一种基于双光束光阱实现光致旋转的装置及方法

摘要

本发明属于光学微操纵系统技术领域，特别涉及一种基于双光束光阱实现光致旋转的装置及方法。该装置由两套光束调节系统、样品池、照明系统和转速测量系统五个部分组成，其中两套光束调节系统分别产生功率相同、波长不同的左旋和右旋圆偏振光，将两束圆偏振光从透明样品池两侧输入并对准，用于捕获和旋转双折射材料微粒，在样品池下方利用照明系统提供照明，并在样品池上方利用转速测量系统进行观察并测量双折射材料微粒的旋转速度。本发明具有控制精度更高、微粒的转速更快、且稳定性更好等优点。

说明书

技术领域

本发明属于光学微操纵系统技术领域，特别涉及一种基于双光束光阱实现光致旋 转的装置及方法。

背景技术

介观尺度微粒的角向运动是物理学和流体力学中的基本问题之一,控制介观尺度 微粒的角向运动对于生物细胞、生物大分子和纳米马达研究以及微观领域中物质属性 的精确测量有着非常重要的应用。而该尺度下的微粒难以用宏观手段实现角向运动的 操控。

光致旋转是在光镊的基础上发展起来的介观尺度微粒角向操控技术，它利用光力 或力矩实现微粒的旋转控制。众所周知，光子除了携带线动量外还有角动量，光经过 双折射率微粒后光子角动量的变化能传递给微粒产生转动。1936年R.A.Beth利用细 丝悬起来的半波片第一次在实验上观察到了光致旋转现象,此后人们一直在探索光致 旋转的方法及其应用。光镊的出现促进了光致旋转理论和技术的发展，由于光镊可以 实现介观尺度微粒的位置控制，且能使它不再受其它机械摩擦力作用，使得光致旋转 在实验上更容易实现。由于光致旋转在光镊原有三维位置操控的基础上，增加了对被 捕获微粒角向维度的操控，在纳米科技和生物科技领域具有良好的应用前景，被广泛 应用于微机械马达、大生物分子的稳定观察及操控、粘滞系数的测量等多个方面。

目前研究和应用较多的光致旋转方法主要包括角动量传递法、双光束失准法、光 场调控法、旋转光斑法、光场散射力推动类风车微粒旋转法等。其实质是利用微粒的 双折射特性、吸收特性或其特殊形状来改变捕获激光的自旋角动量、轨道角动量或线 动量，以达到利用光场推动微粒旋转的目的。目前利用双光束光阱实现光致旋转都是 基于双光束失准法。

双光束失准法光致旋转是指在双光束光阱中当两束捕获激光相向传输且存在失 准时，光阱力对被捕获微粒存在力矩的作用，使微粒发生旋转。双光束失准法对被操 控微粒的材料、形状均无限制，具有广泛的应用前景，但该方法具有以下缺点：(1) 失准距离难以控制，当失准距离过大时，无法稳定捕获微粒，当失准距离过小时，旋 转速度很小；(2)该方法通过线动量的传递实现光致旋转，无法实现微粒的高速稳定 旋转；(3)利用光学成像法测量微粒转速，测量精度较低。

自旋角动量传递法利用圆偏振光与双折射微粒的相互作用实现的光致旋转，可以 获得很高的转速，并且产生旋转的方式也较方便，具有良好的应用前景。目前利用自 旋角动量传递法实现光致旋转都是基于单光束梯度力光阱(光镊)系统，具有如下缺 点：(1)单光束光致旋转技术需要高度聚焦的激光束以形成较大的梯度力，容易损伤 活体细胞，不利于活体细胞的旋转操控；(2)单光束光致旋转技术的工作距离受聚焦 透镜焦距限制，有效工作距离短，操作不便；(3)旋转速度测量与控制精度低。

发明内容

本发明的原理如下：本发明基于双光束光阱，利用自旋角动量传递法实现介观尺 度微粒的高速稳定旋转。被捕获微粒为介观尺度的双折射材料微粒，双折射材料是指 能使光波发生双折射并分解成不同偏振方向的两束偏振光的晶体材料，包括石英、方 解石、红宝石等。两束捕获激光分别为不同波长的左旋圆偏振光和右旋圆偏振光，当 两束圆偏振光作用于双折射材料微粒时，光子本身的自旋角动量发生改变，根据动量 守恒定律，角动量的改变传递给双折射材料微粒使微粒旋转。

本发明采用的技术方案为：一种基于双光束光阱实现光致旋转的装置，该装置由 两套光束调节系统、样品池、照明系统和转速测量系统五个部分组成，其中两套光束 调节系统分别产生功率相同、波长不同的左旋和右旋圆偏振光，所述两束圆偏振光从 透明样品池两侧输入并对准，用于捕获和旋转双折射材料微粒，在样品池下方利用照 明系统提供照明，并在样品池上方利用转速测量系统进行观察并测量双折射材料微粒 的旋转速度。

其中光束调节系统由激光器、λ/2波片、偏振分束镜和λ/4波片组成，激光器出 射的连续激光经λ/2波片和偏振分束镜后形成线偏振光，两套光束调节系统中激光器 出射激光的波长应不同，调节所述λ/2波片的光轴用于改变入射到偏振分束镜激光的 偏振状态，从而达到调节偏振分束镜出射线偏振光光强的目的，所述线偏振光经过λ/4 波片，通过调节左右两套光束调节系统中所述λ/4波片的光轴使其与所述线偏振光偏 振方向的夹角分别为±45°，使得出射激光分别变为左旋和右旋圆偏振光，将所述左旋 和右旋圆偏振光输入到样品池内作为捕获激光，对双折射材料微粒进行捕获和旋转控 制。

之所以左右两束捕获激光分别为左旋和右旋圆偏振光，这是由待捕获和旋转双折 射材料微粒的旋转方向与圆偏振光偏振方向的关系决定的，左旋与右旋圆偏振光会分 别导致双折射材料微粒的顺时针与逆时针旋转，因此在双光束光阱中利用左旋和右旋 圆偏振光捕获并旋转双折射材料微粒能达到提高微粒旋转速度的目的。

样品池是装载有双折射材料微粒的透明玻璃容器，照明系统由LED光源和聚焦 透镜组成，位于样品池的下方，其主要作用是为样品池提供照明。

转速测量系统由物镜、双色相滤光镜、CCD图像传感器、λ/4波片、偏振分束镜、 两个透镜和两个光电探测器组成，利用位于样品池上方的物镜收集捕获光在经双折射 材料微粒散射后形成的散射光束以及从照明系统透过样品池后的照明光束，并利用双 色相滤光镜将散射光束和照明光束分开，其中照明光束输入到位于物镜上方的CCD 图像传感器中以便对双折射材料微粒的捕获和旋转过程进行观察，散射光包含左旋和 右旋圆偏振光，其中左旋和右旋圆偏振光所占比例随双折射材料微粒的旋转而发生变 化，散射光经双色相滤光镜后传播方向偏转90度，经过λ/4波片将左旋和右旋圆偏振 光变为两束偏振方向相互垂直的线偏振光，再利用偏振分束镜将两束偏振方向相互垂 直的线偏振光分开，变为偏振方向不变但传播方向互相垂直的两束线偏振光，每束线 偏振光均经透镜聚焦后，分别用光电探测器进行探测，将两个光电探测器探测到的光 强信号相除，所得信号的变化周期就是双折射材料微粒的转动周期，双折射材料微粒 的转速就是其转动周期的倒数。

本发明还提供一种基于双光束光阱实现光致旋转并测量其转速的方法，该方法的 具体步骤如下：

步骤一、装配好前述基于双光束光阱实现光致旋转的装置并调节左右两套光束调 节系统，使得两套光束调节系统分别出射功率相同、波长不同的左旋和右旋圆偏振光；

步骤二、将两束圆偏振光输入到样品池中并对准，捕获并旋转双折射微粒，并借 助光束照明系统和转速测量系统中的CCD图像传感器进行观察；

步骤三、利用转速测量系统测量微粒的旋转速度：两个光电探测器光强信号之比 的变化周期即为双折射材料微粒的转动周期，双折射材料微粒的转速就是其转动周期 的倒数；

步骤四、利用两套光束调节系统改变两束捕获光的光强和偏振状态，从而改变微 粒的位置和旋转速度，并利用转速测量系统观测微粒的旋转速度的变化情况。

两束捕获激光的波长均处在近红外波段，这是由于近红外对介观微粒的捕获效率 最好，但同时两束捕获光的波长应不同，因为当两束捕获光波长相同时会发生相互干 涉，从而影响微粒的捕获。

微粒的旋转速度随两束捕获光的光强大小和偏振状态的变化而变化，可以利用光 束调节系统改变捕获光的光强和偏振状态，以实现对微粒旋转速度的精密调控。此外， 还可以通过改变两束捕获光光强的相对大小，控制微粒在光轴上的移动。

与双光束失准法光致旋转相比，本发明的优势在于：

1.本发明利用自旋角动量传递法实现光致旋转，可以通过改变两束捕获光的功率 和偏振状态来控制微粒转速，控制精度更高。

2.本发明利用自旋角动量的传递实现微粒的光致旋转，微粒的转速更快，且稳定 性更好。

3.本发明通过测量微粒散射光中左旋和右旋圆偏振光所占比例随微粒旋转而发生 的周期性变化测量微粒转速，转速测量的精度更高。

与单光束自旋角动量传递法光致旋转相比，本发明的优势在于：

1.本发明利用双光束光阱技术实现光致旋转，主要利用捕获光的散射力实现微粒 的捕获和旋转，不需要对激光束进行高度聚焦处理，不易损伤活体细胞。

2.本发明利用双光束光阱技术实现光致旋转，可以通过改变两束捕获光的功率比 控制被捕获微粒在光轴上移动，有效工作距离长，操作简单方便。

3.基于双光束光阱的光致旋转技术，在原有单光束控制的基础上，可以同时控制 两束捕获光的功率和偏振状态，控制精度高，且有利于微粒旋转速度的测量。

附图说明

图1为基于双光束光阱实现光致旋转的装置结构图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明，但不应因此限制本发明的保护范围。

参考图1，本发明所述基于双光束光阱实现光致旋转的装置，由一号光束调节系 统100、二号光束调节系统200、照明系统300、样品池400和转速测量系统500组成。 两套光束调节系统100、200分别输出功率相等、波长不同的左旋和右旋圆偏振光， 将这两束左旋和右旋圆偏振光作为捕获光输入到样品池400中并对准，用于捕获和旋 转双折射材料微粒。在样品池下方利用照明系统300提供照明，并在样品池上方利用 转速测量系统500进行观察并测量微粒的旋转速度。

所述一号光束调节系统100由激光器101、λ/2波片102、偏振分束镜103、λ4 波片104组成。激光器101发射的捕获激光经λ/2波片102和偏振分束镜103后形成 线偏振光，调节所述λ/2波片102的光轴用于改变入射到偏振分束镜103激光的偏振 状态，从而达到调节偏振分束镜103出射线偏振光光强的目的，将出射的线偏振光经 λ/4波片104，调节λ/4波片104使出射光变为左旋圆偏振光。

所述二号光束调节系统200由激光器201、λ/2波片202、偏振分束镜203、λ/4 波片204组成。二号光束调节系统200的装置和一号光束调节系统100相同，但激光 器201出射激光波长与一号光束调节系统100中激光器101的出射激光波长应不同， 以防两束捕获光发生干涉影响双折射材料微粒的捕获，且其出射光为右旋圆偏振光。 调节两束捕获光功率相等，将两束捕获光对准并射入样品池400中用于捕获和旋转双 折射材料微粒。

所述照明系统300由LED光源301和透镜302组成，其主要作用是为样品池400 提供照明。样品池400是装载有双折射微粒401的玻璃容器。

所述转速测量系统500由物镜501、双色相滤光镜502，CCD图像传感器503， λ/4波片504，偏振分束镜505，透镜506、光电探测器507、透镜508和光电探测器 509组成。双折射材料微粒的散射光和照明光束经物镜501收集后被双色相滤光镜502 分成两束，其中一束为照明光，其传输方向不变，输入到CCD图像传感器503中以 方便对双折射材料微粒的捕获和旋转过程进行观察，另一束为散射光，其传输方向偏 转90度后射入λ/4波片504，散射光包含左旋和右旋圆偏振光，当双折射材料微粒401 发生转动时，散射光所包含的左旋和右旋圆偏振光所占的比例也发生变化。左旋和右 旋圆偏振光经λ/4波片504后分别变为偏振方向互相垂直的线偏振光，射入偏振分束 镜505，偏振分束镜505将偏振方向互相垂直的线偏振光分开，其中一束线偏振光传 播方向不变，经透镜508后输入到光电探测器509中，另一束线偏振光的传播方向偏 转90度后经透镜506后输入到光电探测器507中，光电探测器507、509探测到的光 强信号之比可表示散射光中左旋和右旋圆偏振光光强之比，由于左旋和右旋圆偏振光 所占比例随双折射材料微粒的旋转而发生周期性变化，所述光强信号之比的变化周期 即为双折射材料微粒的转动周期，双折射材料微粒的转速就是其转动周期的倒数。