[发明专利]一种实现多边形光镊的装置及其方法

说明书

技术领域：

本发明属于应用光学技术领域，与聚焦光学系统焦点区域光强调节系统有关，特别是一种实现多边形光镊的装置及其方法。主要应用于光学微操纵及光与物质相互作用等领域。

背景技术：

早在1970年贝尔实验室的A·Ashkin就利用多光束激光的三维势阱成功镊起并移动水溶液中的小玻璃珠。之后，这一激光镊起微粒的技术得到不断改进，所能捕获的粒子越来越小，1985年A·Ashkin开始采用单光束镊起细菌及病毒等微小生物体，1987年利用1064纳米的激光成功镊起病毒。在其后的20年间这一技术得到广泛的应用和发展，派生出透镜光纤光镊、微透镜阵列光镊、全息阵列光镊等可以应用于某些特殊领域的远场光镊技术，并成为生物医学、化学、物理学、光谱学、微细加工等众多学科领域中的研究工具。在纳米技术和生命科学迅速发展的21世纪，做为这两个领域得力工具的光镊技术的研究和应用得到了迅速的发展，特别是在生命科学领域，光镊已成为研究单个细胞和生物大分子行为不可或缺的有效工具。近些年来，两束光的相干模式又被利用来构成可调控的光镊子，并且可以通过改变两束光的频率差或光程差来连续地旋转被捕获的多个颗粒(K.Dholakia et al，“Simultaneous micromanipulation in multipleplanes using a self reconstructing light beam，”Nature 2002，419，145，and“Creation and manipulation of three-dimensionaloptically trapped structures，”Science 2002，296，p1101-1103)，尽管此种构成光镊子的在先技术具有一定的优点，但是仍然存在以下不足：

1)可调控光镊子需要两束光源进行相干，形成干涉模式来构成光镊子，装置结构复杂，部件多。

2)光镊子装置中被捕获的粒子通过开关光源或大幅度调整光强来实现颗粒的捕获和释放，控制方式灵活性差，甚至影响装置使用寿命。

发明内容

本发明为了解决上述现有技术的问题，提供了一种实现调控多边形光镊、部件少、光能量利用率高、系统简洁的实现多边形光镊的装置。

本发明为了解决上述现有技术的问题，还提供了一种实现调控多边形光镊、调控便捷、光能量利用率高、方法灵活的实现多边形光镊的方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为一种实现多边形光镊的装置，由光源发射部件、光束直径调节器、相位波前调节器、光学聚焦部件组成；光源发射部件出射光束方向上依次置有光束直径调节器、相位波前调节器和光学聚焦部件，其特点是：所述的相位波前调节器是带有相位拓朴数的环形相位波前调节器。

本发明所述的带有相位拓朴数的环形相位波前调节器是区域半径大小可变的部件。调节相位呈螺旋状变化，波前相位调节器的相对半径和拓扑数可调。

本发明所述的带有相位拓朴数的环形相位波前调节器为由全息方法制作的不同相位拓扑数的相位板组成。

本发明所述的带有相位拓朴数的环形相位波前调节器为可编程相位型空间光调制器、可编程液晶光学相位控制器件、光机电集成相位控制器件。

本发明所述的光束直径调节器为光束扩束倍率可调的光束扩束光学部件。

作为优选，所述的光束扩束倍率可调的光束扩束光学部件为伽利略型扩束镜或开普敦型扩束镜。

作为优选，所述的光源发射部件为氦氖激光器。

作为优选，所述的光学聚焦部件为尼康平场复消色差物镜。

本发明解决上述技术问题所采用的另一技术方案为一种实现多边形光镊的方法，其步骤为：

a、光源发出一束光；

b、将光束的直径进行调节，得到宽光束；

c、调节宽光束的波前相位；

d、将宽光束聚焦，实现多边形光镊；在实现多边形光镊的过程中，不断对宽光束进行波前相位的调节，实现不同形状的多边形光镊。

本发明所述的调节宽光束的波前相位所使用的部件为区域半径大小可变的部件或由全息方法制作的不同相位拓扑数的相位板组成。

本发明相对现有技术具有的优点和有益效果为：

1)只用一束光源进行形成可以操控的光镊子装置，装置结构简单，部件多少。

2)光镊子装置中被捕获的粒子通过调节相位来实现颗粒的捕获和释放，控制方式灵活性好，装置使用寿命长。

3)实现装置结构简单，操作方便，容易实现自动化。