[发明专利]一种基于二维光阱的自冷却激光光镊装置和方法

说明书

本发明涉及一种基于二维光阱的自冷却激光光镊装置和方法。本发明将光镊结合到光腔中，利用椭球微粒位置与腔损耗的特性，实现捕获椭球微粒的高速自冷却。整个冷却过程不涉及外部反馈控制，由环形腔内部自反馈实现。具有结构简单、重复性好和实用性强等优点。此外，本发明不局限于光阱结构和光路结构，适用范围非常广。

技术领域

本发明涉及一种基于二维光阱的自冷却激光光镊装置和方法，属于光学工程领域和精密测量技术领域。

背景技术

光具有动量和能量，光动量的具体表现则为光力。两束相向传播的高斯激光束，可以形成能束缚微米尺度粒子的双光束光学势阱，简称双光束光阱。双光束光阱可以实现光学囚禁、光学牵引、光学拉伸和光致旋转等光学操纵功能，在精密测量领域中具有广泛的应用前景。

光学操纵主要运用了光的力学效应，将微粒束缚在微小的光阱里面，使得微粒的运动受到限制，这就是宏观的“冷却”。一般冷却方法可以分为开环冷却和闭环反馈冷却两种。开环冷却是指直接利用光功率固定条件下的光力的效应束缚微粒。闭环反馈冷却指利用微粒的偏移量作为反馈信号，控制光功率变化实现冷却，闭环反馈冷却能实现比开环冷却更好的冷却效果。传统的闭环反馈冷却主要使用外部电路实现反馈控制，反馈的速度受限于电路性能，难以适应高速冷却的需求。

光纤激光器可以实现非常高的增益，在损耗腔中有很大的应用价值。将光镊技术结合到光纤激光器中形成损耗腔，利用激光器自身反馈特性进行微粒冷却是一种新型的冷却技术。使用透镜组合实现沿捕获光轴方向的冷却，但是这种冷却方法结构较为复杂，体积较大不便于小型化。

将光镊技术结合到光纤激光器中，使用椭球微粒与光纤激光器形成损耗腔，使用双光阱捕获椭球微粒使其短轴接入损耗腔，利用椭球微粒短轴方向的散射特性与损耗的特定关系，可以实现沿捕获光轴方向的“自冷却”。使用双光阱将光镊结合到环形腔内实现高速自冷却的装置和方法，目前还未见报道。

发明内容

为克服现有冷却体积庞大的不足，本发明提出了一种基于二维光阱的自冷却激光光镊装置和方法，整个冷却过程不涉及外部反馈控制，由环形腔内部自反馈实现，可以实现三维的自冷却。本发明具有易于小型化、实用效果强、成本低廉等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于二维光阱的自冷却激光光镊装置，包括泵浦激光、波分复用器、掺杂光纤、隔离器、双光阱、激光器、分束器、微粒和位置探测器，其中激光器和分束器构成“主捕获环路”，掺杂光纤、隔离器、双光阱和微粒形成环形腔，为“自冷却环路”，其中主捕获环路与自冷却环路在捕获室中相互垂直。所述的泵浦激光用于泵浦掺杂光纤提供增益，所述的波分复用器用于耦合泵浦激光到掺杂光纤自冷却环路中。所述的隔离器用于选择特定波长激光单向传输，当掺杂光纤提供的增益大于环形光路总损耗时，自冷却环路中形成波长不同方向相反的顺、逆两个方向激光，称为“顺时针光路”和“逆时针光路”。

激光作用在微粒上会产生两种力，包括：垂直光轴方向的梯度力F_g和沿着光轴方向的散射力F_s，表示为：

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