專利名稱：一種實現多邊形光鑷的裝置及其方法
技術領域：
本發明屬于應用光學技術領域，與聚焦光學系統焦點區域光強凋 節系統有關，特別是一種實現多邊形光鑷的裝置及其方法。主要應用 于光學微操縱及光與物質相互作用等領域。
背景技術：
早在1970年貝爾實驗室的A Ashkin就利用多光束激光的三 維勢阱成功鑷起并移動水溶液中的小玻璃珠。之后，這一激光鑷起微 粒的技術得到不斷改進，所能捕獲的粒子越來越小，1985年A ，Ashkin 開始采用單光束鑷起細菌及病毒等微小生物體，1987年利用1064納 米的激光成功鑷起病毒。在其后的20年間這一技術得到廣泛的應用 和發展,派生出透鏡光纖光鑷、微透鏡陣列光鑷、全息陣列光鑷等可 以應用于某些特殊領域的遠場光鑷技術，并成為生物醫學、化學、物 理學、光譜學、微細加工等眾多學科領域中的研究工具。在納米技術 和生命科學迅速發展的21世紀，做為這兩個領域得力工具的光鑷技 術的研究和應用得到了迅速的發展，特別是在生命科學領域，光鑷已 成為研究單個細胞和生物大分子行為不可或缺的有效工具。近些年 來，兩束光的相干模式又被利用來構成可調控的光鑷子，并且可以通 過改變兩束光的頻率差或光程差來連續地旋轉被捕獲的多個顆粒(K.Dholakia et al， "Simultaneous micromanipulation in multiple planes using a self reconstructing light beam, ，， Nature 2002， 419， 145， and "Creation and manipulation of three-dimensional opticallytrappedstructures, ，， Science2002， 296， p1101-1103)，盡管此種構成光鑷子的在先技術具有一定的優點，但 是仍然存在以下不足
1) 可調控光鑷子需要兩束光源進行相干，形成干涉模式來構成 光鑷子，裝置結構復雜，部件多。
2) 光鑷子裝置中被捕獲的粒子通過開關光源或大幅度調整光強 來實現顆粒的捕獲和釋放，控制方式靈活性差，甚至影響裝置使用壽 命。
發明內容
本發明為了解決上述現有技術的問題，提供了一種實現調控多邊 形光鑷、部件少、光能量利用率高、系統簡潔的實現多邊形光鑷的裝 置。
本發明為了解決上述現有技術的問題，還提供了一種實現調控多 邊形光鑷、調控便捷、光能量利用率高、方法靈活的實現多邊形光鑷 的方法。
本發明解決上述技術問題所采用的技術方案為一種實現多邊形 光鑷的裝置，由光源發射部件、光束直徑調節器、相位波前調節器、 光學聚焦部件組成；光源發射部件出射光束方向上依次置有光束直徑 調節器、相位波前調節器和光學聚焦部件，其特點是所述的相位波 前調節器是帶有相位拓樸數的環形相位波前調節器。
本發明所述的帶有相位拓樸數的環形相位波前調節器是區域半 徑大小可變的部件。調節相位呈螺旋狀變化，波前相位調節器的相對 半徑和拓撲數可調。
本發明所述的帶有相位拓樸數的環形相位波前調節器為由全息 方法制作的不同相位拓撲數的相位板組成。
本發明所述的帶有相位拓樸數的環形相位波前調節器為可編程 相位型空間光調制器、可編程液晶光學相位控制器件、光機電集成相 位控制器件。
本發明所述的光束直徑調節器為光束擴束倍率可調的光束擴束 光學部件。
作為優選，所述的光束擴束倍率可調的光束擴束光學部件為伽利
略型擴束鏡或開普敦型擴束鏡。
作為優選，所述的光源發射部件為氦氖激光器。
作為優選，所述的光學聚焦部件為尼康平場復消色差物鏡。
本發明解決上述技術問題所采用的另一技術方案為一種實現多
邊形光鑷的方法，其步驟為
a、 光源發出一束光；
b、 將光束的直徑進行調節，得到寬光束；
C、調節寬光束的波前相位；
d、將寬光束聚焦，實現多邊形光鑷；在實現多邊形光鑷的過程 中，不斷對寬光束進行波前相位的調節，實現不同形狀的多邊形光鑷。 本發明所述的調節寬光束的波前相位所使用的部件為區域半徑大小可變的部件或由全息方法制作的不同相位拓撲數的相位板組成。
本發明相對現有技術具有的優點和有益效果為
1) 只用一束光源進行形成可以操控的光鑷子裝置，裝置結構簡 單，部件多少。
2) 光鑷子裝置中被捕獲的粒子通過調節相位來實現顆粒的捕獲 和釋放，控制方式靈活性好，裝置使用壽命長。
3) 實現裝置結構簡單，操作方便，容易實現自動化。
4) 實現在顆粒所在位置處，可以方便地調節，不斷地形成新的
光鑷子捕獲顆粒，然后搬運到目的地。
圖1為本發明實施例的系統結構示意圖2為本發明實施例波前調節器示意圖3為本發明實施例的多邊形光鑷分布圖4為本發明實施例的多邊形光鑷分布圖
圖5為本發明實施例的多邊形光鑷分布圖
圖6為本發明實施例的多邊形光鑷分布圖。
具體實施例方式
以下結合附圖對本發明作進一步詳細描述，以下實施例是本發明 比較好的應用形式，但以下實施例不應看作是對本發明的限制。
實施例
本實施例的以下部分描述了一種實現多邊形光鑷的裝置
如圖1所示，本發明的實現多邊形光鑷的裝置包括氦氖激光器1、開普敦型擴束鏡2、可編程相位型空間光調制器3和尼康平場復消色 差物鏡4組成，開普敦型擴束鏡2、可編程相位型空間光調制器3和 尼康平場復消色差物鏡4依次設置在氦氖激光器1的出光路徑上。
工作時，氦氖激光器l出射相干光束經過開普敦型擴束鏡2，開 普敦型擴束鏡2對光束進行擴束，擴束后的激光束經過可編程相位型 空間光調制器3，如圖2所示，可編程相位型空間光調制器3對入射 的激光束的波前相位分布進行了螺旋狀相位變化調節，使相位分布呈 現螺旋狀相位變化，具有螺旋狀相位波前面的激光束經過尼康平場復 消色差物鏡4聚焦后，如圖3--6所示，在焦點區域形成了多邊形的 光鑷。
本實施例的以下部分描述了一種實現多邊形光鑷的方法 首先，氦氖激光器l發出一束光；
然后，用開普敦型擴束鏡2對光束進行擴束，得到寬光束；
然后，用可編程相位型空間光調制器3對寬光束的波前相位分布 進行螺旋狀相位變化調節；使相位分布呈現螺旋狀相位變化；
最后，將經過波前相位調節的寬光束用尼康平場復消色差物鏡4 聚焦，實現多邊形光鑷；
這時，不斷對寬光束進行波前相位的調節，如圖3--6所示，可 實現不同形狀的多邊形光鑷。
本發明的關鍵是，用帶有相位拓樸數的環形相位波前調節器調節 激光束的波前相位的手段，實現形成多邊形光鑷的目的。凡是采用本 發明的相似結構、方法及其相似變化，均應列入本發明的保護范圍。
權利要求
1、一種實現多邊形光鑷的裝置，由光源發射部件、光束直徑調節器、相位波前調節器、光學聚焦部件組成；光源發射部件出射光束方向上依次置有光束直徑調節器、相位波前調節器和光學聚焦部件，其特征在于所述的相位波前調節器是帶有相位拓樸數的環形相位波前調節器。
2、 根據權利要求1所述的實現多邊形光鑷的裝置，其特征在于 所述的帶有相位拓樸數的環形相位波前調節器是區域半徑大小可變 的部件。
3、 根據權利要求1所述的實現多邊形光鑷的裝置，其特征在于 所述的帶有相位拓樸數的環形相位波前調節器為由全息方法制作的 不同相位拓撲數的相位板組成。
4、 根據權利要求l所述的實現多邊形光鑷的裝置，其特征在于-所述的帶有相位拓樸數的環形相位波前調節器為可編程相位型空間 光調制器、可編程液晶光學相位控制器件、光機電集成相位控制器件。
5、 根據權利要求1所述的實現多邊形光鑷的裝置，其特征在于-所述的光束直徑調節器為光束擴束倍率可調的光束擴束光學部件。
6、 根據權利要求5所述的實現多邊形光鑷的裝置，其特征在于: 所述的光束擴束倍率可調的光束擴束光學部件為伽利略型擴束鏡或 開普敦型擴束鏡。
7、 根據權利要求1所述的實現多邊形光鑷的裝置，其特征在于:所述的光源發射部件為氦氖激光器。
8、 根據權利要求l所述的實現多邊形光鑷的裝置，其特征在于: 所述的光學聚焦部件為尼康平場復消色差物鏡。
9、 一種實現多邊形光鑷的方法，其步驟為a、 光源發出一束光；b、 將光束的直徑進行調節，得到寬光束； C、調節寬光束的波前相位；d、將寬光束聚焦，實現多邊形光鑷；在實現多邊形光鑷的過程 中，不斷對寬光束進行波前相位的調節，實現不同形狀的多邊形光鑷。
10、 根據權利要求1所述的實現多邊形光鑷的方法，其特征在于: 所述的調節寬光束的波前相位所使用的部件為區域半徑大小可變的 部件或由全息方法制作的不同相位拓撲數的相位板組成。
全文摘要
本發明涉及一種實現多邊形光鑷的裝置及其方法，屬于應用光學技術領域，主要應用于光學微操縱及光與物質相互作用等領域。其裝置由光源發射部件、光束直徑調節器、相位波前調節器、光學聚焦部件組成；光源發射部件出射光束方向上依次置有光束直徑調節器、相位波前調節器和光學聚焦部件，所述的相位波前調節器是帶有相位拓樸數的環形相位波前調節器。本發明具有實現調控多邊形光鑷、調控便捷、光能量利用率高、系統簡潔等優點。
文檔編號G02B13/00GK101345096SQ20081006265
公開日2009年1月14日 申請日期2008年6月28日 優先權日2008年6月28日
發明者李勁松, 高秀敏 申請人:中國計量學院