基于双光束失准法实现光致轨道旋转的装置及方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于光学微操纵系统技术领域，特别涉及一种基于双光束失准法实现介观尺度微粒光致轨道旋转的装置及方法。该装置由两套捕获光发生系统、透明样品池、照明系统和测量系统五个部分组成，其中照明系统和测量系统作为辅助系统，对微粒轨道旋转进行测量。两套捕获光发生系统位于透明样品池两侧，分别产生功率相同的高斯光束，从透明样品池两侧输入透明样品池并沿待捕获微粒的切向照射微粒，在样品池下方利用照明系统提供照明，并在样品池上方利用测量系统进行观察并测量微粒的转动轨道及转动幅度，同时测量微粒的轨道旋转速度。本发明专利技术具有控制精度高、操控更加简便且实验系统简单等优点。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于光学微操纵系统
，特别涉及一种基于双光束失准法实现介观尺度微粒光致轨道旋转的装置及方法。
技术介绍
介观尺度指的是介乎于微观和宏观之间、能够保持量子相干性的尺度，介观尺度的大小与材料性质和物理环境有关，一般在nm?μπι量级。介观尺度微粒的运动是物理学和流体力学中的基本问题之一，控制介观尺度微粒的运动对于生物细胞、生物大分子和纳米马达研究以及微观领域中物质属性的精确测量有着非常重要的意义。光致旋转是在光镊的基础上发展起来的介观尺度微粒角向操控技术，它利用光的力学效应实现微粒的旋转控制，包括光致自转和光致轨道旋转。而双光束失准法光致旋转是指在双光束光阱中当两束捕获激光相向传输且存在横向失准(称捕获激光的传输方向为纵向；与之垂直的方向称为横向；横向失准是指两束捕获激光的传播方向没有对准，而在横向有一定的距离，这个距离称为横向失准距离，见附图2)时，光力对被捕获微粒存在力矩的作用，使微粒发生旋转。双光束失准法对被操控微粒的材料、形状均无限制，具有广泛的应用前景。国防科技大学申请的专利《一种基于双光束光阱实现光致旋转的装置及方法》(公开号:104900290Α，公开日:2015-09-09)，该专利技术主要采用基于光场角动量传递的方法实现被捕获粒子的光致自转，即当两束圆偏振光相向传播，照射具有双折射性质的微粒时，透过微粒的散射光的角动量将发生改变，根据动量守恒定律，改变的角动量将传递给微粒，从而使微粒绕自身轴线旋转。与上述专利不同，光致轨道旋转方法是利用光力作用实现对微粒的轨道旋转控制。光致轨道旋转技术可广泛应用于微环境局域温度测量、光学微混合等微生化研究领域，具有广阔的应用前景。目前研究较多的介观尺度微粒的光致轨道旋转方法主要包括失准光循环控制法(Nobuyuki ffatanabe,Κοζο Taguch1.Theoretical Study of Optical Vibrat1n andCirculat1n of a Microsphere.Key Engineering Materials Vol 516:563—568，2012.)、流体光讲控制法(Blakely J T , Gordon R , Sinton D.Flow-dependentoptofluidic particle trapping and circulat1n.Lab on a Chip 8(8):1350-1356，2008.)、旋转橢圆光斑法(Raktim Dasgupta，Samarendra K.Mohanty&PradeepK.Gupta.Controlled rotat1n of b1logical microscopic objects using opticalline tweezers.B1technology Letters 25:1625_1628，2003.)等，这三种方法实质上是通过改变捕获光束的方向、功率大小、光强分布等形成轨道旋转的力场，从而实现对微粒的光学轨道操控.失准光循环控制法利用捕获激光功率的周期性变化实现被捕获微粒的光致轨道旋转，该方法的缺点是需要连续周期性控制激光光强。流体光阱控制法是利用流体的推动力和光的散射力共同作用于微粒，从而实现介观微粒光致轨道旋转，该方法的缺点是流速对微粒旋转有很大的影响，需要对流速进行精确控制。旋转橢圆光斑法是在捕获光路中放置圆柱形棱镜形成椭圆光斑，转动圆柱形棱镜，椭圆光斑转动，实现被捕获微粒的连续可控轨道旋转，该方法存在以下缺点:(1)光斑尺寸决定了可操纵粒子大小，增大光阱尺寸就需要更高的捕获光束功率；(2)光斑的转动需要靠圆柱形棱镜的转动，而棱镜的连续转动不易控制。
技术实现思路
本专利技术采用的技术方案为:一种基于双光束失准法实现光致轨道旋转的装置，该装置由两套捕获光发生系统、样品池、照明系统和观测系统五个部分组成。其中照明系统和观测系统为辅助系统。两套捕获光发生系统位于样品池两侧，分别产生功率相同的高斯光束，从透明样品池两侧相向传播，照射向透明样品池中的待捕获微粒，在样品池下方利用照明系统提供照明，并在样品池上方利用观测系统进行观察并测量微粒的转动轨道、转动幅度和旋转速度。其中捕获光发生系统由两台激光器和两台三维位移台组成，两台激光器分别固定在两台三维位移台上。样品池为装载有待捕获微粒的透明容器。所述透明容器具有两个相互平行的面，以保证捕获光发生系统发出的高斯光束进入透明容器后光路不发生偏折，透明容器可以为长方体容器。微粒尺寸与入射激光的波长有关，大约在几微米到十几微米，对微粒的材料、形状均无限制。照明系统由LED光源和聚焦透镜组成，位于样品池的下方，主要作用是为样品池提供照明。观测系统由物镜、双色相滤光镜、(XD图像传感器、透镜和四象限探测器组成，利用位于样品池上方的物镜收集捕获光在经微粒散射后形成的散射光束以及从照明系统透过样品池后的照明光束，并利用双色相滤光镜将散射光束和照明光束分开，其中照明光束输入到位于物镜上方的CCD图像传感器中对微粒的捕获和轨道旋转过程进行观察;散射光束经双色相滤光镜后传播方向偏转90度，经过透镜聚焦后用四象限探测器进行探测，测量微粒的转动轨道及转动幅度，同时测量微粒的轨道旋转速度。本专利技术还提供一种实现介观尺度微粒光致轨道旋转的方法，该方法的具体步骤如下:步骤一、装配好前述实现介观尺度微粒光致轨道旋转的装置并调节左右两套捕获光发生系统，使得两套捕获光发生系统分别出射功率相同的高斯光束；步骤二、调节三维位移台，使捕获光对准，实现对微粒的捕获；步骤三、通过三维位移台调节两捕获光传播方向的横向失准距离，使微粒从捕获状态转换到自转状态；步骤四、调节三维位移台，继续增大横向失准距离，使微粒进入轨道旋转状态。与其它光致轨道旋转技术相比，本专利技术的优势在于:1.本专利技术利用双光束失准技术实现微粒的光致轨道旋转，通过三维位移台改变捕获光束横向失准距离对微粒轨道旋转精确调控，控制精度高。2.本专利技术只需使两束捕获光存在横向失准就能实现微粒的光致轨道旋转，与现有的其他方法相当前第1页1 2 本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于双光束失准法实现光致轨道旋转的装置，其特征在于：所述装置由两套捕获光发生系统、样品池、照明系统和观测系统五个部分组成，其中照明系统和观测系统为辅助系统；两套捕获光发生系统位于样品池两侧，分别产生功率相同的高斯光束，从透明样品池两侧相向传播，照射向透明样品池中的待捕获微粒，在样品池下方利用照明系统提供照明，并在样品池上方利用观测系统进行观察并测量微粒的转动轨道、转动幅度和旋转速度；其中捕获光发生系统由两台激光器和两台三维位移台组成，两台激光器分别固定在两台三维位移台上；样品池为装载有待捕获微粒的透明容器，所述透明容器具有两个相互平行的面，以保证捕获光发生系统发出的高斯光束进入透明容器后光路不发生偏折；照明系统由LED光源和聚焦透镜组成，位于样品池的下方，主要作用是为样品池提供照明；观测系统由物镜、双色相滤光镜、CCD图像传感器、透镜和四象限探测器组成，利用位于样品池上方的物镜收集捕获光在经微粒散射后形成的散射光束以及从照明系统透过样品池后的照明光束，并利用双色相滤光镜将散射光束和照明光束分开，其中照明光束输入到位于物镜上方的CCD图像传感器中对微粒的捕获和轨道旋转过程进行观察；散射光束经双色相滤光镜后传播方向偏转90度，经过透镜聚焦后用四象限探测器进行探测，测量微粒的转动轨道及转动幅度，同时测量微粒的轨道旋转速度。...

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：肖光宗，陈鑫麟，刘坤山，杨开勇，罗晖，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43