一种操控低折射率介质纳米粒子的装置和方法与流程

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。

技术实现要素：

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：

一种操控低折射率介质纳米粒子的装置，其包括激光器、扩束镜组、偏振转换器、反射镜ⅰ、分束器、空间光调制器ⅰ、光阑ⅰ、油浸物镜ⅰ、位移台、油浸物镜ⅱ、光阑ⅱ、空间光调制器ⅱ和反射镜ⅱ，上述各元器件均沿激光器所发出的平行的入射光所在的光路上分布。所述扩束镜组由两块焦距不同的透镜组成，能够将入射光扩束为特定束腰宽度的平行光。这里透镜的焦距取值需根据激光器的出射光斑尺寸和油浸物镜ⅰ与油浸物镜ⅱ的入光孔径大小而定；所述偏振转换器的输出偏振态为径向偏振；所述分束器为偏振非敏感型分束器，能够将一束光分为两束传播方向垂直的光束，并且不改变光场的偏振态分布。所述空间光调制器ⅰ和空间光调制器ⅱ均为反射型空间光调制器。所述光阑ⅰ和光阑ⅱ均用于调整透射光场的外径和内径。

径向偏振光在油浸物镜聚焦下的焦场分布可以根据理查德-沃尔夫矢量衍射理论计算(参考文献：q.zhan,adv.opt.photon.1,1–57(2009).)。处于焦场内的低折射率介质纳米粒子所受光力可用偶极近似的方法计算。粒子的力稳定性是用势阱深度来衡量。所涉及的光力分布和势阱深度的计算可参考文献(g.ruiandq.zhan,nanophotonics3,351–361(2014))。

本发明一种操控低折射率介质纳米粒子的方法，顺序执行以下步骤实现改变低折射率介质纳米粒子的三维运动轨迹，具体包括以下步骤：

步骤一、将激光器出射的激光通过扩束镜组，对光束进行准直扩束，扩束后的光束束腰半径与油浸物镜ⅰ和油浸物镜ⅱ的入光孔径相同；

步骤二、将步骤一中准直扩束后的激光通过偏振转换器，生成径向偏振的光场；

步骤三、利用反射镜ⅰ将步骤二中生成的径向偏振光场反射并垂直照射分束器。光束经过分束器后将变成两束径向偏振光，且传播方向彼此垂直；

步骤四、将步骤三中生成的两束光场中传播方向与步骤二中光场传播方向相反的光场照射空间光调制器ⅰ，并对空间光调制器加载位相其中为方位角，生成拓扑荷数为1的径向偏振涡旋光场；

步骤五、利用油浸物镜ⅰ将步骤五中生成的径向偏振涡旋光场聚焦，同时通过改变光阑ⅰ去调整光场的最大聚焦角度，所述光阑ⅰ为孔径光阑；

步骤六、针对步骤三中生成的两束光场中传播方向与步骤二中光场传播方向垂直的光场，利用反射镜ⅱ将其反射至另一空间光调制器ⅱ，并对该空间光调制器加载位相产生拓扑荷数为1的径向偏振涡旋光场，且与步骤四中生成的光场之间的相对位相差为π；

步骤七、利用油浸物镜ⅱ将步骤六中生成的径向偏振涡旋光场聚焦，同时通过改变光阑ⅱ去调整光场的最大聚焦角度，所述光阑ⅱ为孔径光阑；

步骤八、将装有低折射率介质纳米粒子的样品室放在位移台上，调整位移台使粒子处于焦场范围内。步骤五和步骤七中生成的光场相向传输且彼此干涉相长，合成为中空的球形焦斑。在该焦场作用下，低折射率介质粒子将被稳固地三维捕获在中空球形焦斑的中心。

据此，本发明一方面提供了一种动态操控低折射率介质纳米粒子的方法，顺序执行以下步骤实现改变低折射率介质纳米粒子的三维运动轨迹，具体包括以下步骤：

步骤1、重复上述方法的步骤一、二、三，将步骤四中空间光调制器ⅰ的加载位相调整为其中x0、y0和z0为中空球形焦斑中心所在位置的笛卡尔坐标；

步骤2、重复上述方法的步骤五，并将上述方法的步骤六中的空间光调制器ⅱ的加载位相调整为其中x0、y0和z0为中空球形焦斑中心所在位置的笛卡尔坐标；

步骤3、重复上述方法的步骤七、八，实现对低折射率纳米粒子位置的改变。通过按照此方式改变空间光调制器的加载位相，中空球形焦斑将被移动到设定的坐标，而原本被捕获在焦斑中心的低折射率介质纳米粒子也将移动到新的位置；

步骤4、考虑光学捕获的稳定性，粒子单次移动的最大距离由势阱宽度决定。因此可将粒子的运动路径拆分为一系列分立的坐标点，通过相应的连续改变步骤1和步骤2中空间光调制器ⅰ和空间光调制器ⅱ的加载位相，可实现粒子按照复杂轨迹运动。

本发明另一方面还提供一种同时三维捕获轴上多个低折射率介质纳米粒子的方法，包括以下步骤：

步骤i、重复权2中的步骤一、二、三、四，并将权2中的步骤五中的光阑ⅰ由孔径光阑更换为环形光阑，调整入射光场的最大和最小会聚角度；

步骤ii、重复权2中的步骤五、六，并将权2中的步骤七的光阑ⅱ由孔径光阑更换为环形光阑，调整入射光场的最大和最小会聚角度。步骤一和步骤二中生成的光场相向传输并发生干涉相长，在轴上生成多个连续的中空球形焦斑；

步骤iii、重复上述方法的步骤八，实现多个低折射率介质粒子的同时三维稳定捕获。

有益效果：

(1)本发明的功能性强。不同于传统的实心焦斑或甜甜圈型焦斑，利用两列相向传输的径向偏振涡旋焦场在光轴上生成数量可控的中空球形焦斑。由于入射能量被高度局域在轴对称的中空球形焦斑，梯度力在大幅提升的同时，粒子在光轴上所受的两束光产生的散射力也会相互抵消，可在溶液中实现对单个/多个低折射率粒子的稳定三维捕获；

(2)本发明的扩展性强。虽然本专利具体实施方式中以浸没在水中的半径为50纳米的空气泡为例，但对于其他不同材料和尺寸的介质纳米颗粒，基于本专利提出的方法都可实现稳定的光学操控，本领域技术人员只需根据现有技术针对不同的情况对聚焦条件进行优化设计。此外，通过改变聚焦条件，还可以实现多个低折射率介质粒子的同时捕获；

(3)本方法所提出的光学操控方法操作简便，灵活高效。通过改变空间光调制器的加载位相，可以在不引入机械扰动的情况下改变目标粒子的运动方式和运动轨迹。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图；

图2为中空球形焦斑在xz平面内的强度分布图；

图3为中空球形焦斑在xy平面内的强度分布图；

图4为低折射率粒子沿轴向所受的光力分布；

图5为低折射率粒子在纵向平衡位置处沿径向所受的光力分布；

图6为处于平衡位置的低折射率粒子沿轴向的势阱分布；

图7为处于平衡位置的低折射率粒子沿径向的势阱分布；

图8为中空球形焦斑移动到预设位置后在xz平面内的强度分布图；

图9为中空球形焦斑移动到预设位置后在xy平面内的强度分布图；

图10为多个中空球形焦斑在xz平面内的强度分布图；

图11为多个低折射率粒子沿轴向所受的光力分布；

图12为多个低折射率粒子沿轴向的势阱分布。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1所示，一种操控低折射率介质纳米粒子的装置，可分为包括激光器1、扩束镜组2、偏振转换器3、反射镜ⅰ4、分束器5、空间光调制器ⅰ6、光阑ⅰ7、油浸物镜ⅰ8、位移台9、油浸物镜ⅱ10、光阑ⅱ11、空间光调制器ⅱ12和反射镜ⅱ13等多个元器件，上述各元器件均沿激光器所发出的平行的入射光所在的光路上分布。其中，扩束镜组2由两块焦距不同的透镜组成，能够将入射光扩束为特定束腰宽度的平行光。这里透镜的焦距取值需根据激光器的出射光斑尺寸和油浸物镜ⅰ8和油浸物镜ⅱ10的入光孔径大小而定。偏振转换器3的输出偏振态为径向偏振。分束器5为偏振非敏感型分束器，能够将一束光分为两束传播方向垂直的光束，并且不改变光场的偏振态分布。空间光调制器ⅰ6和空间光调制器ⅱ12均为反射型空间光调制器。光阑ⅰ7和光阑ⅱ11均用于调整透射光场的外径和内径。

本发明提供了一种操控低折射率介质纳米粒子的方法，用于三维捕获低折射率介质纳米粒子，具体如下：

从激光器1发出一束波长为532纳米的激光，经过扩束镜组2后，光束被准直扩束，且束腰半径与油浸物镜ⅰ8和油浸物镜ⅱ10的入光孔径相同。继而光场经过偏振转换器3，透射光束的偏振态为径向偏振。利用反射镜ⅰ4将生成的径向偏振光场反射并垂直照射分束器5。光束经过分束器5后，将变成两束径向偏振光，且传播方向彼此垂直。将生成的两束光场中传播方向与偏振转换器3产生的光场传播方向相反的光场照射空间光调制器ⅰ6，且空间光调制器ⅰ6加载位相其中为方位角。利用油浸物镜ⅰ8将空间光调制器ⅰ6生成的径向偏振涡旋光场聚焦，同时通过改变孔径光阑ⅰ7将光场的最大聚焦角度调整为67.5度。将分束器5生成的两束光场中传播方向与偏振转换器3产生的光场传播方向垂直的光场，利用反射镜ⅱ13将其反射至空间光调制器ⅱ12，并对空间光调制器ⅱ12加载位相产生与空间光调制器ⅰ6生成的光场有π相对位相差，且拓扑荷为1的径向偏振涡旋光场。利用油浸物镜ⅱ10将空间光调制器ⅱ12生成的径向偏振涡旋光场聚焦，同时通过改变孔径光阑ⅱ11将光场的最大聚焦角度调整为67.5度。将装有低折射率介质纳米粒子的样品室放在位移台9上，调整位移台9使得粒子处于焦场范围内。油浸物镜ⅰ8和油浸物镜ⅱ10聚焦的光场相向传输并发生干涉相长，合成中空的球形焦斑。在该焦场作用下，低折射率介质粒子将被稳固地三维捕获在中空球形焦斑的中心。

使用本发明提供的上述方法，还可动态操控低折射率介质纳米粒子，具体如下：

从激光器1发出一束波长为532纳米的激光，经过扩束镜组2后，光束被准直扩束，且束腰半径与油浸物镜ⅰ8和油浸物镜ⅱ10的入光孔径相同。继而光场经过偏振转换器3，透射光束的偏振态为径向偏振。利用反射镜ⅰ4将生成的径向偏振光场反射并垂直照射分束器5。光束经过分束器5后，将变成两束径向偏振光，且传播方向彼此垂直。将生成的两束光场中传播方向与偏振转换器3产生的光场传播方向相反的光场照射空间光调制器ⅰ6，且将反射型空间光调制器ⅰ6的加载位相调整为其中为方位角，x0、y0和z0为中空球形焦斑中心所在位置的笛卡尔坐标。假设要将粒子移动到(5λ,2λ,10λ)处，则x0＝5λ，y0＝2λ，z0＝10λ，代入上述公式，空间光调制器ⅰ6的加载位相变为生成拓扑荷数为1的径向偏振涡旋光场。利用油浸物镜ⅰ8将空间光调制器ⅰ6生成的径向偏振涡旋光场聚焦，同时通过改变孔径光阑ⅰ7将光场的最大聚焦角度调整为67.5度。将分束器5生成的两束光场中传播方向与偏振转换器3产生的光场传播方向垂直的光场，利用反射镜ⅱ13将其反射至空间光调制器ⅱ12，并将反射型空间光调制器ⅱ12的加载位相调整为其中为方位角，x0、y0和z0为中空球形焦斑中心所在位置的笛卡尔坐标。假设仍要将粒子移动到(5λ,2λ,10λ)处，则x0＝5λ，y0＝2λ，z0＝10λ，代入上述公式，空间光调制器ⅱ12的加载相位变为产生与空间光调制器ⅰ6生成的光场有π相对位相差，且拓扑荷为1的径向偏振涡旋光场。利用油浸物镜ⅱ10将空间光调制器ⅱ12生成的径向偏振涡旋光场聚焦，同时通过改变孔径光阑ⅱ11将光场的最大聚焦角度调整为67.5度。将装有低折射率介质纳米粒子的样品室放在位移台9上，调整位移台9使得粒子处于焦场范围内。油浸物镜ⅰ8和油浸物镜ⅱ10聚焦的光场相向传输并发生干涉相长，合成中空的球形焦斑。由于其他的光学元件不发生变化，粒子将伴随着中空球形焦斑被移动到(5λ,2λ,10λ)处。

通过按照此方式改变空间光调制器的加载位相，中空球形焦斑将被移动到设定的坐标，而原本被捕获在焦斑中心的低折射率介质纳米粒子也将移动到新的位置，实现了动态操控低折射率介质纳米粒子的目的。另外，考虑光学捕获的稳定性，粒子单次移动的最大距离由势阱宽度决定。因此可将粒子的运动路径拆分为一系列分立的坐标点，通过相应的连续改变空间光调制器ⅰ6和空间光调制器ⅱ12的加载位相，还可实现粒子按照复杂轨迹运动的灵活调控。

使用本发明提供的上述方法，还可同时三维捕获轴上多个低折射率介质纳米粒子，具体如下：

从激光器1发出一束波长为532纳米的激光，经过扩束镜组2后，光束被准直扩束，且束腰半径与油浸物镜ⅰ8和油浸物镜ⅱ10的入光孔径相同。继而光场经过偏振转换器3，透射光束的偏振态为径向偏振。利用反射镜ⅰ4将生成的径向偏振光场反射并垂直照射分束器5。光束经过分束器5后，将变成两束径向偏振光，且传播方向彼此垂直。将生成的两束光场中传播方向与偏振转换器3产生的光场传播方向相反的光场照射空间光调制器ⅰ6，且空间光调制器ⅰ6加载位相其中为方位角。利用油浸物镜ⅰ8将空间光调制器ⅰ6生成的径向偏振涡旋光场聚焦，同时通过将光阑ⅰ7由孔径光阑更换为环形光阑，并将光场最大和最小会聚角分别限制为61.64度和36.87度，将分束器5生成的两束光场中传播方向与偏振转换器3产生的光场传播方向垂直的光场，利用反射镜ⅱ13将其反射至空间光调制器ⅱ12，并对空间光调制器ⅱ12加载位相产生与空间光调制器ⅰ6生成的光场有π相对位相差，且拓扑荷为1的径向偏振涡旋光场。利用油浸物镜ⅱ10将空间光调制器ⅱ12生成的径向偏振涡旋光场聚焦，同时通过将光阑ⅱ11由孔径光阑更换为环形光阑，并将光场最大和最小会聚角分别限制为61.64度和36.87度，将装有低折射率介质纳米粒子的样品室放在位移台9上，调整位移台9使得粒子处于焦场范围内。油浸物镜ⅰ8和油浸物镜ⅱ10聚焦的光场相向传输并发生干涉相长，在轴上生成多个连续的中空球形焦斑。

通过按照此方式改变光阑ⅰ7和光阑ⅱ11，实现了多个低折射率介质粒子的同时稳定三维捕获。

实施例

以下，以半径为50纳米的浸没在水中的空气泡为例，结合附图来具体说明本专利中提出的方法能够实现稳定的三维捕获。

对于浸没在水(折射率为1.33)中的空气泡(折射率为1)，激光器的入射功率为100毫瓦，所产生的光力即足以支持稳定的光学操控。

图2展示的是生成的焦斑在xz平面的强度的分布图，可见中央为圆形暗斑。

图3展示的是生成的焦斑在xy平面的强度的分布图，可见中央为圆形暗斑。

结合图2和图3，可见在焦场范围内生成了中空的球形焦斑。

图4展示的是空气泡在光轴方向所受的光力分布。可见气泡在光轴方向上存在平衡点，位置为z＝0。

图5展示了空气泡在z＝0处沿径向所受的光力分布，可见气泡在径向方向上存在平衡点，位置为r＝0。

图6展示的是处于平衡位置的空气泡在光轴方向的势阱分布，可见平衡点的势阱深度可达15kbt。

图7展示的是处于平衡位置的空气泡在径向方向的势阱分布，可见平衡点的势阱深度可达15kbt。

结合图4到图7，可见中空球形焦斑可在三维空间内稳定地将浸没在水中的空气泡捕获在焦斑的中心。

图8为将中空球形焦斑移动到(5λ,2λ,10λ)后在xz平面内的强度分布图。

图9为将中空球形焦斑移动到(5λ,2λ,10λ)后在xy平面内的强度分布图。

结合图8和图9，可见在焦斑移动的过程中其形状和强度的分布都维持不变，因此粒子将稳定地在三维空间内移动。

图10为多个焦斑在xz平面内的强度分布图，可见在焦场范围内生成了三个中空的球形焦斑。

图11为多个低折射率粒子沿轴向所受的光力分布，可见气泡在光轴方向上存在3个平衡点，位置分别是z＝-0.81λ,0,0.81λ。

图12为处于平衡位置的多个低折射率粒子沿轴向的势阱分布，可见平衡点的势阱深度约为20kbt。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。