一种基于空心光尺寸调节的光镊操纵方法和装置制造方法及图纸

本发明专利技术提供了一种基于空心光尺寸调节的光镊操纵方法和装置，包括：将一束调制激光束和另一束被调制激光束入射至非线性介质中并获取空心光；将空心光扩束准直后通过一第三偏振分光立方体使其分成两束子空心光；两束子空心光为第一子空心光和第二子空心光；将第一子空心光入射到第一成像装置中；第二子空心光经过第四聚焦透镜汇聚到样品池中，样品池中喷入有样品微粒，且样品微粒被第二子空心光捕获在其光阱位置；通过调节调制激光束的光强来调节样品微粒的运动。本发明专利技术通过调制激光束改变被调制激光束的相位，使被调制激光束远场光强分布表现为中间强度为零周围为一圈高强度激光，再利用该尺寸可调的空心光束对空气中的吸光性微粒进行三维操作。

【技术实现步骤摘要】
一种基于空心光尺寸调节的光镊操纵方法和装置
本专利技术属于非线性光学应用领域，具体涉及一种基于空心光尺寸调节的光镊操纵方法和装置。
技术介绍
光镊是指利用激光来操纵微米及亚微米级别微粒的一种微观操作技术。通常其操作是在液体中进行，对于空气中微粒的操作效果甚微。之后根据光泳力基本原理，利用两束或者多数光在空气中成功实现了微粒的三维操作。在光学领域中，空心光束是指横向振幅分布满足高阶贝塞尔函数的光束，其横向光强分布表现为一个中心为暗的一系列同心圆环。根据光泳力基本原理空心光将吸光性微粒捕获在其暗的区域。利用空心光束捕获空气中的吸光性微粒是目前已知最稳定的装置。正是因为空心光束的这种独特的光强分布使其在粒子操控、非线性光学等领域有着非常重要的应用价值。目前，能够实现空气中微粒的操纵方法主要是两束反向传播或多束光束通过改变光束的相对强度或者相对空间位置来实现对微粒的操控。然而这些方法均有各自的缺陷，主要可分为三类：其一是通过改变光束空间相对位置不能做到精确控制，只能使微粒在该方向上运动而不能精确控制其停止位置；其二对于某些光损伤阈值低的微粒，通过改变光束强度进行操作会损伤其物理机，不利于其微粒表面性质的实时原位研究；其三光源产生装置结构复杂，价格昂贵。
技术实现思路
针对现有技术中的不足，本专利技术的目的在于，提供一种基于空心光尺寸调节的光镊操纵方法和装置，通过一束较强激光束改变被调制激光束的相位，使被调制激光束远场光强分布表现为中间强度为零周围为一圈高强度激光的目的，进而利用该尺寸可调的空心光束对空气中的吸光性微粒进行三维操作。为了实现上述目的，本专利技术的采用如下技术方案予以实现：一种基于空心光尺寸调节的光镊操纵方法，包括以下步骤：步骤1，获取一束调制激光束并将其聚焦于非线性介质中；步骤2，获取另一束被调制激光束并将其入射于步骤1中所述的非线性介质中，再通过第一偏振分光立方体后入射到光镊系统；步骤3，调节调制激光束的光强和非线性介质的位置使得入射到光镊系统的光束横截面为中心暗的空心圆环图样，即入射到光镊系统中的光束为空心光；其中，还包括以下步骤：步骤4，将空心光扩束准直后通过一第三偏振分光立方体使其分成两束子空心光；所述两束子空心光为第一子空心光和第二子空心光，所述第一子空心光为空心光通过第三偏振分光立方体后反射的一束子空心光，所述第二字空心光为空心光穿过第三偏振分光立方体的一束子空心光；步骤5，将第一子空心光入射到第一成像装置中；第二子空心光经过第四聚焦透镜汇聚到样品池中，所述样品池中喷入有样品微粒，且所述样品微粒被第二子空心光捕获在其光阱位置；步骤6，通过调节调制激光束的光强来调节第一子空心光和第二子空心光的尺寸，即调节样品微粒在第二子空心光的光轴上进行运动，并通过第二成像装置记录样品微粒的运动情况。进一步地，所述步骤2中获取另一束被调制激光束并将其入射于步骤1中所述的非线性介质中，再通过第一偏振分光立方体后入射到光镊系统，包括：将被调制激光束入射于步骤1中所述的非线性介质中，使其与步骤1所述的调制激光束反向共线传播，被调制激光束从非线性介质出射后通过第一偏振分光立方体进入光镊系统。进一步地，所述步骤3中调节非线性介质的位置使其置于调制激光束汇聚焦点位置。进一步地，所述非线性介质是指能够产生kerr效应和热效应的非线性介质。进一步地，所述调制激光束和被调制激光束均具有高斯型光强分布。本专利技术还提供了一种基于空心光尺寸调节的光镊操纵装置，包括聚焦透镜、第一半波片、第二半波片、第一偏振分光立方体、第二偏振分光立方体、非线性介质和光镊系统，所述聚焦透镜、第一半波片、第一偏振分光立方体、非线性介质和第二偏振分光立方体依次设置在同一光路传播的水平面上，所述第二半波片位于第二偏振分光立方体的正上方，所述光镊系统位于第一偏振分光立方体的下方。进一步地，所述光镊系统包括高反射镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、第三半波片、第四聚焦透镜、样品池、第三偏振分光立方体、第一成像装置、第二成像装置，所述高反射镜位于第一偏振分光立方体的正下方，所述高反射镜、第二聚焦透镜、第三聚焦透镜、第三半波片、第四聚焦透镜和样品池依次设置在同一光路传播的水平面上，所述第一成像装置位于第三偏振分光立方体的正下方，第二成像装置位于样品池的正下方。进一步地，所述第一成像装置和第二成像装置为CCD或CMOS器件。本专利技术与现有技术相比，具有如下技术效果：(1)本专利技术将一束激光聚焦于非线性吸收介质中，由于热效应，介质的折射率发生了非线性调制，这使得通过其中的另外一束激光束发生了非线性相移，使其在远场的横向强度分布发生了改变，得到中心为暗四周为一亮环的空心光束，并且该空心光束暗区域的尺寸可由入射泵浦光束精确调控，进而利用该尺寸可调的空心光束实现光泳力光镊系统中对空气中吸光性微粒的三维操纵；(2)本专利技术通过改变泵浦光束的功率实现空心光束尺寸的精确控制，进而精确控制微粒的捕获位置；可以根据捕获对象的光损伤阈值来设置捕获空心光束的功率，实现相同功率下对微粒的自由操控，避免由于功率过高对微粒造成光损伤；同时，实现该方法装置的结构简单、便于操作。附图说明图1为本专利技术的光路示意图；图2(a)为一个实施例下所获取不同调制激光束强度下空心光的光斑图样；图2(b)为空心光的暗区尺寸随调制激光束功率变化的拟合直线；图3(a)一个实施例下为聚焦透镜焦距为30mm时所捕获的微粒；图3(b)为成像装置CCD采集到的捕获微粒图像；图3(c)为处于焦点前、中、后区域捕获微粒的位置随时间的变化情况；图中标号代表：1-调制激光束；2-被调制激光束；3-第一聚焦透镜；4-第一半波片；5-第一偏振分光立方体；6-非线性介质；7-第二半波片；8-第二偏振分光立方体；9-高反射镜；10-第二聚焦透镜；11-第三聚焦透镜；12-第三半波片；13-第三偏振分光立方体；14-第四聚焦透镜；15-第一成像装置；16-样品池；17-样品微粒；18-第二成像装置；19-显微物镜；20-空心光束。以下结合附图对本专利技术的具体内容作进一步详细解释说明。具体实施方式以下给出本专利技术的具体实施例，需要说明的是本专利技术并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本专利技术的保护范围。本专利技术中提及的“上”、“下”等方位词为图1所示的上、下。实施例1：遵从上述技术方案，本专利技术公开了一种基于空心光尺寸调节的光镊操纵方法，包括以下步骤：步骤1，获取一束调制激光束1并将其聚焦于非线性介质6中；步骤2，获取另一束被调制激光束2并将其入射于步骤1中的非线性介质6中，再通过第一偏振分光立方体5后入射到光镊系统；具体地，将被调制激光束2入射于步骤1中所述的非线性介质6中，使其与步骤1所述的调制激光束1反向共线传播，被调制激光束2从非线性介质6出射后通过第一偏振分光立方体5进入光镊系统。步骤3，调节调制激光束1的光强和非线性介质6的位置使得入射到光镊系统的光束横截面为中心暗的空心圆环图样，即入射到光镊系统中的光束为空心光；具体地，调节非线性介质6的位置使其置于调制激光束1汇聚焦点位置。本实施例中，将调制激光束1作为泵浦光入射到非线性介质，被调制激光束2作为探测光反向并且与泵浦光共线入射到非线性介质6，将非线性介质6置于调制光束1汇本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于空心光尺寸调节的光镊操纵方法，包括以下步骤：步骤1，获取一束调制激光束(1)并将其聚焦于非线性介质(6)中；步骤2，获取另一束被调制激光束(2)并将其入射于步骤1中所述的非线性介质(6)中，再通过第一偏振分光立方体(5)后入射到光镊系统；步骤3，调节调制激光束(1)的光强和非线性介质(6)的位置使得入射到光镊系统的光束横截面为中心暗的空心圆环图样，即入射到光镊系统中的光束为空心光；其特征在于，还包括以下步骤：步骤4，将空心光扩束准直后通过一第三偏振分光立方体(13)使其分成两束子空心光；所述两束子空心光为第一子空心光和第二子空心光，所述第一子空心光为空心光通过第三偏振分光立方体(13)后反射的一束子空心光，所述第二字空心光为空心光穿过第三偏振分光立方体(13)的一束子空心光；步骤5，将第一子空心光入射到第一成像装置(15)中；第二子空心光经过第四聚焦透镜(14)汇聚到样品池(16)中，所述样品池(16)中喷入有样品微粒(17)，且所述样品微粒(17)被第二子空心光捕获在其光阱位置；步骤6，通过调节调制激光束(1)的光强来调节第一子空心光和第二子空心光的尺寸，即调节样品微粒(17)在第二子空心光的光轴上进行运动，并通过第二成像装置(18)记录样品微粒(17)的运动情况。...

【技术特征摘要】
1.一种基于空心光尺寸调节的光镊操纵方法，包括以下步骤：步骤1，获取一束调制激光束(1)并将其聚焦于非线性介质(6)中；步骤2，获取另一束被调制激光束(2)并将其入射于步骤1中所述的非线性介质(6)中，再通过第一偏振分光立方体(5)后入射到光镊系统；步骤3，调节调制激光束(1)的光强和非线性介质(6)的位置使得入射到光镊系统的光束横截面为中心暗的空心圆环图样，即入射到光镊系统中的光束为空心光；其特征在于，还包括以下步骤：步骤4，将空心光扩束准直后通过一第三偏振分光立方体(13)使其分成两束子空心光；所述两束子空心光为第一子空心光和第二子空心光，所述第一子空心光为空心光通过第三偏振分光立方体(13)后反射的一束子空心光，所述第二字空心光为空心光穿过第三偏振分光立方体(13)的一束子空心光；步骤5，将第一子空心光入射到第一成像装置(15)中；第二子空心光经过第四聚焦透镜(14)汇聚到样品池(16)中，所述样品池(16)中喷入有样品微粒(17)，且所述样品微粒(17)被第二子空心光捕获在其光阱位置；步骤6，通过调节调制激光束(1)的光强来调节第一子空心光和第二子空心光的尺寸，即调节样品微粒(17)在第二子空心光的光轴上进行运动，并通过第二成像装置(18)记录样品微粒(17)的运动情况。2.如权利要求1所述的基于空心光尺寸调节的光镊操纵方法，其特征在于，所述步骤2中获取另一束被调制激光束(2)并将其入射于步骤1中所述的非线性介质(6)中，再通过第一偏振分光立方体(5)后入射到光镊系统，包括：将被调制激光束(2)入射于步骤1中所述的非线性介质(6)中，使其与步骤1所述的调制激光束(1)反向共线传播，被调制激光束(2)从非线性介质(6)出射后通过第一偏振分光立方体(5)进入光镊系统。3.如权利要求1所述的基于空心光尺寸调节...

【专利技术属性】
技术研发人员：程雪梅，陈浩伟，贺博，张倩，白晋涛，
申请(专利权)人：西北大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61