專利名稱：多功能反向光鑷的制作方法
技術領域：
本實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 下對微粒進行捕獲，特別是對低折射率微粒、中性冷原子及金屬微粒等的捕獲及傳 輸，適用于原子光學、分子光學、生命科學等方面。
背景技術：
"光鑷"是以激光的力學效應為基礎，通過強會聚光場與微粒相互作用時形成 的光學勢阱，在微觀尺度下監(jiān)控和操縱微粒的一種物理工具。這種使用光束來實現(xiàn) 對微粒非機械接觸的捕獲，不會產生機械損傷，是一種"遙控"的操作。光鑷分為 標準光鑷和反向光鑷兩種，標準光鑷通過光束中心亮斑來捕獲折射率比環(huán)境介質高 的微粒，反向光鑷是利用光束中空暗斑來捕獲折射率低于環(huán)境介質的微粒，對中性 冷原子及金屬微粒也具有很好的捕獲效果，另外，由于反向光鑷對捕獲微粒的光學 加熱損傷可減至最小，對生物活細胞的捕獲具有重要價值。
反向光鑷不僅可以捕獲低折射率的介質、中性冷原子和金屬微粒等粒子，還可 以對微粒進行傳輸。可作為微粒相互作用過程中力的探針或稱為力的傳感器，能夠 有效的研究微粒的靜態(tài)和動態(tài)力學特性。常用的多個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，通過改變一束光波的位相使強會聚光場的強 度分布發(fā)生改變，從而驅動微粒進行傳輸。由于光的傳播路徑分離，此種方法比較 復雜且穩(wěn)定性不高。液晶向列空間光調制器可以實時控制入射光的位相和振幅從而 改變強會聚光場的強度分布，但光的利用率不高，且時間響應慢。另外由于強會聚 光場的去偏振效應，空間均勻線偏振光在強會聚光學系統(tǒng)中，光場焦斑強度分布在 光束傳播橫截面上并不是對稱的，這對微粒的三維穩(wěn)定捕獲是個不利的因素。
發(fā)明內容
本實用新型的目的在于克服上述現(xiàn)有技術的不足，提供一種多功能反向光鑷， 是一種能夠進行多微粒捕獲與傳輸的多功能反向光鑷。該光鑷具有結構簡單、可操 作性強、能對微粒進行三維穩(wěn)定捕獲和可控性傳輸。
本實用新型的基本原理是利用衍射光學元件調制單束空間軸對稱偏振光的波 前而改變強會聚光學系統(tǒng)焦點處的光場強度分布，以能夠在焦點附近形成多個中空 暗斑的三維光捕獲結構，同時利用壓電陶瓷驅動器，控制衍射光學元件及高數值孔 徑透鏡的移動從而控制中空暗斑的移動，以實現(xiàn)對捕獲在中空暗斑內的微粒進行傳 輸。本實用新型的技術解決方案如下
一種多功能反向光鑷，特點是其結構包括沿光束前進方向依次的空間軸對稱偏 振光產生器、衍射光學元件和高數值孔徑透鏡，所述的衍射光學元件和高數值孔徑 透鏡作為 一個整體由壓電陶瓷驅動器所控制驅動。
所述的空間軸對稱偏振光產生器是一塊圓形石英晶體薄片，空間軸對稱偏振光 產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個不同厚度的扇區(qū)，每個扇區(qū)對應的圓心角為W6，每個扇區(qū)的厚度標定為hn， 其值為
A" = ^(" — 0.5)，其中n為1至12的整數。
所述的衍射光學元件由三個圓環(huán)區(qū)域構成，其中心區(qū)域和外圓環(huán)區(qū)域的光透過 率分別為l，位相相差;r，而中環(huán)區(qū)域的光透過率為0。 本實用新型的技術效果
本實用新型多功能反向光鑷，可以對多個微粒進行三維穩(wěn)定捕獲，同時也可以 對微粒進行傳輸，快速且控制自由度大。同時本實用新型還具有成本低，制作方便 等特點。
圖1為本實用新型功能反向光鑷的光路結構示意圖
圖1中l(wèi)一空間軸對稱偏振光產生器；2 —衍射光學元件；3 —高數值孔徑透鏡。 方框表示2， 3元件由壓電陶瓷驅動器4控制，可沿光的傳播方向進行移動。光的傳 播方向設定為Z軸方向。
圖2為空間軸對稱偏振光光束傳播橫截面上偏振方向分布圖 圖3為軸對稱偏振光產生器沿光束傳播方向的投影結構分布圖 圖4為衍射光學元件結構圖 圖5為三維光捕獲結構簡圖具體實施方式
下面結合實施例和附圖對本實用新型做進一步的說明。
先請參閱圖l，圖l為本實用新型功能反向光鑷的光路結構示意圖，由圖可見， 本實用新型多功能反向光鑷，結構包括沿光束前進方向依次的空間軸對稱偏振光產 生器l、衍射光學元件2和高數值孔徑透鏡3，所述的衍射光學元件2和高數值孔徑 透鏡3作為一個整體由壓電陶瓷驅動器4控制驅動。
入射的準直空間均勻線偏振光通過空間軸對稱偏振光產生器1，轉化為偏轉角 可調的空間軸對稱偏振光，然后通過衍射光學元件2的調制和高數值孔徑透鏡3的強會聚在焦點附近形成多個中空暗斑，沿光的傳播方向呈準周期排列的結構，而微 粒就可被捕獲在中空暗斑內，光的傳播方向設定為Z軸正向。
本實用新型的特點是利用空間軸對稱偏振光產生器1形成的空間軸對稱偏振光 進行光學捕獲，空間軸對稱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軸正向指向紙內表示光的傳播方向。光束橫截 面上每一個空間點的偏振態(tài)是線性偏振的，圖2中箭頭的起點表示光束橫截面上的 空間點，箭頭的指向表示該空間點的光的偏振方向?？臻g各點的偏振方向與所在空 間點的角位置坐標^緊密聯(lián)系，其偏振方向以光束傳播方向為軸呈對稱性分布，具 有相同角位置^的各空間點的偏振方向相互平行，而不同角位置的空間點的偏振方 向由空間點的角位置0決定。角位置為e的空間點的偏振方向與x軸正向的夾角為 0 +①。，其中0。為偏轉角，如圖2所示，表示光束橫截面上角位置為0空間點的偏
振方向偏離徑向方向的角度?？臻g軸對稱偏振光產生器1的原理是利用石英晶體的 旋光效應來實現(xiàn)的，旋光效應是當線偏振的光束在石英晶體中沿著晶體光軸傳播時， 光的偏振方向會發(fā)生一定角度的偏轉，偏轉的角度稱為旋光角，旋光角的大小與晶 體的厚度成正比。本實用新型所述的空間軸對稱偏振光產生器1的石英晶體，沿光 束傳播方向的投影結構分布如圖3所示，xy平面表示投影面，z軸正向指向紙內代 表光的傳播方向，石英晶體被分割成12個扇形區(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)對應的圓心角為W6，每個扇區(qū)的厚度標定為hn，其值 為
/ "=丄0-0.5) (n=l，2，......12) (1)
其中《為旋光率。n代表著每個扇區(qū)的編號，如此入射的空間均勻線偏振光在通過 每個扇區(qū)時，因為每個扇區(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，光束通過每個扇區(qū)后，其偏振方向相對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化為準空間軸對稱偏振光，滿足應用需要，另外
沿光束傳播方向旋轉石英晶體，空間軸對稱偏振光的等價偏轉角o。會相應改變。
本實用新型的特點是利用衍射光學元件調制單束入射的空間軸對稱偏振光的位 相，能使其在高數值孔徑透鏡焦點附近形成奇特的強度分布。衍射光學元件結構圖 如圖4所示，其中包括三個圓環(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)的光透過率分別為e"-l， e"=-1，而附影部分202的光透過率 為0。不透光區(qū)202的存在，會影響著兩個透光區(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，兩個透光區(qū)的光場在高數值孔徑透鏡焦點附近干涉疊加，
形成暗斑沿光的傳播方向呈準周期排列分布的三維光捕獲結構，如圖5所示。區(qū)域 5表示光的高強度區(qū)，6表示暗斑區(qū)，而微粒7可被捕獲在暗斑區(qū)6中，P點表示高 數值孔徑透鏡的焦點位置，暗斑區(qū)6對稱分布于焦平面兩側，z軸表示光的傳播方 向為縱向方向，xy平面為光束傳播橫截面。由于偏振的軸對稱特性，光場強度分布 在光束傳播橫截面xy面上是對稱的，且可以通過旋轉石英晶體調整空間軸對稱偏振 光的偏轉角，平衡中空暗斑在徑向方向和縱向方向的光強度，以利于對微粒進行三 維穩(wěn)定捕獲。而且對于三個區(qū)域的衍射光學元件，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)的半徑尺寸做相應改變，就可以得到不同數量的中空暗 斑區(qū)6，以捕獲不同數量的微粒，這種二元衍射光學元件很容易利用離子束刻蝕工 藝制作。
本實用新型的特點還在于利用壓電陶瓷驅動器控制衍射光學元件和高數值孔徑 透鏡元件沿著光的傳播方向在微米尺度移動，高數值孔徑透鏡焦點的移動會帶動三 維光捕獲結構的移動。由于空間軸對稱偏振光衍射傳輸的光束發(fā)散角很小，且在衍 射傳輸過程中能夠保持偏振的軸對稱特性，移動元件導致的高數值孔徑焦點處的光 場強度分布形態(tài)基本不發(fā)生改變。壓電陶瓷驅動器作為一種理想的微位移驅動裝置， 其具有尺寸小、線性好、控制方便、位移分辨率高、頻率相應好、能耗低、無噪聲 等特點。
實施例1
本實用新型功能反向光鑷確定的步驟如下
1、 根據所述的激光光束口徑來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該系統(tǒng)，口徑為40ram。選取高數值孔徑透鏡，數值孔 徑NA:O. 98。
2、 根據所述的捕獲微粒的數目需要，確定衍射光學元件的各圓環(huán)的具體半徑 大小。選取焦點處暗斑的數目3個。參照圖4，外環(huán)區(qū)201和中心區(qū)203的內外環(huán)
半徑通過優(yōu)化模擬計算得到，分別為R2。3rt = Omm， 112()3外=18.47wm ;
R加內=25. 47mm， R加外=40mm。同時減小外環(huán)區(qū)201和中心區(qū)203的面積，也即增
加202區(qū)的面積，會引起暗斑個數的增加，優(yōu)化設計中控制圖5中捕獲結構6的光 強度極小值盡可能的小，捕獲結構5的暗斑周圍光強度極大值大于最大光強度的 0.1倍[見張艷麗et al.,高數值孔徑三維光鏈的研究，物理學報， 55， 2006， p. 1253-1258文獻中標明的亮點個數為N，而對應本實用新型的暗班數為 N-l，文獻中衍射光學元件的邊界用對焦點的張角e表示，對應本實用新型的半徑
尺寸為/sir^， /為高數值孔徑透鏡的焦距]。
3、 根據所述的旋光石英晶體，按照所設定的厚度進行加工。光波長為435.8nm的藍光，石英晶體12個扇區(qū)對應的厚度為h『0. 7229(n-0.5)ram. (n=l,2……12)。
4、 選取壓電陶瓷驅動器，確定壓電陶瓷器件的驅動電壓，可帶動元件進行線
性位移移動。驅動電壓為IOOV，產生的微位移為0-20//m.
5、 按照圖1安排元件布置，調整光路進行準直。首先確定入射的均勻線偏振 光的偏振方向，以光的傳播方向為軸旋轉石英晶體，找到最佳位置。最后在高數值 孔徑透鏡焦點附近就能夠得到三維光捕獲結構。
實施例2:
實施例2與實施例1的不同之處在于暗斑數目為5個，選取的衍射光學元件 的外環(huán)區(qū)201和中心區(qū)203的內外半徑分別為R203rt=0mra， 11203外=15.21附w ;
R2oi內=26' 85mm， R加外=40mm。 實施例3:
實施例3與實施例1的不同之處在于暗斑數目為7個，選取的衍射光學元件 的外環(huán)區(qū)201和中心區(qū)203的內外半徑分別為R203rt=0mni， 11203外=12.03附附；
R201ft =27' 59mm， R訓外=40mm° 實施例4:
實施例4與實施例1的不同之處在于暗斑數目為9個，選取的衍射光學元件
的外環(huán)區(qū)201和中心區(qū)203的內外半徑分別為R2O3rt=0mm， 11203外=8.67附w ;
R201ft =28' 16mm， R20W =40mm°
本實用新型用最簡單的結構及原理，用來實現(xiàn)對低折射率微粒、中性冷原子和 金屬微粒等進行穩(wěn)定捕獲及傳輸，對于在微觀尺度內研究微粒的動力特性，尤其是 在細胞生物學領域中研究生物細胞和生物大分子等微粒的力學特性，在微操作，微 測量中具有重要的使用價值。
權利要求1. 一種多功能反向光鑷，特征在于其結構包括沿光束前進方向依次的空間軸對稱偏振光產生器(1)、衍射光學元件(2)和高數值孔徑透鏡(3)，所述的衍射光學元件(2)和高數值孔徑透鏡(3)作為一個整體由壓電陶瓷驅動器(4)控制驅動，所述的空間軸對稱偏振光產生器(1)是一塊圓形石英晶體薄片，空間軸對稱偏振光產生器(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個不同厚度的扇區(qū)(h1、h2、h3、h4、h5、h6、h7、h8、h9、h10、h11、h12)，每個扇區(qū)對應的圓心角為π/6，每個扇區(qū)的厚度標定為hn，其值為其中n為1至12的整數；所述的衍射光學元件(2)由三個圓環(huán)區(qū)域(201、202、203)構成，其中心區(qū)域(203)和外圓環(huán)區(qū)域(201)的光透過率分別為1，位相相差π，而中環(huán)區(qū)域(202)光的透過率為0。
專利摘要一種用于多微粒捕獲與傳輸的多功能反向光鑷，特點是其結構包括沿光束前進方向依次的空間軸對稱偏振光產生器、衍射光學元件和高數值孔徑透鏡，所述的衍射光學元件和高數值孔徑透鏡作為一個整體由壓電陶瓷驅動器所控制驅動。本實用新型可對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，具有結構簡單、可操作性強、成本低的特點。
文檔編號G02B27/42GK201251650SQ20082015141
公開日2009年6月3日 申請日期2008年7月30日 優(yōu)先權日2008年7月30日
發(fā)明者燕 張, 張艷麗, 朱健強, 李小燕, 斌 王 申請人:中國科學院上海光學精密機械研究所