[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

说明书

本发明涉及一种基于透镜组合的三维自冷却激光光镊装置和方法。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。该方法将光镊结合到光腔中，利用微球三维位置与腔损耗的特性，实现捕获微粒的三维高速自冷却。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透镜组合的三维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。

将光镊技术结合到光纤激光器中形成损耗腔，使用透镜组合搭建特定光阱结构，使得微粒三维位置变化与激光器损耗形成特定关系，可以实现大刚度高速三维“自冷却”。使用透镜组合将光镊结合到环形腔内实现三维高速自冷却的装置和方法，目前还未见报道。

发明内容

为克服现有冷却技术的不足，本发明提出了一种基于透镜组合的三维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。本发明具有冷却速度高、结构简单、实用效果强等优点。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种基于透镜组合的三维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、准直器、透镜、微粒，其中隔离器、准直器、透镜各有2个，掺杂光纤3、隔离器Ⅰ4和隔离器Ⅱ5、准直器Ⅰ6和准直器Ⅱ7、反射镜Ⅰ8和反射镜Ⅱ9、透镜Ⅰ10和透镜Ⅱ11、微粒12构成的环形腔；激光经过波长不同的隔离器Ⅰ4和隔离器Ⅱ5后形成波长不同的顺时针、逆时针两个方向激光光路；顺时针方向的激光经过准直器Ⅰ6和反射镜Ⅰ8后进入透镜Ⅰ10，逆时针方向的激光经过准直器Ⅱ7和反射镜Ⅱ9后进入透镜Ⅱ11，形成双光束光阱，微粒12被捕获于双光束光阱中；

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光路中。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，两个不同的隔离器连接到掺杂光纤中形成波长不同的顺、逆两个方向激光。

将顺、逆两个方向的激光接入透镜组可以捕获微粒，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：

， (1)

， (2)