本發(fā)明屬于光學(xué)技術(shù)及光束控制領(lǐng)域，尤其是涉及一種無(wú)衍射自加速艾里光束的自由調(diào)控方法及裝置。

背景技術(shù)：

1979年，英國(guó)學(xué)者Berry和美國(guó)學(xué)者Balazs在量子力學(xué)領(lǐng)域做了一個(gè)重要的預(yù)言：薛定諤方程具有一個(gè)遵循艾里函數(shù)的波包解，該艾里波包具有眾多奇異特性，如無(wú)衍射、自橫向加速，自愈等。從此艾里光束吸引了世界上眾多科學(xué)研究者的注意，從而真正打開(kāi)了人們對(duì)艾里光束空前繁榮的研究局面。因其眾多迷人的奇異特性，艾里光束從研究伊始，人們就努力將其作為捕獲光源應(yīng)用于生命醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的光學(xué)鑷技術(shù)中。光鑷技術(shù)具有定位精確、操縱方便、非接觸式捕獲和操縱粒子的優(yōu)點(diǎn)。該光源被被廣泛應(yīng)用于生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域操縱細(xì)胞、DNA，蛋白質(zhì)等生物分子。如利用光鑷可以實(shí)現(xiàn)將DNA導(dǎo)入細(xì)胞而實(shí)現(xiàn)基因重組；可以操縱染色體以及DNA研究生物遺傳與變異；用以研究生物分子的馬達(dá)力學(xué)特性等等。此外，光鑷技術(shù)還被應(yīng)用于囚禁和冷卻原子以及玻色-愛(ài)因斯坦凝聚等方面的研究。

艾里光束傳播軌跡為拋物曲線，而非常規(guī)的直線傳播，這為按拋物曲線操縱粒子提供了可能。然而，艾里光束傳播軌跡總是表現(xiàn)為二次拋物線軌跡傳播，無(wú)法實(shí)現(xiàn)自由調(diào)控該光束按任意軌跡傳播的功能。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明提供一種可實(shí)現(xiàn)光束傳播軌跡的自由調(diào)控、實(shí)現(xiàn)利用該光束操控微粒沿著任意預(yù)設(shè)的軌跡運(yùn)動(dòng)的無(wú)衍射自加速艾里光束的自由調(diào)控方法及裝置。

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案是：一種無(wú)衍射自加速艾里光束的自由調(diào)控方法，其包括以下步驟：1)由激光器發(fā)出高斯光束，并將所述高斯光束進(jìn)行準(zhǔn)直和擴(kuò)束；2)將準(zhǔn)直擴(kuò)束后的高斯光束投射到分光鏡上進(jìn)行分光；3)將分光后的光束射入至事先加載了相位圖形的空間光調(diào)制器上，進(jìn)行相位調(diào)制；4)將經(jīng)相位調(diào)制后的光束通過(guò)傅里葉透鏡進(jìn)行傅里葉變換，得到艾里光束；5)將該艾里光束射入梯度折射率介質(zhì)內(nèi)，使該艾里光束可沿自由軌跡傳播。

進(jìn)一步的，所述步驟5)完成后，將艾里光束通過(guò)透鏡，再通過(guò)相機(jī)接收。

本發(fā)明還提供一種無(wú)衍射自加速艾里光束的調(diào)控裝置，包括用于發(fā)射高斯光束的激光器、用于對(duì)高斯光束進(jìn)行準(zhǔn)直和擴(kuò)束的準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡、用于對(duì)準(zhǔn)直擴(kuò)束后的光束進(jìn)行分光的分光棱鏡、用于對(duì)分光后的光束進(jìn)行相位調(diào)制的空間調(diào)制器、用于對(duì)空間調(diào)制器進(jìn)行預(yù)先加載相位圖形的計(jì)算機(jī)、用于對(duì)經(jīng)相位調(diào)制后的光束進(jìn)行傅里葉變換以得到艾里光束的傅里葉透鏡、用于控制該艾里光束沿自由軌道傳播的梯度折射率介質(zhì)及白光光源。

進(jìn)一步的，還包括透鏡和用于對(duì)艾里光束進(jìn)行接收的相機(jī)。

更進(jìn)一步的，所述梯度折射率介質(zhì)的折射率梯度變化由所述白光光源的光強(qiáng)和加載在所述梯度折射率介質(zhì)上的偏置電壓共同控制。

本發(fā)明的有益效果：該方法通過(guò)引入梯度折射率介質(zhì)，構(gòu)建沿傳播方向上具有不同的折射率空間分布，從而可實(shí)現(xiàn)光束傳播軌跡的自由調(diào)控，操控微粒沿著任意預(yù)設(shè)的軌跡運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜的光學(xué)微操縱；該方法產(chǎn)生的光束，同樣具有無(wú)衍射、自愈、自加速等奇異特性，該光束在構(gòu)建自會(huì)聚光束、等離子體、微粒操控、等方面均具有良好的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明調(diào)控裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為本發(fā)明產(chǎn)生的光束按余弦曲線傳播的軌跡圖。

圖3為本發(fā)明產(chǎn)生的光束按對(duì)數(shù)曲線傳播的軌跡圖。

具體實(shí)施方式

為了使本技術(shù)領(lǐng)域的人員更好的理解本發(fā)明方案，下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整的描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都應(yīng)當(dāng)屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

參照?qǐng)D1-3所示，圖1為本發(fā)明產(chǎn)生的一種無(wú)衍射自加速艾里光束的自由調(diào)控裝置的示意圖。其包括激光器1、準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡2，分光棱鏡3、空間光調(diào)制4、控制計(jì)算機(jī)5、傅里葉透鏡6、梯度折射率介質(zhì)7、白光光源8、透鏡9以及相機(jī)10構(gòu)成；所述激光器1用于發(fā)射高斯光束，其采用He-Ne激光器，激光器的可見(jiàn)光波長(zhǎng)為632.8nm，于其他實(shí)施例中，也可采用Ar離子激光器等；所述準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡2用于對(duì)高斯光束進(jìn)行準(zhǔn)直和擴(kuò)束，其焦距為300mm，通光口徑為50mm，當(dāng)然于其他實(shí)施例中，其焦距和通光口徑可根據(jù)具體情況進(jìn)行調(diào)節(jié)；所述分光棱鏡3用于對(duì)準(zhǔn)直擴(kuò)束后的光束進(jìn)行分光，其尺寸設(shè)置為25*25mm；所述空間光調(diào)制4用于對(duì)分光后的光束進(jìn)行相位調(diào)制，其中空間光調(diào)制器為反射式，其像素大小設(shè)置為8um，分辨率為1920*1080，工作波段400-700nm；所述計(jì)算機(jī)5用于對(duì)空間調(diào)制器4進(jìn)行預(yù)先加載相位圖形；所述傅里葉透鏡6用于對(duì)經(jīng)相位調(diào)制后的光束進(jìn)行傅里葉變換以得到艾里光束，其焦距設(shè)置為300mm；所述梯度折射率介質(zhì)7用于控制該艾里光束沿自由軌道傳播，該梯度折射率介質(zhì)7是利用白光光源8將白光照射至光折變晶體SBN上而產(chǎn)生的，其的折射率梯度是由白光光源8的光強(qiáng)分布和加載在該晶體上的偏置電壓共同控制的；所述透鏡9設(shè)于所述白光光源8后部，其焦距設(shè)置為30cm；所述相機(jī)10用于接收經(jīng)過(guò)透鏡后的艾里光束，進(jìn)而對(duì)光束進(jìn)行觀察；相機(jī)采用CCD相機(jī)，其分辨率設(shè)置為1920*1080。

通過(guò)上述調(diào)控裝置，進(jìn)而可對(duì)無(wú)衍射自加速艾里光束進(jìn)行自由調(diào)控，具體方法如下：由激光器發(fā)出高斯光束后，該高斯光束到達(dá)準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡位置，經(jīng)由該準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡對(duì)高斯光束進(jìn)行準(zhǔn)直和擴(kuò)束，光束充滿整個(gè)通光孔徑；之后準(zhǔn)直擴(kuò)束鏡將擴(kuò)束后的平行光投射到分光棱鏡上，通過(guò)分光棱鏡對(duì)該光束進(jìn)行分光操作，使其向空間光調(diào)制器傳送；光束射入到所述空間光調(diào)制器上之后，被事先加載在所述空間光調(diào)制器上的相位圖形進(jìn)行相位圖調(diào)制，之后再向所述傅里葉透鏡進(jìn)行傳送；所述相位圖形是由所述計(jì)算機(jī)控制，事先加載在空間光調(diào)制器上的；光束到達(dá)所述傅里葉透鏡后，通過(guò)傅里葉透鏡進(jìn)行傅里葉變換，在其后焦面上產(chǎn)生艾里光束；之后該艾里光束繼續(xù)向后傳送，射入至所述梯度折射率介質(zhì)內(nèi)，由于該梯度折射率介質(zhì)能夠構(gòu)建沿傳播方向上具有不同的折射率空間分布，從而當(dāng)該艾里光束在其內(nèi)傳播時(shí)，即可沿自由軌跡進(jìn)行傳播；進(jìn)而實(shí)現(xiàn)光束傳播軌跡的自由調(diào)控，操控微粒沿著任意預(yù)設(shè)的軌跡運(yùn)動(dòng)。

該艾里光束在通過(guò)透鏡之后即可被所述CCD相機(jī)接收，進(jìn)而由計(jì)算機(jī)進(jìn)行顯示和觀察。

根據(jù)傍軸波動(dòng)方程，一維光場(chǎng)在梯度介質(zhì)折射率介質(zhì)中遵循如下方程：

其中，φ代表光場(chǎng)，n為介質(zhì)折射率，dn為介質(zhì)折射率梯度，dn實(shí)質(zhì)上是傳播方向z的函數(shù)，k＝2π/λ為波數(shù)，λ為工作波長(zhǎng)。考慮到理想的艾里光束具有無(wú)限大能量，所以實(shí)際上無(wú)法獲得。因此我們加上初始約束條件φ₁(x,z＝0)＝Ai(x)exp(ax)，即乘上一個(gè)衰減的e指數(shù)因子exp(ax)，就可以得到實(shí)際中的艾里光束在具有梯度折射率介質(zhì)中的所遵從的傳播方程：

φ₂(x,z)＝Ai[x-(z/2)²-(dn/2n)z²+iaz]×exp[ax-a(1+dn/n)(z²/2)+i(a²z/2)+i(1+2k·dn/n)xz/2-i(1+2k·dn²/n²+3dn/n)(z³/12)]. 式(2)

其中，a是一個(gè)遠(yuǎn)小于1的正數(shù)。從式(2)可以得到其傳播軌跡實(shí)際上受折射率梯度dn調(diào)控，即：

x-(z/2)²-(dn/2n)z²＝0. 式(3)

于是折射率梯度可以表示為：

dn＝(x/z²-1/4)2n. 式(4)

現(xiàn)假設(shè)在x-z平面內(nèi)，光束按如下余弦軌跡傳播：

x＝f(z)＝5cos2z 式(5)

則根據(jù)式(4)，只要SBN晶體中的介質(zhì)折射率梯度按照如下設(shè)計(jì)即可

其中，γ為偏置電壓系數(shù)，I_m為誘導(dǎo)白光光源的空間光強(qiáng)分布，不同的光強(qiáng)分布誘導(dǎo)得到不同的光學(xué)折射率，從而引起折射率具有梯度。只要dn滿足上述理論模型式(4)，即可實(shí)現(xiàn)光束沿任意軌跡傳輸。當(dāng)然該模型可以容易地拓展到二維空間。

上述具體實(shí)施方式用來(lái)解釋說(shuō)明本發(fā)明，而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制，在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi)，對(duì)本發(fā)明作出的任何修改和改變，都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。