一種基于雙光束光阱實現(xiàn)光致旋轉(zhuǎn)的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于光學(xué)微操縱系統(tǒng)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種基于雙光束光阱實現(xiàn)光致旋轉(zhuǎn)的裝置及方法。
【背景技術(shù)】
[0002]介觀尺度微粒的角向運動是物理學(xué)和流體力學(xué)中的基本問題之一，控制介觀尺度微粒的角向運動對于生物細(xì)胞、生物大分子和納米馬達研宄以及微觀領(lǐng)域中物質(zhì)屬性的精確測量有著非常重要的應(yīng)用。而該尺度下的微粒難以用宏觀手段實現(xiàn)角向運動的操控。
[0003]光致旋轉(zhuǎn)是在光鑷的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的介觀尺度微粒角向操控技術(shù)，它利用光力或力矩實現(xiàn)微粒的旋轉(zhuǎn)控制。眾所周知，光子除了攜帶線動量外還有角動量，光經(jīng)過雙折射率微粒后光子角動量的變化能傳遞給微粒產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。1936年R.A.Beth利用細(xì)絲懸起來的半波片第一次在實驗上觀察到了光致旋轉(zhuǎn)現(xiàn)象，此后人們一直在探索光致旋轉(zhuǎn)的方法及其應(yīng)用。光鑷的出現(xiàn)促進了光致旋轉(zhuǎn)理論和技術(shù)的發(fā)展，由于光鑷可以實現(xiàn)介觀尺度微粒的位置控制，且能使它不再受其它機械摩擦力作用，使得光致旋轉(zhuǎn)在實驗上更容易實現(xiàn)。由于光致旋轉(zhuǎn)在光鑷原有三維位置操控的基礎(chǔ)上，增加了對被捕獲微粒角向維度的操控，在納米科技和生物科技領(lǐng)域具有良好的應(yīng)用前景，被廣泛應(yīng)用于微機械馬達、大生物分子的穩(wěn)定觀察及操控、粘滯系數(shù)的測量等多個方面。
[0004]目前研宄和應(yīng)用較多的光致旋轉(zhuǎn)方法主要包括角動量傳遞法、雙光束失準(zhǔn)法、光場調(diào)控法、旋轉(zhuǎn)光斑法、光場散射力推動類風(fēng)車微粒旋轉(zhuǎn)法等。其實質(zhì)是利用微粒的雙折射特性、吸收特性或其特殊形狀來改變捕獲激光的自旋角動量、軌道角動量或線動量，以達到利用光場推動微粒旋轉(zhuǎn)的目的。目前利用雙光束光阱實現(xiàn)光致旋轉(zhuǎn)都是基于雙光束失準(zhǔn)法。
[0005]雙光束失準(zhǔn)法光致旋轉(zhuǎn)是指在雙光束光阱中當(dāng)兩束捕獲激光相向傳輸且存在失準(zhǔn)時，光阱力對被捕獲微粒存在力矩的作用，使微粒發(fā)生旋轉(zhuǎn)。雙光束失準(zhǔn)法對被操控微粒的材料、形狀均無限制，具有廣泛的應(yīng)用前景，但該方法具有以下缺點:(1)失準(zhǔn)距離難以控制，當(dāng)失準(zhǔn)距離過大時，無法穩(wěn)定捕獲微粒，當(dāng)失準(zhǔn)距離過小時，旋轉(zhuǎn)速度很小；(2)該方法通過線動量的傳遞實現(xiàn)光致旋轉(zhuǎn)，無法實現(xiàn)微粒的高速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)；(3)利用光學(xué)成像法測量微粒轉(zhuǎn)速，測量精度較低。
[0006]自旋角動量傳遞法利用圓偏振光與雙折射微粒的相互作用實現(xiàn)的光致旋轉(zhuǎn)，可以獲得很高的轉(zhuǎn)速，并且產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的方式也較方便，具有良好的應(yīng)用前景。目前利用自旋角動量傳遞法實現(xiàn)光致旋轉(zhuǎn)都是基于單光束梯度力光阱(光鑷)系統(tǒng)，具有如下缺點:(I)單光束光致旋轉(zhuǎn)技術(shù)需要高度聚焦的激光束以形成較大的梯度力，容易損傷活體細(xì)胞，不利于活體細(xì)胞的旋轉(zhuǎn)操控；(2)單光束光致旋轉(zhuǎn)技術(shù)的工作距離受聚焦透鏡焦距限制，有效工作距離短，操作不便；(3)旋轉(zhuǎn)速度測量與控制精度低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明的原理如下:本發(fā)明基于雙光束光阱，利用自旋角動量傳遞法實現(xiàn)介觀尺度微粒的高速穩(wěn)定旋轉(zhuǎn)。被捕獲微粒為介觀尺度的雙折射材料微粒，雙折射材料是指能使光波發(fā)生雙折射并分解成不同偏振方向的兩束偏振光的晶體材料，包括石英、方解石、紅寶石等。兩束捕獲激光分別為不同波長的左旋圓偏振光和右旋圓偏振光，當(dāng)兩束圓偏振光作用于雙折射材料微粒時，光子本身的自旋角動量發(fā)生改變，根據(jù)動量守恒定律，角動量的改變傳遞給雙折射材料微粒使微粒旋轉(zhuǎn)。
[0008]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種基于雙光束光阱實現(xiàn)光致旋轉(zhuǎn)的裝置，該裝置由兩套光束調(diào)節(jié)系統(tǒng)、樣品池、照明系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)五個部分組成，其中兩套光束調(diào)節(jié)系統(tǒng)分別產(chǎn)生功率相同、波長不同的左旋和右旋圓偏振光，所述兩束圓偏振光從透明樣品池兩側(cè)輸入并對準(zhǔn)，用于捕獲和旋轉(zhuǎn)雙折射材料微粒，在樣品池下方利用照明系統(tǒng)提供照明，并在樣品池上方利用轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)進行觀察并測量雙折射材料微粒的旋轉(zhuǎn)速度。
[0009]其中光束調(diào)節(jié)系統(tǒng)由激光器、λ/2波片、偏振分束鏡和λ/4波片組成，激光器出射的連續(xù)激光經(jīng)λ/2波片和偏振分束鏡后形成線偏振光，兩套光束調(diào)節(jié)系統(tǒng)中激光器出射激光的波長應(yīng)不同，調(diào)節(jié)所述λ/2波片的光軸用于改變?nèi)肷涞狡穹质R激光的偏振狀態(tài)，從而達到調(diào)節(jié)偏振分束鏡出射線偏振光光強的目的，所述線偏振光經(jīng)過λ/4波片，通過調(diào)節(jié)左右兩套光束調(diào)節(jié)系統(tǒng)中所述λ/4波片的光軸使其與所述線偏振光偏振方向的夾角分別為±45°，使得出射激光分別變?yōu)樽笮陀倚龍A偏振光，將所述左旋和右旋圓偏振光輸入到樣品池內(nèi)作為捕獲激光，對雙折射材料微粒進行捕獲和旋轉(zhuǎn)控制。
[0010]之所以左右兩束捕獲激光分別為左旋和右旋圓偏振光，這是由待捕獲和旋轉(zhuǎn)雙折射材料微粒的旋轉(zhuǎn)方向與圓偏振光偏振方向的關(guān)系決定的，左旋與右旋圓偏振光會分別導(dǎo)致雙折射材料微粒的順時針與逆時針旋轉(zhuǎn)，因此在雙光束光阱中利用左旋和右旋圓偏振光捕獲并旋轉(zhuǎn)雙折射材料微粒能達到提高微粒旋轉(zhuǎn)速度的目的。
[0011]樣品池是裝載有雙折射材料微粒的透明玻璃容器，照明系統(tǒng)由LED光源和聚焦透鏡組成，位于樣品池的下方，其主要作用是為樣品池提供照明。
[0012]轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)由物鏡、雙色相濾光鏡、CCD圖像傳感器、λ/4波片、偏振分束鏡、兩個透鏡和兩個光電探測器組成，利用位于樣品池上方的物鏡收集捕獲光在經(jīng)雙折射材料微粒散射后形成的散射光束以及從照明系統(tǒng)透過樣品池后的照明光束，并利用雙色相濾光鏡將散射光束和照明光束分開，其中照明光束輸入到位于物鏡上方的CCD圖像傳感器中以便對雙折射材料微粒的捕獲和旋轉(zhuǎn)過程進行觀察，散射光包含左旋和右旋圓偏振光，其中左旋和右旋圓偏振光所占比例隨雙折射材料微粒的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生變化，散射光經(jīng)雙色相濾光鏡后傳播方向偏轉(zhuǎn)90度，經(jīng)過λ /4波片將左旋和右旋圓偏振光變?yōu)閮墒穹较蛳嗷ゴ怪钡木€偏振光，再利用偏振分束鏡將兩束偏振方向相互垂直的線偏振光分開，變?yōu)槠穹较虿蛔兊珎鞑シ较蚧ハ啻怪钡膬墒€偏振光，每束線偏振光均經(jīng)透鏡聚焦后，分別用光電探測器進行探測，將兩個光電探測器探測到的光強信號相除，所得信號的變化周期就是雙折射材料微粒的轉(zhuǎn)動周期，雙折射材料微粒的轉(zhuǎn)速就是其轉(zhuǎn)動周期的倒數(shù)。
[0013]本發(fā)明還提供一種基于雙光束光阱實現(xiàn)光致旋轉(zhuǎn)并測量其轉(zhuǎn)速的方法，該方法的具體步驟如下:
[0014]步驟一、裝配好前述基于雙光束光阱實現(xiàn)光致旋轉(zhuǎn)的裝置并調(diào)節(jié)左右兩套光束調(diào)節(jié)系統(tǒng)，使得兩套光束調(diào)節(jié)系統(tǒng)分別出射功率相同、波長不同的左旋和右旋圓偏振光；
[0015]步驟二、將兩束圓偏振光輸入到樣品池中并對準(zhǔn)，捕獲并旋轉(zhuǎn)雙折射微粒，并借助光束照明系統(tǒng)和轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)中的CCD圖像傳感器進行觀察；
[0016]步驟三、利用轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)測量微粒的旋轉(zhuǎn)速度:兩個光電探測器光強信號之比的變化周期即為雙折射材料微粒的轉(zhuǎn)動周期，雙折射材料微粒的轉(zhuǎn)速就是其轉(zhuǎn)動周期的倒數(shù)；
[0017]步驟四、利用兩套光束調(diào)節(jié)系統(tǒng)改變兩束捕獲光的光強和偏振狀態(tài)，從而改變微粒的位置和旋轉(zhuǎn)速度，并利用轉(zhuǎn)速測量系統(tǒng)觀測微粒的旋轉(zhuǎn)速度的變化情況。
[0018]兩束捕獲激光的波長均處在近紅外波段，這是由于近紅外對介觀微粒的捕獲效率最好，但同時兩束捕獲光的波長應(yīng)不同，因為當(dāng)兩束捕獲光波長相同時會發(fā)生相互干涉，從而影響微粒的捕獲。
[0019]微粒的旋轉(zhuǎn)速度隨兩束捕獲光的光強大小和偏振狀態(tài)的變化而變化，可以利用光束調(diào)節(jié)系統(tǒng)改變捕獲光的光強和偏振狀態(tài)，以實現(xiàn)對微粒旋轉(zhuǎn)速度的精密調(diào)控。此外，還可以通過改變兩束捕獲光光強的相對大小，控制微粒在光軸上的移動。
[0020]與雙光束失準(zhǔn)法光致旋轉(zhuǎn)相比，本發(fā)明的優(yōu)勢在于:
[0021]1.本發(fā)明利用自旋角動量傳遞法實現(xiàn)光致旋轉(zhuǎn)，可以通過改變兩束捕獲光的功率和偏振狀態(tài)來控制微粒轉(zhuǎn)速，控制精度更高。
[0022]2.本發(fā)明利用自旋角動量的傳遞實現(xiàn)微粒的光致旋轉(zhuǎn)，微粒的轉(zhuǎn)速更快，且穩(wěn)定性更好。
[0023]3.本發(fā)明通過測量微粒散射光中左旋和右旋圓偏振光所占比例隨微粒旋轉(zhuǎn)而發(fā)生的周期性變化測量