阅读说明：本技术 一种基于矢量光场的光操控系统与方法 (Light control system and method based on vector light field ) 是由 付神贺 刘国华 陈振强 李�真 尹浩 于 2019-10-21 设计创作，主要内容包括：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。(The invention discloses a light control system based on a vector light field, which comprises: the device comprises a vector light field generating unit, a light control testing unit and an imaging observation unit for observing light vectors; the light control test unit comprises a lighting source, a three-dimensional moving platform, a light control sample, a dichroic mirror and an objective lens; the light manipulation sample is arranged on a three-dimensional moving platform; the illumination light source is arranged above the three-dimensional moving platform and aligned with the light manipulation sample; the vector light field generating unit comprises a helium-neon laser, a Q-plate, a first attenuation sheet and an anisotropic crystal which are sequentially arranged along a horizontal axis. The invention translates the particles to the focused vector light beam, and the vector light beam carrying the angular momentum acts on the particles with the separated orbital angular momentum, thereby realizing the efficient and flexible control of the particles.)

一种基于矢量光场的光操控系统与方法

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。

优选地，所述成像观测单元包括：筒镜、反射镜、第二衰减片和CCD摄像机；所述照明光源经光操控样品透射后经过物镜、二向色镜后射入筒镜，在经反射镜、第二衰减片后进入CCD摄像机，所述CCD摄像机和计算机连接。

优选地，所使用的各向异性晶体为双折射晶体。

优选地，所述双折射晶体为正双折射晶体或者负双折射晶体。

优选地，所述光操控样品为CuO溶液，CuO溶液放置在两片玻片之间。

一种基于上述的基于矢量光场的光操控系统的光操控方法，包括：

S1，制作预设浓度的光操控样品；

S2，所述氦氖激光器输出高斯光束，高斯光束经已通电的Q-plate生成矢量光场，所述矢量光场经各向异性晶体诱导出绝对值相等、符号相反的自旋角动量和轨道角动量，携带有角动量的矢量光场经二向色镜反射后准直射入物镜；

S3，将光操控样品放置在三维移动平台的样品台上，开启照明光源照射光操控样品；同时经物镜聚焦的矢量光场聚焦到光操控样品上，对光操控样品进行光操控；

S4，所述照明光源经光操控样品透射后由成像观测单元采集成像。

优选地，步骤S1包括：向试管中加入微米量级的CuO微粒和适量的蒸馏水，搅拌，使CuO微粒和蒸馏水充分混合，用移液枪向面积1×1cm²、厚度为0.1mm的玻片滴上已配置好的微粒溶液，且用规格完全相同的玻片盖在盛放溶液的玻片上。

优选地，步骤S3还包括：调节三维移动平台的螺旋轴，把光操控样品的微粒缓慢平移到矢量光场的光斑中心，矢量光场对微粒作用，使微粒旋转。

优选地，在步骤S2中，示波器和Q-plate连接，示波器输出5V、频率为50％的矩形波至Q-plate。

本发明相对于现有技术具有如下优点：

在方案中氦氖激光器发出的高斯光束经过加了电压的Q-plate产生矢量光束，由于矢量光场在空间任意位置都是线偏振的，其总动量为零。然而，当这种矢量光场与各向异性晶体，光场的自旋与轨道发生相互作用，诱发出绝对值相等、符号相反的自旋角动量和轨道角动量。此时，通过把微粒平移到聚焦后的矢量光束上，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，具有较大的使用价值和意义，有望被广泛应用。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的基于矢量光场的光操控系统的结构示意图。

图2为本发明的基于矢量光场的光操控方法的流程示意图。

图3是本发明的高斯光束经Q-plate产生的矢量光场的光斑示意图。

图4(a)是本发明的CuO微粒在0.2s时被拍摄的在光操控系统中顺时针旋转过程的图片。

图4(b)是本发明的CuO微粒在0.4s时被拍摄的在光操控系统中顺时针旋转过程的图片。

图4(c)是本发明的CuO微粒在0.6s时被拍摄的在光操控系统中顺时针旋转过程的图片。

图4(d)是本发明的CuO微粒在0.8s时被拍摄的在光操控系统中顺时针旋转过程的图片。

图4(e)是本发明的CuO微粒在1.0s时被拍摄的在光操控系统中顺时针旋转过程的图片。

图4(f)是本发明的CuO微粒在1.2s时被拍摄的在光操控系统中顺时针旋转过程的图片。

图5(a)是本发明的CuO微粒在0.2s时被拍摄的在光操控系统中逆时针旋转过程的图片。

图5(b)是本发明的CuO微粒在0.4s时被拍摄的在光操控系统中逆时针旋转过程的图片。

图5(c)是本发明的CuO微粒在0.6s时被拍摄的在光操控系统中逆时针旋转过程的图片。

图5(d)是本发明的CuO微粒在0.8s时被拍摄的在光操控系统中逆时针旋转过程的图片。

图5(e)是本发明的CuO微粒在1.0s时被拍摄的在光操控系统中逆时针旋转过程的图片。

图5(f)是本发明的CuO微粒在1.2s时被拍摄的在光操控系统中逆时针旋转过程的图片。

图6(a)是本发明的CuO微粒在0.2s时被拍摄的在无光状态下的图片。

图6(b)是本发明的CuO微粒在0.4s时被拍摄的在无光状态下的图片。

图6(c)是本发明的CuO微粒在0.6s时被拍摄的在无光状态下的图片。

图6(d)是本发明的CuO微粒在0.8s时被拍摄的在无光状态下的图片。

图6(e)是本发明的CuO微粒在1.0s时被拍摄的在无光状态下的图片。

图6(f)是本发明的CuO微粒在1.2s时被拍摄的在无光状态下的图片。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

参见图1、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5、三维移动平台(图中未示出)、光操控样品6、二向色镜8和物镜7；所述光操控样品6设置在三维移动平台上；所述照明光源5设置在三维移动平台上方对准光操控样品6；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1、Q-plate2、第一衰减片3和各向异性晶体4，所述Q-plate2与示波器连接，所述氦氖激光器1输出的高斯光束依次经过Q-plate2、第一衰减片3和各向异性晶体4后，生成携带有角动量的矢量光场，矢量光场经二向色镜8反射后准直射入物镜7，经物镜7聚焦到光操控样品6上，对光操控样品6进行光操控，所述照明光源5照射光操控样品6，经光操控样品6透射后由成像观测单元采集成像。

在本实施例，所述成像观测单元包括：筒镜9、反射镜10、第二衰减片11和CCD摄像机12；所述照明光源5经光操控样品6透射后经过物镜7、二向色镜8后射入筒镜9，在经反射镜10、第二衰减片11后进入CCD摄像机12，所述CCD摄像机12和计算机连接。

在本实施例，所使用的各向异性晶体4为双折射晶体。所述双折射晶体为正双折射晶体。矢量光束(矢量光场)垂直入射各向异性晶体4，且各向异性晶体4与矢量光束方向平行，光场在晶体中诱导出自旋-轨道相互作用，从晶体出射的光场携带了光学角动量。所述利用显微物镜7对矢量光斑进行聚焦，使光斑能量集中。作为另一可实施例，所述双折射晶体为负双折射晶体。

在本实施例，所述光操控样品6为CuO溶液，CuO溶液放置在两片玻片之间。

其中，二向色镜8起滤波作用，反射大于550nm波长的光，透过小于550nm的光，滤过由于物镜7反射的矢量光束，使CCD背景视野清晰；CCD摄像机12用于采集记录光操控样品6中微粒运动状态。利用Q-plate2产生矢量光场，由于Q-plate2与示波器相连接，通过调节示波器的输出电压，可以有效调节矢量光场的质量。所述物镜7为显微物镜7，利用显微物镜7对矢量光斑进行聚焦，使光斑能量集中。

参见图2、一种上述基于矢量光场的光操控系统的光操控方法，包括：

S1，制作预设浓度的光操控样品6；具体地，向试管中加入微米量级的CuO微粒和适量的蒸馏水，搅拌，使CuO微粒和蒸馏水充分混合，用移液枪向面积1×1cm²、厚度为0.1mm的玻片滴上已配置好的微粒溶液，且用规格完全相同的玻片盖在盛放溶液的玻片上。

S2，所述氦氖激光器1输出高斯光束，高斯光束经已通电的Q-plate2生成矢量光场，所述矢量光场经各向异性晶体4诱导出绝对值相等、符号相反的自旋角动量和轨道角动量，携带有角动量的矢量光场经二向色镜8反射后准直射入物镜7；在步骤S2中，示波器和Q-plate2连接，示波器输出5V、频率为50％的矩形波至Q-plate2。所述氦氖激光器1的功率为10mW。

S3，将光操控样品6放置在三维移动平台的样品台上，开启照明光源5照射光操控样品6；同时经物镜7聚焦的矢量光场聚焦到光操控样品6上，对光操控样品6进行光操控；步骤S3还包括：调节三维移动平台的螺旋轴，把光操控样品6的微粒缓慢平移到矢量光场的光斑中心，矢量光场对微粒作用，使微粒旋转。

S4，所述照明光源5经光操控样品6透射后由成像观测单元采集成像，实现在计算机上实时观测光操控粒子旋转状态的目的。

本方案的基于矢量光场的光操控原理为：利用矢量光场作为“手术刀”，将总动量为零的矢量光诱发出绝对值相等、符号相反的自旋-轨道角动量，并利用矢量光束把分离的轨道角动量作用在粒子上，从而实现光操控。

实验数据1

使用C切的正双折射晶体(YVO4)对CuO微粒进行光操控。把配制好的CuO微粒溶液用移液枪滴到面积为1×1cm²、厚度为0.1mm玻片上，再用一片规格完全相同的盖玻片盖住溶液，使两片玻片充分重叠，把样品玻片放置在样品台上。开启已准直好的10mW氦氖激光器1，开启与Q-plate2相连接的示波器，并在示波器上设定好5V、频率为50％的矩形波，按下OUTPUT按钮，用CCD摄像机12观察激光光束经过已通电Q-plate2的矢量光斑，矢量光斑如图3所示。把C切的正双折射晶体(YVO4)放置在Q-plate2后，通过调节三维移动平台旋钮，使YVO4的光轴与光束平行，且光束垂直入射YVO4晶体。开启照明光源5、CCD摄像机12和计算机，把照明光源5置于光操控样品6上方，并使大部分光尽可能射入物镜7。打开计算机控制CCD软件，调整物镜7与光操控样品6的距离，对焦，使CuO微粒在CCD上呈现清晰图像。把CuO微粒缓慢平移到反射光斑中心，并在CCD软件上设定连续拍100张图片，间隔为0.2s。图5(a)-5(f)分别为在0.2s、0.4s、0.6s、0.8s、1.0s和1.2s时CuO微粒在C切的正双折射晶体(YVO4)进行操控的图像。图6(a)-6(f)分别为在0.2s、0.4s、0.6s、0.8s、1.0s和1.2s时CuO微粒在无光状态下的图片。

实验数据2

使用C切的负双折射晶体(BBO)对CuO微粒进行光操控。把配制好的CuO微粒溶液用移液枪滴到面积为1×1cm²、厚度为0.1mm玻片上，再用一片规格完全相同的盖玻片盖住溶液，使两片玻片充分重叠，把样品玻片放置在样品台上。开启已准直好的10mW氦氖激光器1，开启与Q-plate2相连接的示波器，并在示波器上设定好5V、频率为50％的矩形波，按下OUTPUT按钮，用CCD摄像机12观察激光光束经过已通电Q-plate2的矢量光斑。把C切的负双折射晶体(BBO)放置在Q-plate2后，通过调节三维移动平台旋钮，使BBO的光轴与光束平行，且光束垂直入射BBO晶体。开启照明光源5、CCD摄像机12和计算机，把照明光源5置于样品上方，并使大部分光尽可能射入物镜7。打开计算机控制CCD软件，调整物镜7与样品的距离，对焦，使CuO微粒在CCD上呈现清晰图像。把CuO微粒缓慢平移到反射光斑中心，并在CCD软件上设定连续拍100张图片，间隔为0.2s。图4(a)-4(f)分别为在0.2s、0.4s、0.6s、0.8s、1.0s和1.2s时3CuO微粒在C切的负双折射晶体(BBO)进行操控的图像。

综上所述，本方案提出一种基于矢量光场的光操控系统与方法。将总动量为零的矢量光诱发出绝对值相等、符号相反的自旋-轨道角动量，并在微粒表征出来，高效、灵活控制微粒的运动，具有较大的使用价值和意义，有望被广泛应用。

上述具体实施方式为本发明的优选实施例，并不能对本发明进行限定，其他的任何未背离本发明的技术方案而所做的改变或其它等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。