一种操控低折射率介质纳米粒子的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种操控低折射率介质纳米粒子的装置和方法，属于光学捕获和光学微操控技术领域。该装置由激光器、扩束镜组、偏振转换器、反射镜、分束器、空间光调制器、光阑、油浸物镜和位移台组成。该方法通过偏振转换器和空间光调制器生成空间位相复杂分布的径向偏振涡旋光场，在油浸透镜的聚焦下利用两列相向传输的光场干涉生成中空的球形焦斑，能够将处于焦场范围内的低折射率介质粒子稳定地三维捕获在焦场的中心。通过改变聚焦条件和空间光调制器的加载位相，能够实现多粒子操控和粒子运动轨迹的灵活调控。该方法克服了传统光镊技术中无法三维捕获低折射率介质粒子的难题，在一系列涉及光学操控的领域都有着重大的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种操控低折射率介质纳米粒子的装置和方法
本专利技术涉及一种光镊技术，尤其是涉及一种操控低折射率介质纳米粒子的装置和方法，属于光学捕获和光学微操控

技术介绍
1986年，Ashkin成功的利用可见激光的辐射压力加速和捕获微米尺寸的中性粒子，这种技术被形象地称为光镊。光镊的出现使得人们对微小粒子的研究行为从被动观察转为主动操控，为化学、物理和生物等多个领域带来革命性的创新。例如在生物领域中，科研人员利用光镊技术对生物细胞、细菌和病毒等实现了非破坏性的无损捕获和操控。由于此类基于激光的光学微操控通常是在溶液中进行，待捕获粒子与环境媒介之间的相对折射率对粒子的行为起到了至关重要的作用。当粒子的折射率高于环境媒介时，聚焦的实心激光光斑会将粒子稳定地捕获在光斑中心的峰值强度位置。此外，折射率低于环境媒介的低折射率例子也在物理、化学、医药技术等多个领域起着举足轻重的作用。例如，捕获位于声学共振腔内的空气泡已经引发大量关于声致光学、光化学等方面的研究，并且促进了生物和医药方面的新研究。除了空气泡，低折射率粒子还可以应用于石油的油包水乳剂，食物和药物的生产过程，并有助于药物定向输送和基因转染的开发研究。然而，操控低折射率粒子依旧面临巨大的挑战，这主要归因于捕获光斑的形状。通常的光镊系统采用紧聚焦的线/圆偏振光场作用于粒子，这种实心的聚焦光斑会将低折射率粒子弹开。通过给光源施加位相/偏振的空间调控，可以生成强度为中空型分布的涡旋/角向偏振焦场，理论和实验工作都证实此类焦场能够在横平面内将低折射率粒子控制在中心暗斑的位置。然而此类光场在光轴方向无法为粒子提供必要的平衡位置，这也是阻碍实现低折射率纳米粒子在无衬底条件下三维操控的根本障碍。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服上述不足，提出了一种操控低折射率介质纳米粒子的装置和方法，用于解决现存光镊技术中无法在三维空间内捕获折射率低于环境媒介的质纳米粒子这一难题，并对粒子运动轨迹控制和多粒子操控提供了有效的解决方案。为了实现上述的目的，本专利技术采用了如下的设计方案：一种操控低折射率介质纳米粒子的装置，其包括激光器、扩束镜组、偏振转换器、反射镜Ⅰ、分束器、空间光调制器Ⅰ、光阑Ⅰ、油浸物镜Ⅰ、位移台、油浸物镜Ⅱ、光阑Ⅱ、空间光调制器Ⅱ和反射镜Ⅱ，上述各元器件均沿激光器所发出的平行的入射光所在的光路上分布。所述扩束镜组由两块焦距不同的透镜组成，能够将入射光扩束为特定束腰宽度的平行光。这里透镜的焦距取值需根据激光器的出射光斑尺寸和油浸物镜Ⅰ与油浸物镜Ⅱ的入光孔径大小而定；所述偏振转换器的输出偏振态为径向偏振；所述分束器为偏振非敏感型分束器，能够将一束光分为两束传播方向垂直的光束，并且不改变光场的偏振态分布。所述空间光调制器Ⅰ和空间光调制器Ⅱ均为反射型空间光调制器。所述光阑Ⅰ和光阑Ⅱ均用于调整透射光场的外径和内径。径向偏振光在油浸物镜聚焦下的焦场分布可以根据理查德-沃尔夫矢量衍射理论计算(参考文献：Q.Zhan,Adv.Opt.Photon.1,1–57(2009).)。处于焦场内的低折射率介质纳米粒子所受光力可用偶极近似的方法计算。粒子的力稳定性是用势阱深度来衡量。所涉及的光力分布和势阱深度的计算可参考文献(G.RuiandQ.Zhan,Nanophotonics3,351–361(2014))。本专利技术一种操控低折射率介质纳米粒子的方法，顺序执行以下步骤实现改变低折射率介质纳米粒子的三维运动轨迹，具体包括以下步骤：步骤一、将激光器出射的激光通过扩束镜组，对光束进行准直扩束，扩束后的光束束腰半径与油浸物镜Ⅰ和油浸物镜Ⅱ的入光孔径相同；步骤二、将步骤一中准直扩束后的激光通过偏振转换器，生成径向偏振的光场；步骤三、利用反射镜Ⅰ将步骤二中生成的径向偏振光场反射并垂直照射分束器。光束经过分束器后将变成两束径向偏振光，且传播方向彼此垂直；步骤四、将步骤三中生成的两束光场中传播方向与步骤二中光场传播方向相反的光场照射空间光调制器Ⅰ，并对空间光调制器加载位相其中为方位角，生成拓扑荷数为1的径向偏振涡旋光场；步骤五、利用油浸物镜Ⅰ将步骤五中生成的径向偏振涡旋光场聚焦，同时通过改变光阑Ⅰ去调整光场的最大聚焦角度，所述光阑Ⅰ为孔径光阑；步骤六、针对步骤三中生成的两束光场中传播方向与步骤二中光场传播方向垂直的光场，利用反射镜Ⅱ将其反射至另一空间光调制器Ⅱ，并对该空间光调制器加载位相产生拓扑荷数为1的径向偏振涡旋光场，且与步骤四中生成的光场之间的相对位相差为π；步骤七、利用油浸物镜Ⅱ将步骤六中生成的径向偏振涡旋光场聚焦，同时通过改变光阑Ⅱ去调整光场的最大聚焦角度，所述光阑Ⅱ为孔径光阑；步骤八、将装有低折射率介质纳米粒子的样品室放在位移台上，调整位移台使粒子处于焦场范围内。步骤五和步骤七中生成的光场相向传输且彼此干涉相长，合成为中空的球形焦斑。在该焦场作用下，低折射率介质粒子将被稳固地三维捕获在中空球形焦斑的中心。据此，本专利技术一方面提供了一种动态操控低折射率介质纳米粒子的方法，顺序执行以下步骤实现改变低折射率介质纳米粒子的三维运动轨迹，具体包括以下步骤：步骤1、重复上述方法的步骤一、二、三，将步骤四中空间光调制器Ⅰ的加载位相调整为其中X0、Y0和Z0为中空球形焦斑中心所在位置的笛卡尔坐标；步骤2、重复上述方法的步骤五，并将上述方法的步骤六中的空间光调制器Ⅱ的加载位相调整为其中X0、Y0和Z0为中空球形焦斑中心所在位置的笛卡尔坐标；步骤3、重复上述方法的步骤七、八，实现对低折射率纳米粒子位置的改变。通过按照此方式改变空间光调制器的加载位相，中空球形焦斑将被移动到设定的坐标，而原本被捕获在焦斑中心的低折射率介质纳米粒子也将移动到新的位置；步骤4、考虑光学捕获的稳定性，粒子单次移动的最大距离由势阱宽度决定。因此可将粒子的运动路径拆分为一系列分立的坐标点，通过相应的连续改变步骤1和步骤2中空间光调制器Ⅰ和空间光调制器Ⅱ的加载位相，可实现粒子按照复杂轨迹运动。本专利技术另一方面还提供一种同时三维捕获轴上多个低折射率介质纳米粒子的方法，包括以下步骤：步骤i、重复权2中的步骤一、二、三、四，并将权2中的步骤五中的光阑Ⅰ由孔径光阑更换为环形光阑，调整入射光场的最大和最小会聚角度；步骤ii、重复权2中的步骤五、六，并将权2中的步骤七的光阑Ⅱ由孔径光阑更换为环形光阑，调整入射光场的最大和最小会聚角度。步骤一和步骤二中生成的光场相向传输并发生干涉相长，在轴上生成多个连续的中空球形焦斑；步骤iii、重复上述方法的步骤八，实现多个低折射率介质粒子的同时三维稳定捕获。有益效果：(1)本专利技术的功能性强。不同于传统的实心焦斑或甜甜圈型焦斑，利用两列相向传输的径向偏振涡旋焦场在光轴上生成数量可控的中空球形焦斑。由于入射能量被高度局域在轴对称的中空球形焦斑，梯度力在大幅提升的同时，粒子在光轴上所受的两束光产生的散射力也会相互抵消，可在溶液中实现对单个/多个低折射率粒子的稳定三维捕获；(2)本专利技术的扩展性强。虽然本专利具体实施方式中以浸没在水中的半径为50纳米的空气泡为例，但对于其他不同材料和尺寸的介质纳米颗粒，基于本专利提出的方法都可实现稳定的光学操控，本领域技术人员只需根据现有技术针对不同的情况对聚焦条件进行优化设计。此外，通过改变聚本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种操控低折射率介质纳米粒子的装置，其特征在于：其包括激光器(1)、扩束镜组(2)、偏振转换器(3)、反射镜Ⅰ(4)、分束器(5)、空间光调制器Ⅰ(6)、光阑Ⅰ(7)、油浸物镜Ⅰ(8)、位移台(9)、油浸物镜Ⅱ(10)、光阑Ⅱ(11)、空间光调制器Ⅱ(12)和反射镜Ⅱ(13)，上述各元器件均沿激光器所发出的平行的入射光所在的光路上分布；所述扩束镜组(2)由两块焦距不同的透镜组成，能够将入射光扩束为特定束腰宽度的平行光；所述偏振转换器(3)的输出偏振态为径向偏振；所述分束器(5)为偏振非敏感型分束器，能够将一束光分为两束传播方向垂直的光束，并且不改变光场的偏振态分布；所述空间光调制器Ⅰ(6)和空间光调制器Ⅱ(12)均为反射型空间光调制器；所述光阑Ⅰ(7)和光阑Ⅱ(11)均用于调整透射光场的外径和内径。

【技术特征摘要】
1.一种操控低折射率介质纳米粒子的装置，其特征在于：其包括激光器(1)、扩束镜组(2)、偏振转换器(3)、反射镜Ⅰ(4)、分束器(5)、空间光调制器Ⅰ(6)、光阑Ⅰ(7)、油浸物镜Ⅰ(8)、位移台(9)、油浸物镜Ⅱ(10)、光阑Ⅱ(11)、空间光调制器Ⅱ(12)和反射镜Ⅱ(13)，上述各元器件均沿激光器所发出的平行的入射光所在的光路上分布；所述扩束镜组(2)由两块焦距不同的透镜组成，能够将入射光扩束为特定束腰宽度的平行光；所述偏振转换器(3)的输出偏振态为径向偏振；所述分束器(5)为偏振非敏感型分束器，能够将一束光分为两束传播方向垂直的光束，并且不改变光场的偏振态分布；所述空间光调制器Ⅰ(6)和空间光调制器Ⅱ(12)均为反射型空间光调制器；所述光阑Ⅰ(7)和光阑Ⅱ(11)均用于调整透射光场的外径和内径。2.根据权利要求1所述的操控低折射率介质纳米粒子的装置，其特征在于：所述扩束镜组(2)的透镜的焦距取值需根据激光器的出射光斑尺寸和油浸物镜Ⅰ(8)与油浸物镜Ⅱ(10)的入光孔径大小而定。3.一种操控低折射率介质纳米粒子的方法，其特征在于：顺序执行以下步骤实现将低折射率介质纳米粒子三维捕获在焦斑中心：步骤一、将激光器(1)出射的激光通过扩束镜组(2)，对光束进行准直扩束，扩束后的光束束腰半径与油浸物镜Ⅰ(8)和油浸物镜Ⅱ(10)的入光孔径相同；步骤二、将步骤一中准直扩束后的激光通过偏振转换器(3)，生成径向偏振的光场；步骤三、利用反射镜Ⅰ(4)将步骤二中生成的径向偏振光场反射并垂直照射分束器(5)，光束经过分束器(5)后将变成两束径向偏振光，且传播方向彼此垂直；步骤四、将步骤三中生成的两束光场中传播方向与步骤二中光场传播方向相反的光场照射空间光调制器Ⅰ(6)，并对空间光调制器加载位相其中为方位角，生成拓扑荷数为1的径向偏振涡旋光场；步骤五、利用油浸物镜Ⅰ(8)将步骤五中生成的径向偏振涡旋光场聚焦，同时通过改变光阑Ⅰ(7)去调整光场的...

【专利技术属性】
技术研发人员：芮光浩，王玉松，王晓雁，顾兵，崔一平，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32