基於分形光束的光鑷系統的原理及實驗研究

《基於分形光束的光鑷系統的原理及實驗研究》是依託中南大學，由陶少華擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於分形光束的光鑷系統的原理及實驗研究
• 項目類別：面上項目
• 項目負責人：陶少華
• 依託單位：中南大學

項目摘要

隨著光束整形技術的發展和多種新型光束的出現，利用雷射束操控微粒的光鑷技術在近幾年得到空前的重視和發展。在光電子、生物醫藥、材料科學等領域，需要同時操控空間中的多個微粒並能形成特殊的三維微粒結構，而目前的光鑷技術仍無法真正實現這一需求，亟待解決。本項目將研製一套基於分形光束的光鑷系統，實現對空間中多個微粒的靈活操控。項目中首先研究分形光束及光束陣列的整形算法、光束的三維光場分布最佳化、光束焦點數目和位置的精確控制；然後研究分形光束獨特的衍射性質及光束與微粒相互作用的關係；最後，構建新型光鑷系統、進行微粒操控實驗、製作特殊的三維微粒結構、並建立光鑷系統相關的理論模型。本項目的開展將提高現有光鑷的操控性、效率、及穩定性，對三維光學篩選、新型光子器件製造、蛋白質晶體結構分析等眾多套用提供重要技術手段，在光束性質、光束變換、光與物質相互作用、新型光鑷構建等研究方面具有重要科學意義。

結題摘要

現有光鑷技術大多集中於點操控或二維平面操控一個或多個微粒，但無法在三維空間面內同時對多個微粒有選擇地進行操控；雖然特殊光束如貝塞爾光束、三維蛇形光束及分時光鑷技術等可以在三維空間操控多個微粒，但均無法實現同時穩定地操控三維空間中可任意指定的多個微粒。基於此，本項目在光束整形和光學操控方面開展了深入研究，提出了一種新型的三維光鑷技術。申請人提出了一種復振幅整形算法，利用單個純位相元件，實現輸出光束的振幅和位相均為預先設定分布的目標。利用這種算法，可以產生具有任意自旋角動量分布的特殊渦旋光束，從而可以在光束成像平面捕獲微粒，並使微粒按光束光強分布的指定路徑，自動移動。利用光束整形算法，模擬和實驗產生了焦點個數、位置、間距可任意組合的分形波帶片陣列光束，並首次發現該種新型光束具有自我修復功能，即前一個焦點捕獲微粒不會對後一個焦點的光束聚焦產生影響，從而證明該光束具有在三維空間同時捕獲多個微粒的新型光束性質。該光束的結構參數如分形次數可以為分數，焦點之間的距離從而能被更精確地控制。構建了多個光鑷實驗系統，利用所產生的整形光束，實現了介質微粒，金屬微粒，納米線等不同材料和大小的微粒捕獲和操控，發現渦旋光束的高強度處可以對介質覆蓋金屬的微球進行穩定的捕獲和操控，這與常規的渦旋光束高強度處無法捕獲金屬微球的現象完全不同。理論分析和模擬了光束對介質包覆金屬的核殼結構微球的作用力分布，驗證了該類微球可被高強度光束捕獲並推導出核殼結構比與穩定捕獲之間的關係。建立了三維光鑷實驗系統，利用整形算法設計了指定的分形波帶片光束陣列，並利用空間光調製器實驗產生了該光束，測試和分析了光束的新穎特性，驗證了光束空間同時操控多個微粒的能力。本項目的研究，提出了新穎的復振幅光束整形算法，很好地解決了利用單個位相元件實現指定振幅和位相分布的難題；構造和產生了多種新型光束，如分形波帶片光束和具有任意角動量分布的特殊渦旋光束等，發現了一系列新穎的光束特性，為新型光束在光鑷技術和光信息處理等套用方面提供了較好的工具；利用光鑷系統，開展了一系列的光學操控實驗，實現了多種材質、多種結構微粒的捕獲和自動移動，並可實現更靈活自由的微型馬達；利用分形波帶片光束實現了三維空間指定的多個微粒的同時操控。項目研究結果在光束整形、光學操控、新型光束性質、光束套用等方面具有較大的科學理論意義和套用價值。