基於玻璃基底列陣波導的多光束操控微粒的研究

《基於玻璃基底列陣波導的多光束操控微粒的研究》是依託浙江大學，由陸璇輝擔任項目負責人的面上項目。

基本介紹

• 中文名：基於玻璃基底列陣波導的多光束操控微粒的研究
• 依託單位：浙江大學
• 項目負責人：陸璇輝
• 項目類別：面上項目

項目摘要

基於玻璃基底列陣波導能夠獲得多光束出射的特性，把這種器件套用到光捕獲微粒中來，在理論上分析基於玻璃基底列陣波導獲得的多光束捕獲微粒時的輻射力，特別是相鄰光束對捕獲微粒產生的影響。得出不同光斑大小和不同形狀分布的多光束捕獲微粒的輻射力的計算結果。在實驗上，本項目擬對基於玻璃基底列陣波導進行進一步的研究，將直線式、相同光斑大小的多光束出射的波導進行拓展，研究不同光斑大小和不同形狀分布的多光束出射波導，並且將其套用到光鑷裝置領域，從而來分析不同光斑大小和不同形狀分布的多光束光鑷來捕獲和分選微粒。希望該項目的研究取得實質性的進展，最後得出用多光束操控微粒的優越性。我們預期該研究結果將為研製多光束光鑷操控裝置的理論和實驗研究提供科學依據。同時為生物醫學上的套用提供一種新的、小型化、集成化的多光束光鑷操控裝置。

結題摘要

本項目按照原計畫進行，完成了主要的研究內容，並拓展了一些研究內容，取得了相關的成果。本項目按照相關理論計算了光對粒子的輻射力；課題組設計了基於玻璃基底的光波導陣列產生多光束光鑷，製備了光波導陣列，並且在實驗室搭建了多光束光鑷的實驗平台，並套用於微粒的俘獲。平面光波導的陣列研究表明：利用基於玻璃基底的光波導陣列可以產生多光束，其裝置較其它的多光束光鑷裝置更為簡便，但是其光損耗太大，要使單個光點的功率能穩定俘獲一個粒子，則需要入射光的總功率較高。為此通過綜合分析和考慮，本課題又提出了利用相位菲涅爾透鏡陣列產生多光束陣列，而利用相位菲涅爾透鏡陣列則很好地解決了光損耗太大的問題。利用空間光調製器製備的相位菲涅爾透鏡陣列可以產生效率更高的多光束，而且也可以更為方便地操控粒子。基於相位菲涅爾透鏡陣列的多光束光鑷能夠直接套用於組建納米結構實驗和粒子分類實驗中，有利於物理學和生物學的對微觀物質的研究。光鑷是因為粒子在光場中所受到的輻射力的作用，能夠穩定的俘獲粒子。本項目分析了不同的光束對粒子的輻射力的作用和套用。本項目對餘弦高斯光束對粒子的輻射力進行分析，發現通過調節餘弦高斯光束的相關參數，可以使光束在中心位置俘獲折射率高於周圍介質的粒子或者折射率低於周圍介質的粒子。此外，我們還對洛倫茲高斯光束對粒子的輻射力的進行分析，研究表明利用洛倫茲高斯光束可以有效地擴大光鑷俘獲粒子的有效範圍。這些研究為研究者在具體的光鑷實驗中根據具體的情況選擇合適的光束作為光鑷的入射光束提供重要的指導。艾里光束與普通的高斯光束不同，艾里光束在光操控粒子領域中能夠起到清除粒子或者橫向轉移粒子的作用。本項目提出了一種艾里變換的光學裝置，將此裝置套用於艾里光束的產生和調製上，並且利用平頂高斯光束的艾里變換產生了一種新的類似於艾里光束的光束。圓形的艾里光束具有突然自動聚焦的性質，這種突然自動聚焦的性質在雷射治療以及光鑷領域內具有非常重要的套用價值。本項目還研究了含有光學渦旋的圓形艾里光束的自動聚焦特性，發現光學渦旋的引入，不但使得圓形艾里光束具有了光學軌道角動量，而且使得光學的突然自動聚焦特性得到很大地提升。在初始的光功率相同的情況下，一組對偶的光學渦旋引入會使光束的自動聚焦程度增加近5倍。這些研究成果不但有利於改善光鑷的性能，對雷射套用於生命科學中也有在重要的意義。