传统的方是纵向的，即围绕光轴旋转，此外，最近的研究表明，存在横向的涡旋光束，即空时光涡旋。

激光作为信息的载体，其基本性质，振幅，频率，相位已经取得了深入的研究并对当前的科学发展和技术进步以及国防，医学，材料加工和信息传递产生越来越深远的影响。为了充分发挥光子作为信息载体的独特优势，光场调控至关重要。空间光场调控技术通过调制光场的振幅、相位和/或偏振态空间分布，可以产生任意复杂的点光阱阵列分布或特殊模式光束，实现多光阱动态微操纵、光学旋转和光学输运等丰富的功能，将传统的光镊技术发展为广义的光学微操纵技术。随着研究的不断深入和各种需求的驱动，标量光场已经显现出局限性，对光场的矢量特性进行有效调控将进一步丰富光与物质的相互作用，更有利于深入挖掘激光应用潜能。偏振作为光的重要特性，对它的调控及应用近年来也得到广泛的关注，并成为研究的热点。人为调控的非均匀偏振（矢量）光场在时空的演变以及光与物质相互作用等相关领域展示了独特新颖的性质。此外，高阶矢量涡旋光束在紧聚焦状态下，其聚焦场中独特的性质和丰富的调控手段在粒子捕获和粒子操控中具有广泛的前景。同时，超快脉冲光作为新的可调控载体，近年来已经得到越来越多研究者的青睐。如何高效且快速的利用光子的超快效应结合高阶矢量涡旋光束给粒子捕获与操控增加新的调控自由度，是亟需解决的难题并对光场的调控至关重要。

发明内容

本发明针对光镊系统亟需新的调控自由度的难题，提供了一种超快调控矢量涡旋光场的光学微操纵装置和方法，增加光学微操控装置的自由度。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种超快调控矢量涡旋光场的光学微操纵装置，其特征在于，包括飞秒激光器，所述飞秒激光器发射的脉冲光波经过扩束装置准直后变成平行光；平行光经分束镜被分为第一光束和第二光束两束光，其中第一光束经脉冲整形器后产生特定涡旋阶数的矢量光场；然后经第一偏振片和涡旋玻片后产生特定阶数的矢量光场；第二光束经光学延迟线后与经过涡旋玻片后的第一光束耦合，并入射到二向色镜，随后经物镜产生可调控的紧聚焦光场，光束聚焦在装有纳米粒子的样品池内；照明光经过透镜组后照明样品池，然后经过物镜、二向色镜，滤光片、聚焦透镜后后被探测装置收集；所述脉冲整形器包括依次设置的第一光栅，第一柱透镜，空间光调制器、第二柱透镜和第二光栅。

所述的一种超快调控矢量涡旋光场的光学微操纵装置，其特征在于，还包括第二偏振片和半波片，所述第二偏振片和半波片依次设置在光学延迟线的出射端。

所述的一种超快调控矢量涡旋光场的光学微操纵装置，还包括第一光学快门和第二光学快门，所述第一光学快门设置第一光束的光路上，第二光学快门设置在第二光束的光路上。

所述探测装置为光电耦合探测器CCD。

所述飞秒激光器采用的光源为脉宽330fs，波长为532nm，重复频率为1MHz，空间光调制器为透射式空间光调制器。

所述的一种超快调控矢量涡旋光场的光学微操纵装置，还包括显示单元，用于显示操控过程。

本发明还提供了一种超快调控矢量涡旋光场的光学微操纵方法，采用所述的光学微操纵装置实现，通过光学延迟线改变第一光束与第二光束的延迟时间，通过涡旋波片（18）控制矢量光场的偏振阶数，通过空间光调制器控制矢量光场的涡旋阶数，进而操控粒子在不同空间位置和时间下的运动状态。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明提供了一种超快调控矢量涡旋光场的光学微操纵装置和方法，通过脉冲整形器和光学延迟器实现了超快矢量涡旋光场的构建、传播、聚焦，以及超快多目标光场的调控，将传统的光场振幅，频率，相位，偏振可调改进为振幅，频率，相位，偏振，时间综合可调，为光场调控和超快光镊系统增加了全新的自由度。本发明可以用于研究实现超快多目标光场的调控、探索超快飞逝时间下亚波长尺度内产生超分辨高阶矢量涡旋光场分布以及剖析超快多目标光场下光与物质相互作用的微观机制。此外，基于时间相关的矢量衍射理论和快速傅里叶变换，本发明研究了一束耦合了时间包络的矢量涡旋飞秒脉冲光场经过单个紧聚焦系统后，其光场分布、光力以及光学自旋矩随超快时间(t =0fs～400fs)的调控规律。

附图说明

图1本发明实施例提供的一种超快调控矢量涡旋光场的光学微操纵装置的光路原理图；

图2本发明实施例中不同时间间隔下(t =0fs～400fs)高阶矢量涡旋光束的紧聚焦光场强度及其横截面强度分布；

图3本发明实施例中利用高阶矢量涡旋光束的紧聚焦光场进行微粒捕获的光力分布；

图4本发明实施例中在不同超快时间间隔下(t =0fs～400fs)，利用3阶偏振3阶涡旋光场进行微粒旋转操纵的自旋矩大小和方向分布；

图5本发明实施例中在初始时间下(t = 0fs)，3阶偏振场的横向自旋矩和纵向自旋矩随涡旋阶数变化；

图中：1、飞秒激光器，2、凹透镜，3、凸透镜，4、第一反射镜，5、分束镜，6、光学延迟线，7、第二偏振片，8、半波片，9、第一光学快门，10、第二反射镜，11、第三反射镜，12、第一光栅，13、第一柱透镜，14、空间光调制器，15、第二柱透镜，16、第二光栅，17、第一偏振片，18、涡旋玻片，19、第二光学快门，20、合束镜，21、照明光源，22、反向扩束镜，23、样品池，24、高数值孔径物镜，25、二向色镜，26、滤光片，27、聚焦透镜，28、探测装置光电耦合探测器（CCD）。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例一提供了一种超快调控矢量涡旋光场的光学微操纵装置，包括飞秒激光器1，所述飞秒激光器1发射的脉冲光波经过凹透镜2和凸透镜3组成的扩束装置准直后变成平行光；平行光经第一反射镜4、分束镜5被分为第一光束和第二光束两束光，其中第一光束第三反射镜11后入射到脉冲整形器，经脉冲整形器后产生特定涡旋阶数的矢量光场；所述脉冲整形器包括依次设置的第一光栅12、第一柱透镜13、空间光调制器14、第二柱透镜15和第二光栅16，然后经第一偏振片17和涡旋玻片18后产生特定偏振阶数的矢量光场；第二光束经光学延迟线6、第二偏振片7、半波片8、第一光学快门9和第三反射镜10后与经过涡旋玻片18、第二光学快门19后的第一光束耦合，并入射到二向色镜25，随后经物镜24产生可调控的紧聚焦光场，光束聚焦在装有纳米粒子的样品池23内；照明光经过透镜组22后照明样品池23，然后经过物镜24、二向色镜25、滤光片26、聚焦透镜27后后被探测装置28收集。

其中，脉冲整形器中的空间光调制器用于对入射光的振幅和相位结构进行编码产生涡旋光束；光栅结合柱透镜用于时间上的傅里叶变换，以引入含时的超快激光场分布；经过脉冲整形器后被调制的脉冲光通过偏振片17和涡旋玻片18的配合使用，从而产生特定阶数的含时矢量光场；偏振片7和半波片8配合使用，用于控制光场的能量以保护第一光学快门9；第一光学快门9和第二光学快门19用于成像曝光。

具体地，本实施例中，所述探测装置28为光电耦合探测器CCD。所述飞秒激光器采用的光源为脉宽330fs，波长为532nm，重复频率为1MHz，空间光调制器（14）为透射式空间光调制器。物镜24具体为高数值孔径物镜，其数值孔径NA=0.9，用于产生随时间变化结构可调的紧聚焦光场，光束聚焦在装有纳米粒子的样品池23内进行粒子的捕获与操控；照明光源21发出的黄光经过透镜组22照明样品池23，经过物镜24且透过二向色镜25，到达滤光片26再一次滤除杂散光，以便被聚焦透镜27聚焦后的光电探测装置28收集，从而在个人电脑端清晰的显示操纵的光镊系统。

进一步地，本实施例的装置还包括显示单元，用于显示操控过程。

本实施例中，通过光学延迟线6改变第一光束与第二光束的延迟时间，通过涡旋波片18控制矢量光场的偏振阶数，通过空间光调制器14控制矢量光场的涡旋阶数，可以对不同时间间隔内(t =0fs～400fs)的紧聚焦光场、光力与自旋矩进行实时调控，从而获得动态清晰的粒子捕获与操控的图像。这种新的微操控系统的优势在于结合超快时间、光场的相位与偏振协同调控粒子的光学动力学行为。

本发明实施例中，基于时间相关的矢量衍射理论和快速傅里叶变换算法，研究了高阶矢量涡旋光场调控。以线偏振的飞秒激光器（脉宽330fs，波长532nm）为光源，基于空间光调制器编码光束的涡旋阶数，通过选用规定阶数的涡旋波片18对相位编码的飞秒涡旋光束进行偏振调控。

首先入射一束带涡旋的拉盖尔-高斯(LG)模式的光场：

E(r,φ,t) = (2^1/2 r/σ)^|m|exp(-r ²/σ ²)exp(ilφ)；（1）

高斯型时间脉冲包络的表达式为：

A(t) = exp[-(a _g t/T)²]exp(-iω ₀ t)；（2）

将上述高斯型时间脉冲包络耦合进入射场中；通过快速傅里叶变换的方法解析出光瞳切趾函数，从而将时域内的入射光波变换到频域；基于德拜矢量衍射积分理论，获得了频域内的聚焦场分布，再对聚焦场进行逆傅里叶变换即可获得超快多目标紧聚焦光场；为了解决超快高阶矢量涡旋光场能够实现粒子操控的问题，首先需要对实现此类光场的理论加以分析。理论上高阶矢量光场定义为：

E = cosδe_x+sinδe_y；（3）

其中偏振角δ=mφ+φ ₀，m为偏振阶数(PON)，φ为极坐标系下的方位角，φ ₀为初始偏振角。当m= 1，φ ₀= 0(π/2)即为径（角）向偏振光。

以时间相关的矢量衍射理论和快速傅里叶变换为计算基础模型，采用半解析超快矢量涡旋电磁场波动方程数学表达式结合软件数值结果对比分析验证的方法，将光场调控的手段从传统的空域引入到时域，新增加的超快时间调控自由度产生的新机制新效应对粒子捕获与操控将产生新的影响。为了实现粒子的捕获与操纵，需要通过Maxwell方程中电磁场之间的关系得出含时磁场的分布，进而方便的计算粒子所受光力及其扭矩。根据Clausius-Mossotti关系和瑞利散射模型，通过一系列复杂运算即可得到瑞利球形粒子所受的时间平均光力表达式：

（4）

以及时间平均自旋扭矩的解析式：

（5）

进而研究在超快体系下，光与物质相互作用的微观机制。通过MATLAB数值解析，最终得到的结果与理论保持一致。

图2展示了3阶偏振场和3阶偏振3阶涡旋场在超快时间下的强度分布情况，从中可以发现，3阶偏振场和3阶偏振3阶涡旋场都具有亮暗交替，偏振分量场之间的转换的特征，然而，图2中（a）所示的3阶偏振场没有发生旋转，这是由于场的旋转与涡旋阶数（VON）l有关,按照关系dφ/dt=ω/l，其中φ是光场的相位，ω为光场的的角频率，l为光场的拓扑荷数。也就是说，涡旋阶数VON越大，光场旋转的角度越小，从图2中（b）发现，3阶偏振3阶涡旋光场发生小角度的旋转，数值结果与理论分析吻合。此外，偏振分量场之间的转换量相对变小了，这是由于场分量中，横向成分占总场的比例很大（~80％以上），因此纵向成分的转换对其不能产生显著影响。

图3说明了在超快时间间隔下，利用3阶偏振场（图3中（a）与（c））和3阶偏振3阶涡旋场（图3中（b）与（d））进行微粒捕获的横向光力（Transverse Force）与纵向光力（Longitudinal Force）分布情况。从图中可以发现，3阶偏振光场对折射率较大的粒子可以实现2维的捕获，即只能在横向面捕获（图3中（a）），因为从纵向分布图3中（c）来看，总的纵向光力正比于散射力，不能实现纵向捕获，但能沿着光轴加速粒子；然而对于3阶偏振3阶涡旋场，不论横向光力还是纵向光力（图3中（b）和（d）），其大小总是正比于梯度力，因此能对折射率大的粒子实现全3维的稳定捕获。

图3中(e)和(f)给出了3阶偏振3阶涡旋场捕获粒子的位置信息，从图3中(e)可以确定粒子的纵向捕获位置，判断的方法是总的光力（Total Force：横向与纵向光力之和）为零的纵向位置处即为粒子受力平衡的位置；可以发现t=0fs/200fs/400fs时，粒子被捕获在了不同位置，分别为z=-0.442λ, -2.432λ, -1.266λ,然而，t=100fs/300fs时，由于所受光力太小而无法克服轴向粒子布朗运动，所以光力大小可以忽略不记，此时粒子不能被捕获，此时粒子所受光力变小是由于含时紧聚焦矢量涡旋光场的变化。因此，随着时间的流逝，粒子被光力在轴向来回捕获，类似于弹簧谐振。确定了纵向位置，对应到横向面上，如图3中(f)所示，即为焦面上，粒子的捕获情况。从图3中可以看出，粒子所受梯度力大约是散射力的3倍，偏振相关的力对总力的影响可以忽略不记，因此，此时微米粒子实现了稳定的三维捕获。

图4说明了3阶偏振3阶涡旋场操纵微粒旋转的过程，给出了粒子所受自旋矩的分布、大小以及旋转的方向。从图4中可以看出，在横向面上，总的自旋矩沿着‘S’型路径扭曲，但是在纵向面上，微粒产生了顺时针的扭矩。此外，随着时间的变化，横向扭矩的大小出现增大和减小的交替变化过程，结合总的扭矩，根据总扭矩守恒可知，横向扭矩和纵向扭矩之间存在相互转换。图4中c1-c5说明了横向自旋扭矩在粒子被捕获的时间间隔下（0 fs,200fs,400fs）是纯横向的（沿着y方向）。

图5说明在初始时刻下(t = 0fs)，3阶偏振场的自旋扭矩分量随涡旋阶数变化的情况，从图5中可以发现，对于高阶涡旋场，纵向扭矩总是起主导地位，而对于3阶偏振不存在涡旋场，横向扭矩占主导。此外，随着涡旋阶数的变化，横向扭矩与纵向扭矩之间会发生相互转换，从而可以实现粒子的三维旋转。

本发明提供了一种超快调控矢量涡旋光场的光学微操纵方法，以时间相关的矢量衍射理论和快速傅里叶变换为计算基础模型，采用半解析超快矢量涡旋电磁场波动方程数学表达式结合软件数值结果对比分析验证的方法，将光场调控的手段从传统的空域引入到时域，新增加的超快时间调控自由度产生的新机制新效应对粒子捕获与操控将产生新的影响。为了实现粒子的捕获与操纵，需要通过Maxwell方程中电磁场之间的关系得出含时磁场的分布，进而方便的计算粒子所受光力及其扭矩。根据Clausius-Mossotti关系和瑞利散射模型，通过一系列复杂运算即可得到瑞利球形粒子所受的时间平均光力表达式以及时间平均自旋扭矩的解析式。进而研究在超快体系下，光与物质相互作用的微观机制。通过MATLAB数值解析，最终得到的结果与理论保持一致。

实施例二

本发明实施例二提供一种超快调控矢量涡旋光场的光学微操纵方法，采用实施例一所述的光学微操纵装置，具体方法为：通过光学延迟线6改变第一光束与第二光束的延迟时间，通过涡旋波片18控制矢量光场的偏振阶数，通过空间光调制器14控制矢量光场的涡旋阶数，进而操控粒子在不同空间位置和时间下的运动状态。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims

1.一种超快调控矢量涡旋光场的光学微操纵装置，其特征在于，包括飞秒激光器（1），所述飞秒激光器（1）发射的脉冲光波经过扩束装置准直后变成平行光；平行光经分束镜被分为第一光束和第二光束两束光，其中第一光束经脉冲整形器后产生特定涡旋阶数的矢量光场；然后经第一偏振片（17）和涡旋玻片（18）后产生特定偏振阶数的矢量光场；第二光束经光学延迟线（6）后与经过涡旋玻片（18）后的第一光束耦合，并入射到二向色镜（25），随后经物镜（24）产生可调控的紧聚焦光场，光束聚焦在装有纳米粒子的样品池（23）内；照明光经过透镜组（22）后照明样品池，然后经过物镜（24）、二向色镜（25）、滤光片（26）、聚焦透镜（27）后被探测装置（28）收集；所述脉冲整形器包括依次设置的第一光栅（12）、第一柱透镜（13）、空间光调制器（14）、第二柱透镜（15）和第二光栅（16）。

2.根据权利要求1所述的一种超快调控矢量涡旋光场的光学微操纵装置，其特征在于，还包括第二偏振片（7）和半波片（8），所述第二偏振片（7）和半波片（8）依次设置在光学延迟线（6）的出射端。

3.根据权利要求2所述的一种超快调控矢量涡旋光场的光学微操纵装置，其特征在于，还包括第一光学快门（9）和第二光学快门（19），所述第一光学快门（9）设置在第一光束的光路上，第二光学快门（19）设置在第二光束的光路上。

4.根据权利要求1所述的一种超快调控矢量涡旋光场的光学微操纵装置，其特征在于，所述探测装置（28）为光电耦合探测器CCD。

5.根据权利要求1所述的一种超快调控矢量涡旋光场的光学微操纵装置，其特征在于，所述飞秒激光器采用的光源为脉宽330fs，波长为532nm，重复频率为1MHz，空间光调制器（14）为透射式空间光调制器。

6.根据权利要求1所述的一种超快调控矢量涡旋光场的光学微操纵装置，其特征在于，还包括显示单元，用于显示操控过程。

7.一种超快调控矢量涡旋光场的光学微操纵方法，采用权利要求1所述的光学微操纵装置实现，其特征在于，通过光学延迟线（6）改变第一光束与第二光束的延迟时间，通过涡旋波片（18）控制矢量光场的偏振阶数，通过空间光调制器控制矢量光场的涡旋阶数，进而操控粒子在不同空间位置和时间下的运动状态。