CN114255903A - 一种大容量粒子并行分拣装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本公开公开的一种大容量粒子并行分拣装置及方法，包括：激光器，用于发射激光束；扩束准直系统，用于对激光器发射的激光进行扩束准直得到高斯光束；第一相位调制装置，用于对高斯光束进行振幅和相位调制，获得涡旋光束；第二相位调制装置，用于对涡旋光束进行相位调制，获得线性光阱，所述线性光阱用于粒子分拣。对激光束进行了两次相位调制后，获得了边界呈折线分布的线性光阱，相比于同样位移的线状光阱，呈折线分布的光阱边界使得捕获的区域更大，进而提高分拣效率。
Description
技术领域
本公开涉及一种大容量粒子并行分拣装置及方法。
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。
自从1986年A.Ashkin教授实验中首次实现粒子捕获之后，光镊技术正式诞生，它具有的无接触和无损伤特性，引起了生物医学，胶体物理，粒子加速等领域的广泛关注。研究者很快实现利用高斯光束捕获折射率大于介质折射率的粒子，用空心光束实现低折射率粒子的捕获。经过30余年科研学者的不懈努力，光镊技术日趋成熟。这项技术也从传统光镊仅能简单的捕获单个目标，到引入特殊光阱朝着分拣，输运，旋转，微加工等多个方向发展。如引入线状光阱实现粒子的分拣和输运。不同于粒子被紧紧的束缚在一个点上，线状光阱将粒子控制在一个线状区域，粒子在这个区域内可自由或受控的移动，进而利用粒子的不同特性(如粒子大小、粒子折射率对特定光镊响应的差异)，实现粒子的分拣和输运。这也已经在胶体物理，原子物理，生物医学等领域的得到了实际应用。在2003年，分选显微粒子的系统证明了可行性，在2005年，实现了哺乳动物细胞的分选。随着应用的广泛发展，也产生了该技术发展的一个重要目标，即提高操作效率。
涡旋光束是一种特殊的光束，光强呈空心分布，具有螺旋相位波前，带有轨道角动量，无限多个拓扑荷等特点。涡旋光束所携带的涡旋相位，使得它在传输时更好的抵抗大气湍流的干扰，减少长距离传输中的漂移和闪烁等现象。另外，无限多的拓扑荷具有的多样性和正交性为光通信空分复用提高信道容量提供了很好的思路。因此，这些特性使得涡旋光束在微粒操纵，光通信，生物医学等领域有不俗的表现。近些年，随着光场调控技术的发展，对涡旋光束的相位，相干度，偏振度，关联结构等进行了特定的调控，产生了多种多样的新型调制涡旋光场。这些突破令涡旋光束在超分辨成像，光通信，粒子捕获等领域体现了卓越的优势。
同样的，在粒子捕获领域，涡旋光束的表现符合研究者的期待。在过去，研究者实现用涡旋光束捕获粒子同时伴随有由轨道角动量交换带来的粒子旋转；以及在利用部分相干的涡旋光束进行微粒捕获时可以通过调控相干度实现光强分布呈空心，平顶，高斯三种分布，进而可以实现单光束对不同折射率粒子的捕获。然而，这些工作都是基于涡旋光束的圆环形光强分布。还未发现有通过调制涡旋改变其圆环光强分布得到带有呈折线分布以实现粒子分拣的相关研究。
发明内容
本公开为了解决上述问题，提出了一种大容量粒子并行分拣装置及方法，对激光束进行几何调制后，再进行二次相位调制，从而产生了边界呈折线分布的线性光阱，边界呈折线分布的线性光阱使得捕获粒子的区域增大，提高了粒子的分拣效率，可用于大容量粒子分拣。
为实现上述目的，本公开采用如下技术方案：
在一个或多个实施例中，提出了一种大容量粒子并行分拣装置，包括：
激光器，用于发射激光束；
扩束准直系统，用于对激光器发射的激光进行扩束准直得到高斯光束；
第一相位调制装置，用于对高斯光束进行振幅和相位调制，获得涡旋光束；
第二相位调制装置，用于对涡旋光束进行相位调制，获得线性光阱，所述线性光阱用于粒子分拣。
进一步的，所述线性光阱的边界呈折线分布。
在一个或多个实施例中，提出了一种大容量粒子并行分拣方法，包括：
通过激光器，发射激光束；
激光经扩束准直系统进行扩束准直得到高斯光束；
高斯光束经第一相位调制装置进行振幅和相位调制，获得涡旋光束；
涡旋光束经第二相位调制装置进行相位调制，获得线性光阱；
通过线性光阱对粒子进行分拣。
在一个或多个实施例中，公开了一种粒子分拣装置，包括，所述的一种大容量粒子并行分拣装置。
与现有技术相比，本公开的有益效果为：
本公开的一种大容量粒子并行分拣装置，对激光束进行了两次相位调制后，获得了边界呈折线分布的线性光阱，相比于同样位移的线状光阱，呈折线分布的光阱边界使得对粒子捕获的区域更大，进而提高分拣效率，适用于对大容量粒子进行分拣。
附图说明
构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。
图1为本公开实施例1的结构框图；
图2为本公开实施例1产生的涡旋光束的光强分布图；
图3为本公开实施例1产生的线性光阱的光强分布图；
图4为本公开实施例1产生的线性光阱的辐射力分析图。
其中：1、激光器，2、扩束准直系统，3、第一空间光调制器，4、第一傅里叶透镜，5、第二空间光调制器，6、第二傅里叶透镜，7、粒子分拣平台。
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，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请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申请的示例性实施方式。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。
在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。
本公开中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本公开中的具体含义，不能理解为对本公开的限制。
实施例1
在该实施例中，公开了一种大容量粒子并行分拣装置，结构如图 1所示，包括：
激光器1，用于发射激光束；
扩束准直系统2，用于对激光器发射的激光进行扩束准直得到高斯光束；
第一相位调制装置，用于对高斯光束进行振幅和相位调制，获得涡旋光束；
第二相位调制装置，用于对涡旋光束进行相位调制，获得线性光阱，所述线性光阱用于粒子分拣。
该线性光阱的边界呈折线分布。
第一相位调制装置，包括，第一空间光调制器3和第一傅里叶透镜4，第一空间光调制器3对高斯光束进行振幅和相位调制，调制后的光进入第一傅里叶透镜4，第一傅里叶透镜4的前焦面作为相位调制后的高斯光束的入射面，在第一傅里叶透镜4的后焦面得到拉盖尔高斯涡旋光束，产生的电场表达式为：
其中，Ul(ρ,θ)是第一傅里叶透镜后焦面得到调制的拉盖尔高斯涡旋光束的电场表达式，(ρ,θ)是在后焦面得到调制的拉盖尔高斯涡旋光束的极坐标位置矢量，ρ代表任一位置的极径，θ代表任一位置的极角，
表示第一空间光调制器加载的调制相位，A0是与激光功率相关的常数，ω是光源的束腰宽度，第一空间光调制器加载的调制相位
其中，l是拓扑荷数，b是调制涡旋的常数项，令
则
其中，(ri,θi)(i＝1,2,3)表示设计几何形状的分段点的极坐标位置坐标，rp,rq表示不同分段点在极坐标系下的极径，θp,θq表示不同分段点在极坐标系下的极角，(p,q＝1,2,3)，α,β,γ表示几何形状任一边长所在直线的极角，Dp,q是一个参量公式，I(θ)表示调制涡旋的暗核每一边界的周长，Itotal调制涡旋的暗核边界全部周长，该实施例中采用的几何形状为三角形。经调制后的调制涡旋的光强分布为图2。
第二相位调制装置，包括，第二空间光调制器5和第二傅里叶透镜6，第二空间光调制器5对拉盖尔高斯涡旋光束进行相位调制，调制后光进入第二傅里叶透镜6，第二傅里叶透镜6的前焦面为相位调制后的涡旋光束的入射面，在第二傅里叶透镜6的后焦面完成光强分布转换，产生边界呈折线分布的线性光阱，边界呈折线分布的线性光阱的光强分布如图3所示，光场表达式为：
Ul(u,v)＝∫∫Ul(x,y)exp[iφ(x,y)]×exp[-i2π(ux+vy)]dxdy
其中，Ul(x,y)是第一傅里叶透镜后焦面得到的拉盖尔高斯涡旋光束的电场(也是第二傅里叶透镜的前焦面)，Ul(u,v)是第二傅里叶透镜后焦面得到的边界呈折线分布的线性光阱的电场，(x,y)是第一傅里叶透镜后焦面得到调制的拉盖尔高斯涡旋光束的直角坐标系坐标，(u,v) 是产生边界呈折线分布的线性光阱的直角坐标，φ(x,y)表示第二空间光调制器加载的调制相位，λ表示所使用激光器的波长，f是第二傅里叶透镜的焦距，a1、a2是各自独立的参数，为常数，用来调节光场坐标转换后的尺寸和位置。
将图2所示的涡旋光束转换为图3所示的边界呈折线分布的线性光阱，折线边界使得光阱的捕获粒子的区域增大，采用边界呈折线分布的光阱进行粒子分拣时，可以对更大区域内的粒子进行捕获分拣，提高了分拣效率，可用于大容量粒子的分拣。
对边界呈折线分布的线性光阱进行辐射力分析：根据瑞利散射理论，直径远小于光波波长的小球所受辐射力可以分为梯度力和散射力，梯度力足以大于散射力时，就可以实现粒子的捕获。
梯度力和散射力的表达式为：
Fscat＝nm(8/3)π(ka)4a2[(m2-1)/(m2+2)]2I/c,
其中，c为光速，a为小球半径，m＝np/nm，nm，np分别是环境折射率和小球折射率，
表示微分算子，I表示照射到小球的激光的强度，由边界呈折线分布的线性光阱的电场Ul(u,v)获得，k表示激光的波数，
表示对强度的梯度计算，设定小球的折射率高于环境折射率时为高折射率，小球的折射率低于环境折射率时为低折射率，分别计算高折射率和低折射率小球在直角坐标系u方向(v＝0时)的散射力和梯度力，梯度力Fgrad的正负意味着梯度力在坐标轴u的正方向和负方向，实现稳定捕获的条件是梯度力足以大于散射力即在u方向上Fgrad的绝对值足以大于Fscat的绝对值，且梯度力的受力方向实现稳定捕获。如图4所示，实线是高折射率小球的受力分析曲线，虚线是低折射率小球的受力分析曲线，发现只有高折射率小球满足散射力既可以被梯度力克服，同时其所受梯度力Fgrad的正负满足稳定捕获条件，从而使得只有高折射率小球被稳定地捕获在焦平面。
使用边界呈折线分布的线性光阱在粒子分拣平台7上对粒子进行分拣，边界呈折线分布的线性光阱相比相同位移h的边界为直线的线状光阱可以捕获更多的小球，分拣效率得到了大大的提高。
实施例2
在该实施例中，公开了一种大容量粒子并行分拣方法，包括：
通过激光器，发射激光束；
激光经扩束准直系统进行扩束准直得到高斯光束；
高斯光束经第一相位调制装置进行振幅和相位调制，获得涡旋光束；
涡旋光束经第二相位调制装置，进行相位调制，获得边界呈折线分布的线性光阱；
通过边界呈折线分布的线性光阱对粒子进行分拣。
具体为：
S1：激光器产生一束激光，经扩束准直系统进行扩束准直得到高斯光束；
S2：将步骤S1得到的高斯光束经第一空间光调制器进行振幅和相位调制，经第一傅里叶透镜，在后焦面得到调制的拉盖尔高斯涡旋光束；
S3：将步骤S2得到的拉盖尔高斯涡旋光束通过第二空间光调制器进行相位调制，经第二傅里叶透镜，在后焦面完成光强分布转换，产生边界呈折线分布的线性光阱。
S4：将步骤S3得到的光场进行辐射力分析，在瑞利散射的理论下，证明辐射力足以控制粒子。
S5：将步骤S3得到的边界呈折线分布的线性光阱作为分拣粒子的光阱，对混合在一起的相同尺寸同折射率的粒子在粒子分拣平台上进行分拣。
实施例3
在该实施例中，公开了一种粒子分拣装置，包括，实施例1中公开的一种大容量粒子并行分拣装置。
以上仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。
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 (10)
1.一种大容量粒子并行分拣装置，其特征在于，包括：
激光器，用于发射激光束；
扩束准直系统，用于对激光器发射的激光进行扩束准直得到高斯光束；
第一相位调制装置，用于对高斯光束进行振幅和相位调制，获得涡旋光束；
第二相位调制装置，用于对涡旋光束进行相位调制，获得线性光阱，所述线性光阱用于粒子分拣。
2.如权利要求1所述的一种大容量粒子并行分拣装置，其特征在于，所述线性光阱的边界呈折线分布。
3.如权利要求1所述的一种大容量粒子并行分拣装置，其特征在于，所述第一相位调制装置，包括，第一空间光调制器和第一傅里叶透镜，第一空间光调制器对高斯光束进行振幅和相位调制，调制后光进入第一傅里叶透镜，在第一傅里叶透镜的后焦面得到涡旋光束。
4.如权利要求3所述的一种大容量粒子并行分拣装置，其特征在于，第一傅里叶透镜的前焦面为相位调制后的高斯光束的入射面。
5.如权利要求1所述的一种大容量粒子并行分拣装置，其特征在于，所述第二相位调制装置，包括，第二空间光调制器和第二傅里叶透镜，第二空间光调制器对涡旋光束进行相位调制，调制后光进入第二傅里叶透镜，在第二傅里叶透镜的后焦面产生线性光阱。
6.如权利要求5所述的一种大容量粒子并行分拣装置，其特征在于，第二傅里叶透镜的前焦面为相位调制后的涡旋光束的入射面。
7.如权利要求1所述的一种大容量粒子并行分拣装置，其特征在于，所述涡旋光束的电场Ul(ρ,θ)表达式为：
其中，(ρ,θ)为涡旋光束的极坐标位置矢量，ρ代表任一位置的极径，θ代表任一位置的极角，φ(θ)表示第一空间光调制器加载的调制相位，ω是光源的束腰宽度，b为常数。
8.如权利要求1所述的一种大容量粒子并行分拣装置，其特征在于，线性光阱的电场Ul(u,v)为：
Ul(u,v)＝∫∫Ul(x,y)exp[iφ(x,y)]×exp[-i2π(ux+vy)]dxdy
其中，Ul(x,y)为涡旋光束的电场,(x,y)是涡旋光束的直角坐标系坐标，(u,v)是产生边界呈折线分布的线性光阱的直角坐标，a1、a2为常数。
9.一种大容量粒子并行分拣方法，其特征在于，包括：
通过激光器，发射激光束；
激光经扩束准直系统进行扩束准直得到高斯光束；
高斯光束经第一相位调制装置进行振幅和相位调制，获得涡旋光束；
涡旋光束经第二相位调制装置，进行相位调制，获得线性光阱；
通过线性光阱对粒子进行分拣。
10.一种粒子分拣装置，其特征在于，包括，权利要求1-8任一项所述的一种大容量粒子并行分拣装置。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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