[发明专利]一种基于二维光阱的自冷却激光光镊装置和方法

权利要求书

1.一种基于二维光阱的自冷却激光光镊方法，整个冷却过程不涉及外部反馈控制，由环形腔内部自反馈实现三维的自冷却，其特征在于，采用一种基于双光阱的自冷却激光光镊装置，该装置包括泵浦激光、波分复用器、掺杂光纤、隔离器、双光阱、激光器、分束器、微粒和位置探测器，其中激光器和分束器构成主捕获环路，

掺杂光纤、隔离器、双光阱和微粒形成自冷却环路，掺杂光纤一端连接波分复用器, 波分复用器另一端连接隔离器Ⅰ（4）一端，隔离器Ⅰ（4）另一端接入到双光阱的b光纤；掺杂光纤另一端连接隔离器Ⅱ（5）一端，隔离器Ⅱ（5）另一端接入到双光阱的d光纤；泵浦激光设置在波分复用器之前，位置探测器设置在双光阱外部；

其中主捕获环路与自冷却环路在捕获室中相互垂直；

所述的隔离器用于选择特定波长激光单向传输，当掺杂光纤提供的增益大于环形光路总损耗时，自冷却环路中形成波长不同方向相反的顺、逆两个方向激光，称为顺时针光路和逆时针光路；

激光作用在微粒上产生两种力，包括：垂直光轴方向的梯度力F_g和沿着光轴方向的散射力F_s，表示为：

，

，

其中a为垂直光轴方向的捕获效率系数，b为沿光轴方向的捕获效率系数，P为捕获光功率，x为微球垂直光轴方向偏移量，y为微球沿捕获光轴方向的偏移量，梯度力F_g使得微粒向光功率大的方向移动，散射力F_s使得微粒沿着光传播方向移动，顺、逆方向的激光束对向传输形成光学势阱，被称为双光束光阱，双光束光阱将微粒束缚于光阱的中心，主捕获环路和自冷却环路分别构成独立的双光束光阱，这种光阱结构称为二维光阱；

顺、逆时针两个方向的激光照射在微粒时形成散射光，冷却过程如下：

①当微球偏移自冷却环路光阱的光轴时，顺时针光路和逆时针光路中微粒的遮挡减少，导致前向传递的光功率增大，顺时针光路和逆时针光路的腔内损耗减小，导致掺杂光纤的出光功率P增大，捕获光功率P增大引起微粒受到的梯度力F_g增大，微粒快速恢复到光轴稳定位置，实现垂直于自冷却光路光轴方向的二维自冷却；

②当微粒沿着腔内顺时针环路偏移时，顺时针光路的腔内损耗δ_顺增大，导致掺杂光纤顺时针光路出光功率P减小；而逆时针光路的腔内损耗δ_逆减小，导致掺杂光纤逆时针光路出光功率P增大，设顺时针光路的散射力为F_s1，而逆时针光路为F_s2，顺时针光路出光功率减小导致散射力F_s1减小，而逆时针光路出光功率增大导致散射力F_s2增大，两光束的散射力作用使得微粒快速恢复到自冷却光路光轴向稳定位置，实现沿光轴方向冷却；

综合上述两种冷却，实现微粒的三维冷却。

2.根据权利要求1所述的一种基于二维光阱的自冷却激光光镊方法，其特征在于，所述散射光包括：前向散射光、侧向散射光和后向散射光，其中前向散射光为主要组成部分。

3.根据权利要求1所述的一种基于二维光阱的自冷却激光光镊方法，其特征在于，所述的泵浦激光用于泵浦掺杂光纤提供增益。

4.根据权利要求1所述的一种基于二维光阱的自冷却激光光镊方法，其特征在于，所述的波分复用器用于耦合泵浦激光到掺杂光纤光路中。