[发明专利]一种二维自冷却激光光镊装置和方法

摘要

本发明涉及一种二维自冷却激光光镊装置和方法。将光镊技术结合到光学腔中，利用微球位置与腔损耗的关系，实现捕获微粒的二维高速自冷却。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。

主权项

1.一种二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，其特征在于，采用二维自冷却激光光镊装置实现，装置包括泵浦激光、波分复用器、掺杂光纤、隔离器、双光纤光阱、微粒、位置探测器，其中掺杂光纤（13）、隔离器Ⅰ（4）和隔离器Ⅱ（5）、双光束光阱、微粒（7）构成环形腔，微粒（7）的前向散射光形成环形腔的散射损耗；泵浦激光（11）经过波分复用器（12）后进入掺杂光纤（13），掺杂光纤（13）中的增益介质得到泵浦激光（11）的泵浦后在两端出射激光，激光经过波长不同的隔离器Ⅰ（4）和隔离器Ⅱ（5）后形成波长不同的顺、逆时针两个方向激光光路，两个方向的激光从a、b两端出射，在微型捕获室（6）中形成双光束光阱，微粒（7）被捕获在双光束光阱中；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，顺、逆方向高斯激光束对向传输形成三维势阱，称为双光束光阱，双光束光阱将微粒束缚于光阱的中心；本发明将双光束光阱结合到环形腔中，掺杂光纤（13）、隔离器Ⅰ（4）和隔离器Ⅱ（5）、双光束光阱、微粒（7）构成环形腔，微粒（7）的前向散射光形成环形腔的散射损耗，散射损耗δ与偏移量x的关系表示为：，  (3)散射损耗δ与偏移量x为负相关关系，当微球垂直于光轴方向偏移时，顺/逆光路中微粒的遮挡减少，导致前向传递的光功率增大，顺/逆光路的散射损耗δ减小，导致掺杂光纤的捕获光功率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，增大的梯度力F_g促使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。