[发明专利]一种可调谐的半导体激光光镊系统

说明书

本发明公开了一种可调谐的半导体激光光镊系统，包括边发射式半导体激光器及按激光器的激光光路依次放置的平凸柱透镜、梯度折射率透镜、轴棱锥和聚焦透镜，平凸柱透镜应放置在边发射式半导体激光器光出射传播规律过程中呈现圆形分布的位置处，聚焦透镜与轴棱锥顶点间的距离应大于聚焦透镜的焦距，小于边发射式半导体激光器出射光经过光束整形系统后透过轴棱锥产生类贝塞尔光束的最大无衍射距离。本发明的光镊系统，只要移动梯度折射率透镜(GRIN)与平凸柱透镜间的距离，就可以获得不同尺寸的局域空心光束，对粒子进行捕获和操作。该光镊系统，便于光镊系统的微型集成化，不用担心粒子的光学损伤问题，为半导体激光光镊系统提供了一种新的有效途径。

技术领域

本发明涉及了激光器光束整形领域，尤其涉及一种可调谐的半导体激光光镊系统。

背景技术

光镊又称为单光束梯度光阱。简单的说就是用一束高度汇聚的激光形成的三维势阱来俘获，操纵控制微小粒子。光镊技术是利用光与物质间动量传递的力学效应而形成的三维梯度光阱来操纵微粒。局域空心光束(Bottle beam)为一束沿光传输方向上有着局域三维封闭暗中空区域的光束。由于局域空心光束具有三维封闭的暗中空区域和极高的强度梯度，因此可作为激光导管、光镊和光学扳手等有力工具。局域空心光束光镊由于其本身具有非接触、低损伤的优点已经被成功应用于活体细胞、亚细胞层次微粒的操纵，所以光镊技术广泛应用于生物学领域。

目前，局域空心光束的获取方法已有众多报道，如光学全息法、贝塞尔光相干法、贝塞尔光聚焦法等。但大多都是基于氦氖激光器作为光源，在半导体激光器(LD)方面，直接应用产生贝塞尔光束及局域空心光束的报道较少，多作为部分相干光源，与氦氖激光进行对比。在半导体作为光源产生局域空心光束方面，研究报道量及深入水平，相较氦氖激光光源系统差距很大，缺乏对半导体激光远场光场调控的系统研究。

半导体激光器转换效率高、体积小、重量轻、多样化，便于系统的微型化，使系统更加紧凑，利用半导体激光器通过轴棱锥聚焦系统产生的无衍射光束相比中心波瓣尺寸会比固体和气体激光器的小，如果将半导体激光器直接应用于产生局域空心光束，无论是在生物还是原子冷却应用领域，具有明显优势。但由于非对称光波导的影响，半导体激光器输出的光束在垂直结平面方向和平行于结平面方向是非对称的，输出光束为像散椭圆高斯光束，光束质量不均衡。因此，在实际应用中必须采用光束整形方法，以解决光束质量差、功率密度低的问题。已经证明将高功率的半导体激光器产生的贝塞尔光束的中心波瓣尺寸减小到通过传统聚焦无法实现的水平的实用性。若是考虑系统的微型化，则应需要光源更加紧凑，需要考虑把固体或者气体激光器换成半导体激光器。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出了一种可调谐的半导体激光光镊系统，采用如下技术方案：

一种可调谐的半导体激光光镊系统，其特征在于：包括边半导体激光器及按激光器的激光光路依次放置的平凸柱透镜、梯度折射率透镜(GRIN)、轴棱锥和聚焦透镜，上述平凸柱透镜放置在边发射式半导体激光器光出射传播规律过程中呈现圆形分布的位置处，上述聚焦透镜与轴棱锥顶点间的距离应大于聚焦透镜的焦距，且小于半导体激光器出射光束经过整形系统后透过轴棱锥产生类贝塞尔光束的最大无衍射距离。

作为一种优选，上述半导体激光器为边发射式半导体激光器。

作为一种优选，上述梯度折射率透镜(GRIN)的f_x＝f_y，f_x为x方向梯度折射率透镜(GRIN)的焦距，f_y为y方向梯度折射率透镜(GRIN)的焦距。

作为一种优选，半导体激光器经光束系统整形后出射的变发散角α为0°～1.5°。

作为一种优选，上述光镊系统用局域空心光束对微粒进行捕获和操作