[发明专利]一种操控低折射率介质纳米粒子的装置和方法

说明书

本发明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。

技术领域

本发明涉及一种光镊技术，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领域。

背景技术

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。

发明内容

本发明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，本发明采用了如下的设计方案：