一種操控低折射率介質納米粒子的裝置和方法與流程

2023-05-13 15:15:06

本發明涉及一種光鑷技術，尤其是涉及一種操控低折射率介質納米粒子的裝置和方法，屬於光學捕獲和光學微操控技術領域。

背景技術：

1986年，ashkin成功的利用可見雷射的輻射壓力加速和捕獲微米尺寸的中性粒子，這種技術被形象地稱為光鑷。光鑷的出現使得人們對微小粒子的研究行為從被動觀察轉為主動操控，為化學、物理和生物等多個領域帶來革命性的創新。例如在生物領域中，科研人員利用光鑷技術對生物細胞、細菌和病毒等實現了非破壞性的無損捕獲和操控。由於此類基於雷射的光學微操控通常是在溶液中進行，待捕獲粒子與環境媒介之間的相對摺射率對粒子的行為起到了至關重要的作用。當粒子的折射率高於環境媒介時，聚焦的實心雷射光斑會將粒子穩定地捕獲在光斑中心的峰值強度位置。此外，折射率低於環境媒介的低折射率例子也在物理、化學、醫藥技術等多個領域起著舉足輕重的作用。例如，捕獲位於聲學共振腔內的空氣泡已經引發大量關於聲致光學、光化學等方面的研究，並且促進了生物和醫藥方面的新研究。除了空氣泡，低折射率粒子還可以應用於石油的油包水乳劑，食物和藥物的生產過程，並有助於藥物定向輸送和基因轉染的開發研究。然而，操控低折射率粒子依舊面臨巨大的挑戰，這主要歸因於捕獲光斑的形狀。通常的光鑷系統採用緊聚焦的線/圓偏振光場作用於粒子，這種實心的聚焦光斑會將低折射率粒子彈開。通過給光源施加位相/偏振的空間調控，可以生成強度為中空型分布的渦旋/角向偏振焦場，理論和實驗工作都證實此類焦場能夠在橫平面內將低折射率粒子控制在中心暗斑的位置。然而此類光場在光軸方向無法為粒子提供必要的平衡位置，這也是阻礙實現低折射率納米粒子在無襯底條件下三維操控的根本障礙。

技術實現要素：

本發明的目的在於克服上述不足，提出了一種操控低折射率介質納米粒子的裝置和方法，用於解決現存光鑷技術中無法在三維空間內捕獲折射率低於環境媒介的質納米粒子這一難題，並對粒子運動軌跡控制和多粒子操控提供了有效的解決方案。

為了實現上述的目的，本發明採用了如下的設計方案：

一種操控低折射率介質納米粒子的裝置，其包括雷射器、擴束鏡組、偏振轉換器、反射鏡ⅰ、分束器、空間光調製器ⅰ、光闌ⅰ、油浸物鏡ⅰ、位移臺、油浸物鏡ⅱ、光闌ⅱ、空間光調製器ⅱ和反射鏡ⅱ，上述各元器件均沿雷射器所發出的平行的入射光所在的光路上分布。所述擴束鏡組由兩塊焦距不同的透鏡組成，能夠將入射光擴束為特定束腰寬度的平行光。這裡透鏡的焦距取值需根據雷射器的出射光斑尺寸和油浸物鏡ⅰ與油浸物鏡ⅱ的入光孔徑大小而定；所述偏振轉換器的輸出偏振態為徑向偏振；所述分束器為偏振非敏感型分束器，能夠將一束光分為兩束傳播方向垂直的光束，並且不改變光場的偏振態分布。所述空間光調製器ⅰ和空間光調製器ⅱ均為反射型空間光調製器。所述光闌ⅰ和光闌ⅱ均用於調整透射光場的外徑和內徑。

徑向偏振光在油浸物鏡聚焦下的焦場分布可以根據理察-沃爾夫矢量衍射理論計算(參考文獻：q.zhan,adv.opt.photon.1,1–57(2009).)。處於焦場內的低折射率介質納米粒子所受光力可用偶極近似的方法計算。粒子的力穩定性是用勢阱深度來衡量。所涉及的光力分布和勢阱深度的計算可參考文獻(g.ruiandq.zhan,nanophotonics3,351–361(2014))。

本發明一種操控低折射率介質納米粒子的方法，順序執行以下步驟實現改變低折射率介質納米粒子的三維運動軌跡，具體包括以下步驟：

步驟一、將雷射器出射的雷射通過擴束鏡組，對光束進行準直擴束，擴束後的光束束腰半徑與油浸物鏡ⅰ和油浸物鏡ⅱ的入光孔徑相同；

步驟二、將步驟一中準直擴束後的雷射通過偏振轉換器，生成徑向偏振的光場；

步驟三、利用反射鏡ⅰ將步驟二中生成的徑向偏振光場反射並垂直照射分束器。光束經過分束器後將變成兩束徑向偏振光，且傳播方向彼此垂直；

步驟四、將步驟三中生成的兩束光場中傳播方向與步驟二中光場傳播方向相反的光場照射空間光調製器ⅰ，並對空間光調製器加載位相其中為方位角，生成拓撲荷數為1的徑向偏振渦旋光場；

步驟五、利用油浸物鏡ⅰ將步驟五中生成的徑向偏振渦旋光場聚焦，同時通過改變光闌ⅰ去調整光場的最大聚焦角度，所述光闌ⅰ為孔徑光闌；

步驟六、針對步驟三中生成的兩束光場中傳播方向與步驟二中光場傳播方向垂直的光場，利用反射鏡ⅱ將其反射至另一空間光調製器ⅱ，並對該空間光調製器加載位相產生拓撲荷數為1的徑向偏振渦旋光場，且與步驟四中生成的光場之間的相對位相差為π；

步驟七、利用油浸物鏡ⅱ將步驟六中生成的徑向偏振渦旋光場聚焦，同時通過改變光闌ⅱ去調整光場的最大聚焦角度，所述光闌ⅱ為孔徑光闌；

步驟八、將裝有低折射率介質納米粒子的樣品室放在位移臺上，調整位移臺使粒子處於焦場範圍內。步驟五和步驟七中生成的光場相向傳輸且彼此幹涉相長，合成為中空的球形焦斑。在該焦場作用下，低折射率介質粒子將被穩固地三維捕獲在中空球形焦斑的中心。

據此，本發明一方面提供了一種動態操控低折射率介質納米粒子的方法，順序執行以下步驟實現改變低折射率介質納米粒子的三維運動軌跡，具體包括以下步驟：

步驟1、重複上述方法的步驟一、二、三，將步驟四中空間光調製器ⅰ的加載位相調整為其中x0、y0和z0為中空球形焦斑中心所在位置的笛卡爾坐標；

步驟2、重複上述方法的步驟五，並將上述方法的步驟六中的空間光調製器ⅱ的加載位相調整為其中x0、y0和z0為中空球形焦斑中心所在位置的笛卡爾坐標；

步驟3、重複上述方法的步驟七、八，實現對低折射率納米粒子位置的改變。通過按照此方式改變空間光調製器的加載位相，中空球形焦斑將被移動到設定的坐標，而原本被捕獲在焦斑中心的低折射率介質納米粒子也將移動到新的位置；

步驟4、考慮光學捕獲的穩定性，粒子單次移動的最大距離由勢阱寬度決定。因此可將粒子的運動路徑拆分為一系列分立的坐標點，通過相應的連續改變步驟1和步驟2中空間光調製器ⅰ和空間光調製器ⅱ的加載位相，可實現粒子按照複雜軌跡運動。

本發明另一方面還提供一種同時三維捕獲軸上多個低折射率介質納米粒子的方法，包括以下步驟：

步驟i、重複權2中的步驟一、二、三、四，並將權2中的步驟五中的光闌ⅰ由孔徑光闌更換為環形光闌，調整入射光場的最大和最小會聚角度；

步驟ii、重複權2中的步驟五、六，並將權2中的步驟七的光闌ⅱ由孔徑光闌更換為環形光闌，調整入射光場的最大和最小會聚角度。步驟一和步驟二中生成的光場相向傳輸並發生幹涉相長，在軸上生成多個連續的中空球形焦斑；

步驟iii、重複上述方法的步驟八，實現多個低折射率介質粒子的同時三維穩定捕獲。

有益效果：

(1)本發明的功能性強。不同於傳統的實心焦斑或甜甜圈型焦斑，利用兩列相向傳輸的徑向偏振渦旋焦場在光軸上生成數量可控的中空球形焦斑。由於入射能量被高度局域在軸對稱的中空球形焦斑，梯度力在大幅提升的同時，粒子在光軸上所受的兩束光產生的散射力也會相互抵消，可在溶液中實現對單個/多個低折射率粒子的穩定三維捕獲；

(2)本發明的擴展性強。雖然本專利具體實施方式中以浸沒在水中的半徑為50納米的空氣泡為例，但對於其他不同材料和尺寸的介質納米顆粒，基於本專利提出的方法都可實現穩定的光學操控，本領域技術人員只需根據現有技術針對不同的情況對聚焦條件進行優化設計。此外，通過改變聚焦條件，還可以實現多個低折射率介質粒子的同時捕獲；

(3)本方法所提出的光學操控方法操作簡便，靈活高效。通過改變空間光調製器的加載位相，可以在不引入機械擾動的情況下改變目標粒子的運動方式和運動軌跡。

附圖說明

圖1為本發明裝置的結構示意圖；

圖2為中空球形焦斑在xz平面內的強度分布圖；

圖3為中空球形焦斑在xy平面內的強度分布圖；

圖4為低折射率粒子沿軸向所受的光力分布；

圖5為低折射率粒子在縱向平衡位置處沿徑向所受的光力分布；

圖6為處於平衡位置的低折射率粒子沿軸向的勢阱分布；

圖7為處於平衡位置的低折射率粒子沿徑向的勢阱分布；

圖8為中空球形焦斑移動到預設位置後在xz平面內的強度分布圖；

圖9為中空球形焦斑移動到預設位置後在xy平面內的強度分布圖；

圖10為多個中空球形焦斑在xz平面內的強度分布圖；

圖11為多個低折射率粒子沿軸向所受的光力分布；

圖12為多個低折射率粒子沿軸向的勢阱分布。

具體實施方式

下面結合附圖對本發明作更進一步的說明。

如圖1所示，一種操控低折射率介質納米粒子的裝置，可分為包括雷射器1、擴束鏡組2、偏振轉換器3、反射鏡ⅰ4、分束器5、空間光調製器ⅰ6、光闌ⅰ7、油浸物鏡ⅰ8、位移臺9、油浸物鏡ⅱ10、光闌ⅱ11、空間光調製器ⅱ12和反射鏡ⅱ13等多個元器件，上述各元器件均沿雷射器所發出的平行的入射光所在的光路上分布。其中，擴束鏡組2由兩塊焦距不同的透鏡組成，能夠將入射光擴束為特定束腰寬度的平行光。這裡透鏡的焦距取值需根據雷射器的出射光斑尺寸和油浸物鏡ⅰ8和油浸物鏡ⅱ10的入光孔徑大小而定。偏振轉換器3的輸出偏振態為徑向偏振。分束器5為偏振非敏感型分束器，能夠將一束光分為兩束傳播方向垂直的光束，並且不改變光場的偏振態分布。空間光調製器ⅰ6和空間光調製器ⅱ12均為反射型空間光調製器。光闌ⅰ7和光闌ⅱ11均用於調整透射光場的外徑和內徑。

本發明提供了一種操控低折射率介質納米粒子的方法，用於三維捕獲低折射率介質納米粒子，具體如下：

從雷射器1發出一束波長為532納米的雷射，經過擴束鏡組2後，光束被準直擴束，且束腰半徑與油浸物鏡ⅰ8和油浸物鏡ⅱ10的入光孔徑相同。繼而光場經過偏振轉換器3，透射光束的偏振態為徑向偏振。利用反射鏡ⅰ4將生成的徑向偏振光場反射並垂直照射分束器5。光束經過分束器5後，將變成兩束徑向偏振光，且傳播方向彼此垂直。將生成的兩束光場中傳播方向與偏振轉換器3產生的光場傳播方向相反的光場照射空間光調製器ⅰ6，且空間光調製器ⅰ6加載位相其中為方位角。利用油浸物鏡ⅰ8將空間光調製器ⅰ6生成的徑向偏振渦旋光場聚焦，同時通過改變孔徑光闌ⅰ7將光場的最大聚焦角度調整為67.5度。將分束器5生成的兩束光場中傳播方向與偏振轉換器3產生的光場傳播方向垂直的光場，利用反射鏡ⅱ13將其反射至空間光調製器ⅱ12，並對空間光調製器ⅱ12加載位相產生與空間光調製器ⅰ6生成的光場有π相對位相差，且拓撲荷為1的徑向偏振渦旋光場。利用油浸物鏡ⅱ10將空間光調製器ⅱ12生成的徑向偏振渦旋光場聚焦，同時通過改變孔徑光闌ⅱ11將光場的最大聚焦角度調整為67.5度。將裝有低折射率介質納米粒子的樣品室放在位移臺9上，調整位移臺9使得粒子處於焦場範圍內。油浸物鏡ⅰ8和油浸物鏡ⅱ10聚焦的光場相向傳輸並發生幹涉相長，合成中空的球形焦斑。在該焦場作用下，低折射率介質粒子將被穩固地三維捕獲在中空球形焦斑的中心。

使用本發明提供的上述方法，還可動態操控低折射率介質納米粒子，具體如下：

從雷射器1發出一束波長為532納米的雷射，經過擴束鏡組2後，光束被準直擴束，且束腰半徑與油浸物鏡ⅰ8和油浸物鏡ⅱ10的入光孔徑相同。繼而光場經過偏振轉換器3，透射光束的偏振態為徑向偏振。利用反射鏡ⅰ4將生成的徑向偏振光場反射並垂直照射分束器5。光束經過分束器5後，將變成兩束徑向偏振光，且傳播方向彼此垂直。將生成的兩束光場中傳播方向與偏振轉換器3產生的光場傳播方向相反的光場照射空間光調製器ⅰ6，且將反射型空間光調製器ⅰ6的加載位相調整為其中為方位角，x0、y0和z0為中空球形焦斑中心所在位置的笛卡爾坐標。假設要將粒子移動到(5λ,2λ,10λ)處，則x0＝5λ，y0＝2λ，z0＝10λ，代入上述公式，空間光調製器ⅰ6的加載位相變為生成拓撲荷數為1的徑向偏振渦旋光場。利用油浸物鏡ⅰ8將空間光調製器ⅰ6生成的徑向偏振渦旋光場聚焦，同時通過改變孔徑光闌ⅰ7將光場的最大聚焦角度調整為67.5度。將分束器5生成的兩束光場中傳播方向與偏振轉換器3產生的光場傳播方向垂直的光場，利用反射鏡ⅱ13將其反射至空間光調製器ⅱ12，並將反射型空間光調製器ⅱ12的加載位相調整為其中為方位角，x0、y0和z0為中空球形焦斑中心所在位置的笛卡爾坐標。假設仍要將粒子移動到(5λ,2λ,10λ)處，則x0＝5λ，y0＝2λ，z0＝10λ，代入上述公式，空間光調製器ⅱ12的加載相位變為產生與空間光調製器ⅰ6生成的光場有π相對位相差，且拓撲荷為1的徑向偏振渦旋光場。利用油浸物鏡ⅱ10將空間光調製器ⅱ12生成的徑向偏振渦旋光場聚焦，同時通過改變孔徑光闌ⅱ11將光場的最大聚焦角度調整為67.5度。將裝有低折射率介質納米粒子的樣品室放在位移臺9上，調整位移臺9使得粒子處於焦場範圍內。油浸物鏡ⅰ8和油浸物鏡ⅱ10聚焦的光場相向傳輸並發生幹涉相長，合成中空的球形焦斑。由於其他的光學元件不發生變化，粒子將伴隨著中空球形焦斑被移動到(5λ,2λ,10λ)處。

通過按照此方式改變空間光調製器的加載位相，中空球形焦斑將被移動到設定的坐標，而原本被捕獲在焦斑中心的低折射率介質納米粒子也將移動到新的位置，實現了動態操控低折射率介質納米粒子的目的。另外，考慮光學捕獲的穩定性，粒子單次移動的最大距離由勢阱寬度決定。因此可將粒子的運動路徑拆分為一系列分立的坐標點，通過相應的連續改變空間光調製器ⅰ6和空間光調製器ⅱ12的加載位相，還可實現粒子按照複雜軌跡運動的靈活調控。

使用本發明提供的上述方法，還可同時三維捕獲軸上多個低折射率介質納米粒子，具體如下：

從雷射器1發出一束波長為532納米的雷射，經過擴束鏡組2後，光束被準直擴束，且束腰半徑與油浸物鏡ⅰ8和油浸物鏡ⅱ10的入光孔徑相同。繼而光場經過偏振轉換器3，透射光束的偏振態為徑向偏振。利用反射鏡ⅰ4將生成的徑向偏振光場反射並垂直照射分束器5。光束經過分束器5後，將變成兩束徑向偏振光，且傳播方向彼此垂直。將生成的兩束光場中傳播方向與偏振轉換器3產生的光場傳播方向相反的光場照射空間光調製器ⅰ6，且空間光調製器ⅰ6加載位相其中為方位角。利用油浸物鏡ⅰ8將空間光調製器ⅰ6生成的徑向偏振渦旋光場聚焦，同時通過將光闌ⅰ7由孔徑光闌更換為環形光闌，並將光場最大和最小會聚角分別限制為61.64度和36.87度，將分束器5生成的兩束光場中傳播方向與偏振轉換器3產生的光場傳播方向垂直的光場，利用反射鏡ⅱ13將其反射至空間光調製器ⅱ12，並對空間光調製器ⅱ12加載位相產生與空間光調製器ⅰ6生成的光場有π相對位相差，且拓撲荷為1的徑向偏振渦旋光場。利用油浸物鏡ⅱ10將空間光調製器ⅱ12生成的徑向偏振渦旋光場聚焦，同時通過將光闌ⅱ11由孔徑光闌更換為環形光闌，並將光場最大和最小會聚角分別限制為61.64度和36.87度，將裝有低折射率介質納米粒子的樣品室放在位移臺9上，調整位移臺9使得粒子處於焦場範圍內。油浸物鏡ⅰ8和油浸物鏡ⅱ10聚焦的光場相向傳輸並發生幹涉相長，在軸上生成多個連續的中空球形焦斑。

通過按照此方式改變光闌ⅰ7和光闌ⅱ11，實現了多個低折射率介質粒子的同時穩定三維捕獲。

實施例

以下，以半徑為50納米的浸沒在水中的空氣泡為例，結合附圖來具體說明本專利中提出的方法能夠實現穩定的三維捕獲。

對於浸沒在水(折射率為1.33)中的空氣泡(折射率為1)，雷射器的入射功率為100毫瓦，所產生的光力即足以支持穩定的光學操控。

圖2展示的是生成的焦斑在xz平面的強度的分布圖，可見中央為圓形暗斑。

圖3展示的是生成的焦斑在xy平面的強度的分布圖，可見中央為圓形暗斑。

結合圖2和圖3，可見在焦場範圍內生成了中空的球形焦斑。

圖4展示的是空氣泡在光軸方向所受的光力分布。可見氣泡在光軸方向上存在平衡點，位置為z＝0。

圖5展示了空氣泡在z＝0處沿徑向所受的光力分布，可見氣泡在徑向方向上存在平衡點，位置為r＝0。

圖6展示的是處於平衡位置的空氣泡在光軸方向的勢阱分布，可見平衡點的勢阱深度可達15kbt。

圖7展示的是處於平衡位置的空氣泡在徑向方向的勢阱分布，可見平衡點的勢阱深度可達15kbt。

結合圖4到圖7，可見中空球形焦斑可在三維空間內穩定地將浸沒在水中的空氣泡捕獲在焦斑的中心。

圖8為將中空球形焦斑移動到(5λ,2λ,10λ)後在xz平面內的強度分布圖。

圖9為將中空球形焦斑移動到(5λ,2λ,10λ)後在xy平面內的強度分布圖。

結合圖8和圖9，可見在焦斑移動的過程中其形狀和強度的分布都維持不變，因此粒子將穩定地在三維空間內移動。

圖10為多個焦斑在xz平面內的強度分布圖，可見在焦場範圍內生成了三個中空的球形焦斑。

圖11為多個低折射率粒子沿軸向所受的光力分布，可見氣泡在光軸方向上存在3個平衡點，位置分別是z＝-0.81λ,0,0.81λ。

圖12為處於平衡位置的多個低折射率粒子沿軸向的勢阱分布，可見平衡點的勢阱深度約為20kbt。

以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出：對於本技術領域的普通技術人員來說，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。