專(zhuān)利名稱(chēng)：多功能反向光鑷的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及激光光鑷，特別是一種多功能反向光鑷。利用激光在微觀尺度 下對(duì)微粒進(jìn)行捕獲，特別是對(duì)低折射率微粒、中性冷原子及金屬微粒等的捕獲及傳 輸，適用于原子光學(xué)、分子光學(xué)、生命科學(xué)等方面。
背景技術(shù)：
"光鑷"是以激光的力學(xué)效應(yīng)為基礎(chǔ)，通過(guò)強(qiáng)會(huì)聚光場(chǎng)與微粒相互作用時(shí)形成 的光學(xué)勢(shì)阱，在微觀尺度下監(jiān)控和操縱微粒的一種物理工具。這種使用光束來(lái)實(shí)現(xiàn) 對(duì)微粒非機(jī)械接觸的捕獲，不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械損傷，是一種"遙控"的操作。光鑷分為 標(biāo)準(zhǔn)光鑷和反向光鑷兩種，標(biāo)準(zhǔn)光鑷通過(guò)光束中心亮斑來(lái)捕獲折射率比環(huán)境介質(zhì)高 的微粒，反向光鑷是利用光束中空暗斑來(lái)捕獲折射率低于環(huán)境介質(zhì)的微粒，對(duì)中性 冷原子及金屬微粒也具有很好的捕獲效果，另外，由于反向光鑷對(duì)捕獲微粒的光學(xué) 加熱損傷可減至最小，對(duì)生物活細(xì)胞的捕獲具有重要價(jià)值。
反向光鑷不僅可以捕獲低折射率的介質(zhì)、中性冷原子和金屬微粒等粒子，還可 以對(duì)微粒進(jìn)行傳輸。可作為微粒相互作用過(guò)程中力的探針或稱(chēng)為力的傳感器，能夠 有效的研究微粒的靜態(tài)和動(dòng)態(tài)力學(xué)特性。常用的多個(gè)微粒捕獲和傳輸裝置是利用兩 束傳播方向相反的光波形成的駐波場(chǎng)，通過(guò)改變一束光波的位相使強(qiáng)會(huì)聚光場(chǎng)的強(qiáng) 度分布發(fā)生改變，從而驅(qū)動(dòng)微粒進(jìn)行傳輸。由于光的傳播路徑分離，此種方法比較 復(fù)雜且穩(wěn)定性不高。液晶向列空間光調(diào)制器可以實(shí)時(shí)控制入射光的位相和振幅從而 改變強(qiáng)會(huì)聚光場(chǎng)的強(qiáng)度分布，但光的利用率不高，且時(shí)間響應(yīng)慢。另外由于強(qiáng)會(huì)聚 光場(chǎng)的去偏振效應(yīng)，空間均勻線偏振光在強(qiáng)會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)中，光場(chǎng)焦斑強(qiáng)度分布在 光束傳播橫截面上并不是對(duì)稱(chēng)的，這對(duì)微粒的三維穩(wěn)定捕獲是個(gè)不利的因素。
發(fā)明內(nèi)容
本實(shí)用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種多功能反向光鑷， 是一種能夠進(jìn)行多微粒捕獲與傳輸?shù)亩喙δ芊聪蚬忤?。該光鑷具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可操 作性強(qiáng)、能對(duì)微粒進(jìn)行三維穩(wěn)定捕獲和可控性傳輸。
本實(shí)用新型的基本原理是利用衍射光學(xué)元件調(diào)制單束空間軸對(duì)稱(chēng)偏振光的波 前而改變強(qiáng)會(huì)聚光學(xué)系統(tǒng)焦點(diǎn)處的光場(chǎng)強(qiáng)度分布，以能夠在焦點(diǎn)附近形成多個(gè)中空 暗斑的三維光捕獲結(jié)構(gòu)，同時(shí)利用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，控制衍射光學(xué)元件及高數(shù)值孔 徑透鏡的移動(dòng)從而控制中空暗斑的移動(dòng)，以實(shí)現(xiàn)對(duì)捕獲在中空暗斑內(nèi)的微粒進(jìn)行傳 輸。本實(shí)用新型的技術(shù)解決方案如下
一種多功能反向光鑷，特點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)包括沿光束前進(jìn)方向依次的空間軸對(duì)稱(chēng)偏 振光產(chǎn)生器、衍射光學(xué)元件和高數(shù)值孔徑透鏡，所述的衍射光學(xué)元件和高數(shù)值孔徑 透鏡作為 一個(gè)整體由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器所控制驅(qū)動(dòng)。
所述的空間軸對(duì)稱(chēng)偏振光產(chǎn)生器是一塊圓形石英晶體薄片，空間軸對(duì)稱(chēng)偏振光 產(chǎn)生器的光軸平行于該石英晶體的厚度方向，即光的傳播方向，該石英晶體薄片具 有12個(gè)不同厚度的扇區(qū)，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的圓心角為W6，每個(gè)扇區(qū)的厚度標(biāo)定為hn， 其值為
A" = ^(" — 0.5)，其中n為1至12的整數(shù)。
所述的衍射光學(xué)元件由三個(gè)圓環(huán)區(qū)域構(gòu)成，其中心區(qū)域和外圓環(huán)區(qū)域的光透過(guò) 率分別為l，位相相差;r，而中環(huán)區(qū)域的光透過(guò)率為0。 本實(shí)用新型的技術(shù)效果
本實(shí)用新型多功能反向光鑷，可以對(duì)多個(gè)微粒進(jìn)行三維穩(wěn)定捕獲，同時(shí)也可以 對(duì)微粒進(jìn)行傳輸，快速且控制自由度大。同時(shí)本實(shí)用新型還具有成本低，制作方便 等特點(diǎn)。


圖1為本實(shí)用新型功能反向光鑷的光路結(jié)構(gòu)示意圖
圖1中l(wèi)一空間軸對(duì)稱(chēng)偏振光產(chǎn)生器；2 —衍射光學(xué)元件；3 —高數(shù)值孔徑透鏡。 方框表示2， 3元件由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器4控制，可沿光的傳播方向進(jìn)行移動(dòng)。光的傳 播方向設(shè)定為Z軸方向。
圖2為空間軸對(duì)稱(chēng)偏振光光束傳播橫截面上偏振方向分布圖 圖3為軸對(duì)稱(chēng)偏振光產(chǎn)生器沿光束傳播方向的投影結(jié)構(gòu)分布圖 圖4為衍射光學(xué)元件結(jié)構(gòu)圖 圖5為三維光捕獲結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本實(shí)用新型做進(jìn)一步的說(shuō)明。
先請(qǐng)參閱圖l，圖l為本實(shí)用新型功能反向光鑷的光路結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見(jiàn)， 本實(shí)用新型多功能反向光鑷，結(jié)構(gòu)包括沿光束前進(jìn)方向依次的空間軸對(duì)稱(chēng)偏振光產(chǎn) 生器l、衍射光學(xué)元件2和高數(shù)值孔徑透鏡3，所述的衍射光學(xué)元件2和高數(shù)值孔徑 透鏡3作為一個(gè)整體由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器4控制驅(qū)動(dòng)。
入射的準(zhǔn)直空間均勻線偏振光通過(guò)空間軸對(duì)稱(chēng)偏振光產(chǎn)生器1，轉(zhuǎn)化為偏轉(zhuǎn)角 可調(diào)的空間軸對(duì)稱(chēng)偏振光，然后通過(guò)衍射光學(xué)元件2的調(diào)制和高數(shù)值孔徑透鏡3的強(qiáng)會(huì)聚在焦點(diǎn)附近形成多個(gè)中空暗斑，沿光的傳播方向呈準(zhǔn)周期排列的結(jié)構(gòu)，而微 粒就可被捕獲在中空暗斑內(nèi)，光的傳播方向設(shè)定為Z軸正向。
本實(shí)用新型的特點(diǎn)是利用空間軸對(duì)稱(chēng)偏振光產(chǎn)生器1形成的空間軸對(duì)稱(chēng)偏振光 進(jìn)行光學(xué)捕獲，空間軸對(duì)稱(chēng)偏振光在光束傳播橫截面上光的偏振方向分布如圖2所 示，xy平面表示光束傳播橫截面，z軸正向指向紙內(nèi)表示光的傳播方向。光束橫截 面上每一個(gè)空間點(diǎn)的偏振態(tài)是線性偏振的，圖2中箭頭的起點(diǎn)表示光束橫截面上的 空間點(diǎn)，箭頭的指向表示該空間點(diǎn)的光的偏振方向?？臻g各點(diǎn)的偏振方向與所在空 間點(diǎn)的角位置坐標(biāo)^緊密聯(lián)系，其偏振方向以光束傳播方向?yàn)檩S呈對(duì)稱(chēng)性分布，具 有相同角位置^的各空間點(diǎn)的偏振方向相互平行，而不同角位置的空間點(diǎn)的偏振方 向由空間點(diǎn)的角位置0決定。角位置為e的空間點(diǎn)的偏振方向與x軸正向的夾角為 0 +①。，其中0。為偏轉(zhuǎn)角，如圖2所示，表示光束橫截面上角位置為0空間點(diǎn)的偏
振方向偏離徑向方向的角度?？臻g軸對(duì)稱(chēng)偏振光產(chǎn)生器1的原理是利用石英晶體的 旋光效應(yīng)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，旋光效應(yīng)是當(dāng)線偏振的光束在石英晶體中沿著晶體光軸傳播時(shí)， 光的偏振方向會(huì)發(fā)生一定角度的偏轉(zhuǎn)，偏轉(zhuǎn)的角度稱(chēng)為旋光角，旋光角的大小與晶 體的厚度成正比。本實(shí)用新型所述的空間軸對(duì)稱(chēng)偏振光產(chǎn)生器1的石英晶體，沿光 束傳播方向的投影結(jié)構(gòu)分布如圖3所示，xy平面表示投影面，z軸正向指向紙內(nèi)代 表光的傳播方向，石英晶體被分割成12個(gè)扇形區(qū)域，且其光軸平行于石英晶體的厚 度方向，即z軸正向。扇區(qū)對(duì)應(yīng)的圓心角為W6，每個(gè)扇區(qū)的厚度標(biāo)定為hn，其值 為
/ "=丄0-0.5) (n=l，2，......12) (1)
其中《為旋光率。n代表著每個(gè)扇區(qū)的編號(hào)，如此入射的空間均勻線偏振光在通過(guò) 每個(gè)扇區(qū)時(shí)，因?yàn)槊總€(gè)扇區(qū)厚度不同，旋光角不同，得到了光束橫截面上偏振方向 具有空間分布的光，光束通過(guò)每個(gè)扇區(qū)后，其偏振方向相對(duì)原偏振方向的旋光角為-
丸二"1^7~~^(n=1，2……12) (2) 6
這樣入射的空間均勻線偏振光就轉(zhuǎn)化為準(zhǔn)空間軸對(duì)稱(chēng)偏振光，滿(mǎn)足應(yīng)用需要，另外
沿光束傳播方向旋轉(zhuǎn)石英晶體，空間軸對(duì)稱(chēng)偏振光的等價(jià)偏轉(zhuǎn)角o。會(huì)相應(yīng)改變。
本實(shí)用新型的特點(diǎn)是利用衍射光學(xué)元件調(diào)制單束入射的空間軸對(duì)稱(chēng)偏振光的位 相，能使其在高數(shù)值孔徑透鏡焦點(diǎn)附近形成奇特的強(qiáng)度分布。衍射光學(xué)元件結(jié)構(gòu)圖 如圖4所示，其中包括三個(gè)圓環(huán)區(qū)域，分別為外環(huán)區(qū)201，中環(huán)區(qū)202，中心區(qū)203， 其中201和203區(qū)的光透過(guò)率分別為e"-l， e"=-1，而附影部分202的光透過(guò)率 為0。不透光區(qū)202的存在，會(huì)影響著兩個(gè)透光區(qū)外環(huán)區(qū)201和中心區(qū)203的光束位相差。由于位相差異，兩個(gè)透光區(qū)的光場(chǎng)在高數(shù)值孔徑透鏡焦點(diǎn)附近干涉疊加，
形成暗斑沿光的傳播方向呈準(zhǔn)周期排列分布的三維光捕獲結(jié)構(gòu)，如圖5所示。區(qū)域 5表示光的高強(qiáng)度區(qū)，6表示暗斑區(qū)，而微粒7可被捕獲在暗斑區(qū)6中，P點(diǎn)表示高 數(shù)值孔徑透鏡的焦點(diǎn)位置，暗斑區(qū)6對(duì)稱(chēng)分布于焦平面兩側(cè)，z軸表示光的傳播方 向?yàn)榭v向方向，xy平面為光束傳播橫截面。由于偏振的軸對(duì)稱(chēng)特性，光場(chǎng)強(qiáng)度分布 在光束傳播橫截面xy面上是對(duì)稱(chēng)的，且可以通過(guò)旋轉(zhuǎn)石英晶體調(diào)整空間軸對(duì)稱(chēng)偏振 光的偏轉(zhuǎn)角，平衡中空暗斑在徑向方向和縱向方向的光強(qiáng)度，以利于對(duì)微粒進(jìn)行三 維穩(wěn)定捕獲。而且對(duì)于三個(gè)區(qū)域的衍射光學(xué)元件，改變不透光區(qū)202的半徑尺寸， 外環(huán)區(qū)201和中心區(qū)203區(qū)的半徑尺寸做相應(yīng)改變，就可以得到不同數(shù)量的中空暗 斑區(qū)6，以捕獲不同數(shù)量的微粒，這種二元衍射光學(xué)元件很容易利用離子束刻蝕工 藝制作。
本實(shí)用新型的特點(diǎn)還在于利用壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器控制衍射光學(xué)元件和高數(shù)值孔徑 透鏡元件沿著光的傳播方向在微米尺度移動(dòng)，高數(shù)值孔徑透鏡焦點(diǎn)的移動(dòng)會(huì)帶動(dòng)三 維光捕獲結(jié)構(gòu)的移動(dòng)。由于空間軸對(duì)稱(chēng)偏振光衍射傳輸?shù)墓馐l(fā)散角很小，且在衍 射傳輸過(guò)程中能夠保持偏振的軸對(duì)稱(chēng)特性，移動(dòng)元件導(dǎo)致的高數(shù)值孔徑焦點(diǎn)處的光 場(chǎng)強(qiáng)度分布形態(tài)基本不發(fā)生改變。壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器作為一種理想的微位移驅(qū)動(dòng)裝置， 其具有尺寸小、線性好、控制方便、位移分辨率高、頻率相應(yīng)好、能耗低、無(wú)噪聲 等特點(diǎn)。
實(shí)施例1
本實(shí)用新型功能反向光鑷確定的步驟如下
1、 根據(jù)所述的激光光束口徑來(lái)選取石英晶體的口徑以及系統(tǒng)中其它元件的尺 寸，保證光束可以有效地通過(guò)該系統(tǒng)，口徑為40ram。選取高數(shù)值孔徑透鏡，數(shù)值孔 徑NA:O. 98。
2、 根據(jù)所述的捕獲微粒的數(shù)目需要，確定衍射光學(xué)元件的各圓環(huán)的具體半徑 大小。選取焦點(diǎn)處暗斑的數(shù)目3個(gè)。參照?qǐng)D4，外環(huán)區(qū)201和中心區(qū)203的內(nèi)外環(huán)
半徑通過(guò)優(yōu)化模擬計(jì)算得到，分別為R2。3rt = Omm， 112()3外=18.47wm ;
R加內(nèi)=25. 47mm， R加外=40mm。同時(shí)減小外環(huán)區(qū)201和中心區(qū)203的面積，也即增
加202區(qū)的面積，會(huì)引起暗斑個(gè)數(shù)的增加，優(yōu)化設(shè)計(jì)中控制圖5中捕獲結(jié)構(gòu)6的光 強(qiáng)度極小值盡可能的小，捕獲結(jié)構(gòu)5的暗斑周?chē)鈴?qiáng)度極大值大于最大光強(qiáng)度的 0.1倍[見(jiàn)張艷麗et al.,高數(shù)值孔徑三維光鏈的研究，物理學(xué)報(bào)， 55， 2006， p. 1253-1258文獻(xiàn)中標(biāo)明的亮點(diǎn)個(gè)數(shù)為N，而對(duì)應(yīng)本實(shí)用新型的暗班數(shù)為 N-l，文獻(xiàn)中衍射光學(xué)元件的邊界用對(duì)焦點(diǎn)的張角e表示，對(duì)應(yīng)本實(shí)用新型的半徑
尺寸為/sir^， /為高數(shù)值孔徑透鏡的焦距]。
3、 根據(jù)所述的旋光石英晶體，按照所設(shè)定的厚度進(jìn)行加工。光波長(zhǎng)為435.8nm的藍(lán)光，石英晶體12個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的厚度為h『0. 7229(n-0.5)ram. (n=l,2……12)。
4、 選取壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，確定壓電陶瓷器件的驅(qū)動(dòng)電壓，可帶動(dòng)元件進(jìn)行線
性位移移動(dòng)。驅(qū)動(dòng)電壓為IOOV，產(chǎn)生的微位移為0-20//m.
5、 按照?qǐng)D1安排元件布置，調(diào)整光路進(jìn)行準(zhǔn)直。首先確定入射的均勻線偏振 光的偏振方向，以光的傳播方向?yàn)檩S旋轉(zhuǎn)石英晶體，找到最佳位置。最后在高數(shù)值 孔徑透鏡焦點(diǎn)附近就能夠得到三維光捕獲結(jié)構(gòu)。
實(shí)施例2:
實(shí)施例2與實(shí)施例1的不同之處在于暗斑數(shù)目為5個(gè)，選取的衍射光學(xué)元件 的外環(huán)區(qū)201和中心區(qū)203的內(nèi)外半徑分別為R203rt=0mra， 11203外=15.21附w ;
R2oi內(nèi)=26' 85mm， R加外=40mm。 實(shí)施例3:
實(shí)施例3與實(shí)施例1的不同之處在于暗斑數(shù)目為7個(gè)，選取的衍射光學(xué)元件 的外環(huán)區(qū)201和中心區(qū)203的內(nèi)外半徑分別為R203rt=0mni， 11203外=12.03附附；
R201ft =27' 59mm， R訓(xùn)外=40mm° 實(shí)施例4:
實(shí)施例4與實(shí)施例1的不同之處在于暗斑數(shù)目為9個(gè)，選取的衍射光學(xué)元件
的外環(huán)區(qū)201和中心區(qū)203的內(nèi)外半徑分別為R2O3rt=0mm， 11203外=8.67附w ;
R201ft =28' 16mm， R20W =40mm°
本實(shí)用新型用最簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)及原理，用來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)低折射率微粒、中性冷原子和 金屬微粒等進(jìn)行穩(wěn)定捕獲及傳輸，對(duì)于在微觀尺度內(nèi)研究微粒的動(dòng)力特性，尤其是 在細(xì)胞生物學(xué)領(lǐng)域中研究生物細(xì)胞和生物大分子等微粒的力學(xué)特性，在微操作，微 測(cè)量中具有重要的使用價(jià)值。
權(quán)利要求1. 一種多功能反向光鑷，特征在于其結(jié)構(gòu)包括沿光束前進(jìn)方向依次的空間軸對(duì)稱(chēng)偏振光產(chǎn)生器(1)、衍射光學(xué)元件(2)和高數(shù)值孔徑透鏡(3)，所述的衍射光學(xué)元件(2)和高數(shù)值孔徑透鏡(3)作為一個(gè)整體由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器(4)控制驅(qū)動(dòng)，所述的空間軸對(duì)稱(chēng)偏振光產(chǎn)生器(1)是一塊圓形石英晶體薄片，空間軸對(duì)稱(chēng)偏振光產(chǎn)生器(1)的光軸平行于該石英晶體的厚度方向，即光的傳播方向，該石英晶體薄片具有12個(gè)不同厚度的扇區(qū)(h1、h2、h3、h4、h5、h6、h7、h8、h9、h10、h11、h12)，每個(gè)扇區(qū)對(duì)應(yīng)的圓心角為π/6，每個(gè)扇區(qū)的厚度標(biāo)定為hn，其值為其中n為1至12的整數(shù)；所述的衍射光學(xué)元件(2)由三個(gè)圓環(huán)區(qū)域(201、202、203)構(gòu)成，其中心區(qū)域(203)和外圓環(huán)區(qū)域(201)的光透過(guò)率分別為1，位相相差π，而中環(huán)區(qū)域(202)光的透過(guò)率為0。
專(zhuān)利摘要一種用于多微粒捕獲與傳輸?shù)亩喙δ芊聪蚬忤?，特點(diǎn)是其結(jié)構(gòu)包括沿光束前進(jìn)方向依次的空間軸對(duì)稱(chēng)偏振光產(chǎn)生器、衍射光學(xué)元件和高數(shù)值孔徑透鏡，所述的衍射光學(xué)元件和高數(shù)值孔徑透鏡作為一個(gè)整體由壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器所控制驅(qū)動(dòng)。本實(shí)用新型可對(duì)微觀尺度的低折射率微粒、中性冷原子及金屬微粒等的捕獲及傳輸，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可操作性強(qiáng)、成本低的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B27/42GK201251650SQ20082015141
公開(kāi)日2009年6月3日 申請(qǐng)日期2008年7月30日 優(yōu)先權(quán)日2008年7月30日
發(fā)明者燕 張, 張艷麗, 朱健強(qiáng), 李小燕, 斌 王 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所