[发明专利]一种基于矢量光场的光操控系统与方法

说明书

本发明公开了一种基于矢量光场的光操控系统，包括：矢量光场生成单元、光操控试验单元和用于观察光矢量的成像观测单元；所述光操控试验单元包括照明光源、三维移动平台、光操控样品、二向色镜和物镜；所述光操控样品设置在三维移动平台上；所述照明光源设置在三维移动平台上方对准光操控样品；所述矢量光场生成单元包括依次沿水平轴设置的氦氖激光器、Q‑plate、第一衰减片和各向异性晶体。本发明通过把微粒平移到聚焦后的矢量光束上，携带有角动量的矢量光束把分离的轨道角动量作用在粒子上，从而实现对粒子高效、灵活的操控。

技术领域

本发明涉及光电子技术领域，具体涉及一种基于矢量光场的光操控系统与方法。

背景技术

自20世纪60年代以来，激光的发明给科学家研究光与物质相互作用过程提供了一种理想的相干光源，同时，激光的出现也为光学微操控技术的诞生埋下重要的基础。早在1970年，研究者A.Ashkin通过叠加两束相干且相向传输的聚焦光束，在焦点处成功捕获水中的微小颗粒，这一研究成果首次展示了利用聚焦光场来捕获微小颗粒，进而操控微小颗粒的行为。1986年，A.Ashkin进一步利用单束聚焦的激光光束实现对溶液中介质微粒的捕获，这一成果标志着光学微操控技术的诞生。随着科学研究的深入和科学技术的发展，光操控技术已在光学、生物医学、材料科学、纳米科学等诸多领域产生了重要应用。值得一提，A.Ashkin因其在光镊技术的贡献而被授予2018年诺贝尔物理学奖。

A.Ashkin提出的光操控技术原理是由光场的聚焦形成光学势阱，微小粒子由于受到光阱力的吸引而被稳定的束缚在光场中心，从而实现粒子的捕获。实事上，除了利用光场的强度变化来对微小粒子进行操控，人们也能够通过引入光场的角动量来实现粒子的操控。众所周知，自旋与轨道角动量是光场的两个基本属性，其中自旋角动量与光场的偏振相关，例如，一个左旋或右旋圆偏振光场，每个光子能够携带h或-h角动量；而轨道角动量则与光场的螺旋波阵面相关，螺旋波阵面具有光相位的方位依赖特性。前期研究结果表明，当一个携带角动量的光场与微小颗粒相互作用时，其自旋角动量能够使粒子绕着自身的转轴旋转，而在轨道角动量的作用下，微小粒子能够绕着光轴中心进行旋转。可见，角动量的引入能够驱动粒子的旋转，为操控粒子提供了一种新的途径。然而，目前绝多数的光操控技术主要依赖于标量光场，即偏振态在空间呈均匀分布的光场。但传统的标量光场的光操控技术存在对光强度依赖较大、操控方式较单调、自由度较低等缺点，而且操控系统比较大，集成度不高。

近年来，人们对光的认识不再仅局限具有空间均匀偏振态的标量光场。自从1961年Snitzer从理论上提出矢量光场基本概念后，研究人员慢慢把目光由标量光场转向矢量光场，这是一种在空间上偏振态呈不均匀分布的结构光场。这种独特的偏振态分布使其具有很多新颖的物理性质，在粒子捕获、光学通信、超分辨等许多科学领域有着重要的研究意义和潜在价值。

因此，行业内急需研发一种基于矢量光场的光操控技术。

发明内容

本发明的目的是为了克服以上现有技术存在的不足，提供了一种利用携带有角动量的矢量光场对CuO微粒进行光操控的基于矢量光场的光操控系统与方法。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种基于矢量光场的光操控系统，包括：矢量光场生成单元、光操控试验单元和用于观察光矢量的成像观测单元；所述光操控试验单元包括照明光源、三维移动平台、光操控样品、二向色镜和物镜；所述光操控样品设置在三维移动平台上；所述照明光源设置在三维移动平台上方对准光操控样品；所述矢量光场生成单元包括依次沿水平轴设置的氦氖激光器、Q-plate、第一衰减片和各向异性晶体，所述Q-plate与示波器连接，所述氦氖激光器输出的高斯光束依次经过Q-plate、第一衰减片和各向异性晶体后，生成携带有角动量的矢量光场，矢量光场经二向色镜反射后准直射入物镜，经物镜聚焦到光操控样品上，对光操控样品进行光操控，所述照明光源照射光操控样品，经光操控样品透射后由成像观测单元采集成像。