[发明专利]一种光学扳手

说明书

本发明提供了一种光学扳手，包括激光器、少模光纤、光纤探针以及沿少模光纤依次设置的模式剥离器、偏振控制器、全光纤声光模式转换器。本发明的光学扳手为全光纤结构，插入损耗小，光波模式可动态调整。

技术领域

本发明涉及光学设备技术领域，具体涉及一种光学扳手。

背景技术

光镊可利用光场强度空间变化形成的梯度力把微粒稳定地捕获在光场最强处即光束的焦点位置，当激光束移动时可以带动微粒一起运动，实现对微粒的三维精密操控。光镊技术自贝尔实验室科学家A.Ashkin于1986年发明以来，其研究和应用得到了迅速发展，特别在生命科学领域，光镊已成为不可或缺的工具，可以用来操控微粒、研究生物粒子的静态与动态力学行为、甚至对生物大分子进行精细操作。

光学扳手是在光镊技术的基础上，采用具有角动量(AM)的光束照射微粒，在囚禁微粒的同时，将部分角动量传递给微粒，从而引起其旋转，也就是在光镊对粒子的三维操纵的基础上又增加了一维角向操纵。1995年He等人最先在实验中观察到光子轨道角动量向粒子的传递，并实现了利用光学螺旋对微小粒子的操纵。光的角动量有两种，一种是与光束的偏振特性相关的自旋角动量(SAM)，采用这种光束时需要微粒具有较强的双折射特性；另一种角动量是与光束的螺旋形相位结构相关的轨道角动量(OAM)，这种光束也常被称为螺旋光、光涡旋等。由于自旋角动量的量子数只有±1，而轨道角动量的量子数可以非常大，在相同转速的要求下，轨道量子数高的光束所需的光功率可以小很多；同时，由于涡旋光束中心存在相位奇点，中心光强为零，所以使用涡旋光束的光镊与使用普通激光束的光镊相比具有更强的轴向捕陷力，举起同样的样品只需很少的激光功率，这就大大地减小了被捕陷细胞受到破坏的危险。

光纤光镊是利用光纤出射的激光束产生光学势阱来实现对微小粒子的操纵。由于光纤光镊具有独立的光路，使光阱及其操纵与光学显微镜分离，有效地解决了传统光镊仪器的弊端。1993年Constable等人利用两根精确准直、相向传播的光纤形成稳定的光阱成功实现了聚苯乙烯小球和活性酵母的捕获。2004年，日本Masahiro Ikeda等人用三根光纤光阱实现了液体中对称塑性微物体的悬浮，并且实现了旋转操纵。国内哈尔滨工程大学范立波小组对单、双光纤光镊进行了多方面的研究，设计了双芯光纤光镊，实现了对粒子的三维捕获。

由于光学扳手需要涡旋光束，而涡旋光束的产生仍是现在的一个难点。传统产生涡旋光束的方法有几何光学模式变换法、螺旋相位板法、计算全息法、液晶空间光调制法、激光直接输出法等，这些方法存在转换系统结构复杂、光学变换损耗大、螺旋拓扑荷单一或不纯净、较难获得稳定光源等一个或多方面缺点。所以光学扳手的一个重要研究方向是小型化、与光纤集成化。英国Bristol大学Siyuan Yu教授采用一种基于波导回音壁模式谐振腔的OAM发射器件，开辟了轨道角动量光子器件的大规模集成得途径；南加州大学将圆偏振的高斯光束入射到方型纤芯、圆环折射率分布的特种光纤中，在长度不到1cm的光纤中可以激发出量子数达到9的OAM模。浙江大学陈施洁通过控制入射角度实现了基于LP₂₁模的单光纤光镊系统。

然而目前的技术中普遍存在以下不足：

1.空间光模式转换的方法在用于光纤光镊时，大多需要在光纤的入射端进行精确耦合，确保激发光纤中指定的模式，耦合效率较低，插入损耗较大。

2.空间光模式转换的方法在用于光纤光镊时，当需要激发不同的OAM模式时，光纤入射端的耦合需要对应于不同的模式进行相应的调整，控制结构复杂，调整时间长，不适用于动态调整。

3.已有的全光纤模式转换方法，需要对倾斜长周期光栅或者特殊结构的光子晶体光纤进行扭转，也不适用于动态调整。

发明内容

本发明为解决目前的光学扳手插入损耗大、不适用于模式动态调整等技术问题，提供了一种光学扳手。

本发明采用的技术方案如下：