[发明专利]一种基于透镜组合的三维自冷却激光光镊装置和方法

权利要求书

1.一种基于透镜组合的三维自冷却激光光镊方法，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，实现三维的自冷却，其特征在于，采用一种基于透镜组合的三维自冷却激光光镊装置实现三维自冷却，

所述装置包括泵浦激光、波分复用器、掺杂光纤、隔离器、准直器、透镜、微粒，其中隔离器、准直器、透镜各有2个，

泵浦激光（1）经过波分复用器（2）后进入掺杂光纤（3），掺杂光纤（3）中的增益介质得到泵浦激光（1）的泵浦出射激光，

掺杂光纤（3）、隔离器Ⅰ（4）和隔离器Ⅱ（5）、准直器Ⅰ（6）和准直器Ⅱ（7）、反射镜Ⅰ（8）和反射镜Ⅱ（9）、透镜Ⅰ（10）和透镜Ⅱ（11）、微粒（12）构成的环形腔；泵浦出射激光经过隔离器Ⅰ（4）和隔离器Ⅱ（5）后形成顺时针、逆时针两个方向激光光路；顺时针方向的激光经过准直器Ⅰ（6）和反射镜Ⅰ（8）后进入透镜Ⅰ（10），逆时针方向的激光经过准直器Ⅱ（7）和反射镜Ⅱ（9）后进入透镜Ⅱ（11），形成双光束光阱，微粒（12）被捕获于双光束光阱中；

顺、逆两个方向的激光作用在微粒上产生两种力，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：

， (1)

， (2)

其中a为垂直光轴方向的捕获效率系数，b为沿光轴方向的捕获效率系数，P为捕获光功率，x为微球垂直光轴方向偏移量，y为微球沿捕获光轴方向的偏移量，梯度力F_g使得微粒向光功率大的方向移动，散射力F_s使得微粒沿着光传播方向移动，两束对向传输的激光光束形成三维势阱，被称为双光束光阱，双光束光阱将微粒束缚于光阱的中心；

当微球偏移光轴时，顺/逆时针光路中微粒的遮挡减少，导致前向传递的光功率增大，顺/逆光路的腔内损耗减小，导致掺杂光纤的出光功率P增大，捕获光功率P增大引起微粒受到的梯度力F_g增大，微粒快速恢复到光轴稳定位置，实现垂直于光轴方向的二维自冷却；

当微粒沿着腔内顺时针光路偏移时，微粒靠近一侧透镜Ⅰ，远离另一侧透镜Ⅱ，在透镜组合搭建光阱中，顺时针光路的捕获光从透镜Ⅱ出射经过微球后，耦合到透镜Ⅰ的光功率随微球偏离而减小，因此顺时针光路的腔内损耗δ_顺增大，导致掺杂光纤顺时针光路出光功率P减小；而逆时针光路的捕获光从透镜Ⅰ出射经过微球后，耦合到透镜Ⅱ的光功率随微球偏离而增大，逆时针光路的腔内损耗δ_逆减小，导致掺杂光纤逆时针光路出光功率P增大，设顺时针光路的散射力为F_s1，而逆时针光路为F_s2，顺时针光路出光功率减小导致散射力F_s1减小，而逆时针光路出光功率增大导致散射力F_s2增大，两光束的散射力作用使得微粒快速恢复到光轴向稳定位置，实现沿光轴方向冷却；

综合上述两种冷却，实现微粒的三维冷却。

2.根据权利要求1所述的一种基于透镜组合的三维自冷却激光光镊方法，其特征在于，所述顺时针、逆时针两个方向的激光照射在微粒时形成散射光，散射光包括：前向散射光、侧向散射光和后向散射光。