专利摘要
本发明涉及一种基于二维光阱的自冷却激光光镊装置和方法。本发明将光镊结合到光腔中，利用椭球微粒位置与腔损耗的特性，实现捕获椭球微粒的高速自冷却。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。
权利要求
1.一种基于二维光阱的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三维的自冷却，其特征在于，采用一种基于双光阱的自冷却激光光镊装置，该装置包括泵浦激光、波分复用器、掺杂光纤、隔离器、双光阱、激光器、分束器、微粒和位置探测器，其中激光器和分束器构成主捕获环路，
掺杂光纤、隔离器、双光阱和微粒形成自冷却环路，掺杂光纤一端连接波分复用器, 波分复用器另一端连接隔离器Ⅰ（4）一端，隔离器Ⅰ（4）另一端接入到双光阱的b光纤；掺杂光纤另一端连接隔离器Ⅱ（5）一端，隔离器Ⅱ（5）另一端接入到双光阱的d光纤；泵浦激光设置在波分复用器之前，位置探测器设置在双光阱外部；
其中主捕获环路与自冷却环路在捕获室中相互垂直；
所述的隔离器用于选择特定波长激光单向传输，当掺杂光纤提供的增益大于环形光路总损耗时，自冷却环路中形成波长不同方向相反的顺、逆两个方向激光，称为顺时针光路和逆时针光路；
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
其中
顺、逆时针两个方向的激光照射在微粒时形成散射光，冷却过程如下：
①当微球偏移自冷却环路光阱的光轴时，顺时针光路和逆时针光路中微粒的遮挡减少，导致前向传递的光功率增大，顺时针光路和逆时针光路的腔内损耗减小，导致掺杂光纤的出光功率
②当微粒沿着腔内顺时针环路偏移时，顺时针光路的腔内损耗
综合上述两种冷却，实现微粒的三维冷却。
2.根据权利要求1所述的一种基于二维光阱的自冷却激光光镊方法，其特征在于，所述散射光包括：前向散射光、侧向散射光和后向散射光，其中前向散射光为主要组成部分。
3.根据权利要求1所述的一种基于二维光阱的自冷却激光光镊方法，其特征在于，所述的泵浦激光用于泵浦掺杂光纤提供增益。
4.根据权利要求1所述的一种基于二维光阱的自冷却激光光镊方法，其特征在于，所述的波分复用器用于耦合泵浦激光到掺杂光纤光路中。
说明书
技术领域
本发明涉及一种基于二维光阱的自冷却激光光镊装置和方法，属于光学工程领域和精密测量技术领域。
背景技术
光具有动量和能量，光动量的具体表现则为光力。两束相向传播的高斯激光束，可以形成能束缚微米尺度粒子的双光束光学势阱，简称双光束光阱。双光束光阱可以实现光学囚禁、光学牵引、光学拉伸和光致旋转等光学操纵功能，在精密测量领域中具有广泛的应用前景。
光学操纵主要运用了光的力学效应，将微粒束缚在微小的光阱里面，使得微粒的运动受到限制，这就是宏观的“冷却”。一般冷却方法可以分为开环冷却和闭环反馈冷却两种。开环冷却是指直接利用光功率固定条件下的光力的效应束缚微粒。闭环反馈冷却指利用微粒的偏移量作为反馈信号，控制光功率变化实现冷却，闭环反馈冷却能实现比开环冷却更好的冷却效果。传统的闭环反馈冷却主要使用外部电路实现反馈控制，反馈的速度受限于电路性能，难以适应高速冷却的需求。
光纤激光器可以实现非常高的增益，在损耗腔中有很大的应用价值。将光镊技术结合到光纤激光器中形成损耗腔，利用激光器自身反馈特性进行微粒冷却是一种新型的冷却技术。使用透镜组合实现沿捕获光轴方向的冷却，但是这种冷却方法结构较为复杂，体积较大不便于小型化。
将光镊技术结合到光纤激光器中，使用椭球微粒与光纤激光器形成损耗腔，使用双光阱捕获椭球微粒使其短轴接入损耗腔，利用椭球微粒短轴方向的散射特性与损耗的特定关系，可以实现沿捕获光轴方向的“自冷却”。使用双光阱将光镊结合到环形腔内实现高速自冷却的装置和方法，目前还未见报道。
发明内容
为克服现有冷却体积庞大的不足，本发明提出了一种基于二维光阱的自冷却激光光镊装置和方法，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，可以实现三维的自冷却。本发明具有易于小型化、实用效果强、成本低廉等优点。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种基于二维光阱的自冷却激光光镊装置，包括泵浦激光、波分复用器、掺杂光纤、隔离器、双光阱、激光器、分束器、微粒和位置探测器，其中激光器和分束器构成“主捕获环路”，掺杂光纤、隔离器、双光阱和微粒形成环形腔，为“自冷却环路”，其中主捕获环路与自冷却环路在捕获室中相互垂直。所述的泵浦激光用于泵浦掺杂光纤提供增益，所述的波分复用器用于耦合泵浦激光到掺杂光纤自冷却环路中。所述的隔离器用于选择特定波长激光单向传输，当掺杂光纤提供的增益大于环形光路总损耗时，自冷却环路中形成波长不同方向相反的顺、逆两个方向激光，称为“顺时针光路”和“逆时针光路”。
激光作用在微粒上会产生两种力，包括：垂直光轴方向的梯度力
，
，
其中
在上述二维光阱中存在两个相互垂直的双光束光阱，已知双光束光阱中的椭球长轴沿光轴时力矩为零。设定主捕获光路的光功率较大，以实现沿着长轴方向捕获微粒。而自冷却光路的光功率较小，沿着短轴捕获微粒。主捕获光路的光功率为固定值，而自冷却光路捕获光功率随微粒移动而变化。
顺、逆时针两个方向的激光照射在微粒时会形成散射光，包括：前向散射光、侧向散射光和后向散射光，其中前向散射光为主要组成部分。本发明将双光束光阱结合到环形腔中，掺杂光纤、隔离器、二维光阱和椭球微粒形成环形腔，椭球微粒的前向散射光形成环形腔的散射损耗。设椭球沿着主捕获环路方向的偏移量为x，沿着自冷却环路方向的偏移量为y。顺时针光路散射损耗
当微球偏移自冷却环路光阱的光轴时，顺时针和逆时针光路中微粒的遮挡减少，导致前向传递的光功率增大，顺时针和逆时针光路的腔内损耗减小，导致掺杂光纤的出光功率
当微粒沿着腔内顺时针环路偏移时，顺时针光路的腔内损耗
综合上述两种冷却原理，实现微粒的三维冷却。
本发明的有益效果是：
本发明将光镊结合到光腔中，利用椭球微粒位置与腔损耗的特性，实现捕获椭球微粒的高速自冷却。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。
附图说明
图1为本发明装置的结构示意图；
图2为椭球微粒偏移示意图；
图3 为椭球微粒偏移与损耗关系图；
图1中对应的元器件为：1为泵浦激光，2为波分复用器，3掺杂光纤，4为1号隔离器，5为2号隔离器，6为激光器，7为分束器，8为双光阱，9为椭球椭球微粒，10为位置探测器，
图2中对应的元器件为：1为微粒垂直于顺（逆）光轴偏移，2为微粒沿顺（逆）光轴偏移；
图3的对应关系为：1为微粒偏移光轴与损耗关系，对应图2中微粒1的变化；2为微粒沿光轴偏移与损耗关系，对应图2中微粒2的变化。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的一个实施案例作详细的说明，但不应因此限制本发明的保护范围。
如图1所示，一种基于二维光阱的自冷却激光光镊装置，由泵浦激光1，波分复用器2，掺杂光纤3， 隔离器4和5，激光器6，分束器7，双光阱8，椭球椭球微粒9，位置探测器10组成。激光器6出射的激光经过分束器7后从a和c端进入二维光阱8，构成双光束光阱沿着长轴方向捕获椭球微粒9。激光器6、分束器7、二维光阱8和a和c端构成主捕获环路，主捕获环路功率较大，使得微粒9的长轴沿a-c方向。泵浦激光1经过波分复用器2后进入掺杂光纤3，掺杂光纤3中的增益介质得到泵浦激光1的泵浦出射激光。激光经过波长不同的隔离器4和5后形成波长不同的顺、逆时针两个方向激光光路。顺、逆两个方向的激光从b和d端进入二维光阱8形成双光束光阱沿短轴方向捕获微粒9。捕获光经过微粒9后产生多个方向的散射光，其中最主要的部分是前向散射光。掺杂光纤3、隔离器4和5、二维光阱8的
如图2所示，分析微粒偏移与损耗的关系。图3为微粒位置变化与损耗的关系图，其中的1为微粒偏移光轴与顺逆光路损耗关系，2为微粒沿光轴偏移与顺逆光路损耗关系。图2所示的1和2偏移分别对应图3中1和2的“正”偏移；
从图3中1号图可以看出，当微粒垂直于光轴偏移时，顺、逆光路的腔内损耗都减小，结合图1中环形光路，腔内损耗减小，引起掺杂光纤3的出光功率增大，最终引起被捕获微粒9受到的梯度力增大。微粒9因此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。
结合图2和图3中2号图可以看出，当微粒向下偏移时，顺时针光路的腔内损耗增大而逆时针光路的腔内损耗减小。这将会引起顺时针光路出光功率减小，逆时针光路出光功率增大，变化的散射力作用使得微粒快速恢复到光轴向稳定位置，实现冷却。
综合上述两种效应，实现对微粒的三维冷却。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。
本发明的具体工作过程如下：
选取合适的器件，按照图1连接光路。打开激光器6使其输出较大功率，调整，调整双光阱8的
一种基于二维光阱的自冷却激光光镊装置和方法专利购买费用说明
Q：办理专利转让的流程及所需资料
A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。
1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。
2：按规定缴纳著录项目变更手续费。
3：同时提交相关证明文件原件。
4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。
Q:专利著录项目变更费用如何缴交
A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式
Q：专利转让变更，多久能出结果
A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。
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