专利摘要

本实用新型涉及光学技术领域，具体涉及在散焦非线性介质中约束粒子的装置。包括：激光器、扩束准直系统、偏振片、反射镜、空间光调制器、傅里叶透镜、染料掺杂液晶介质、计算机、第一探测器和第二探测器；所述的激光器用于产生高斯光束并发射至扩束准直系统中，所述的偏振片将光束转换为空间光调制器所需的偏振态，所述的空间光调制器对入射高斯光束进行立方相位调制并将已调光反射，所述的傅里叶透镜用于对已调光进行傅里叶变换以获得环形艾里光束，所述的光束在所述的染料掺杂液晶介质中传播，所述的第一探测器和第二探测器观测光束传播过程。能够使得该光束具有梯度力场且具有较强的梯度力，实现在散焦非线性介质中约束粒子的目的。

权利要求

1.一种在散焦非线性介质中约束粒子的装置，其特征在于，所述装置包括：激光器、扩束准直系统、偏振片、反射镜、空间光调制器、傅里叶透镜、染料掺杂液晶介质、计算机、第一探测器和第二探测器；

所述的激光器用于产生高斯光束并发射至扩束准直系统中，所述的扩束准直系统用于将入射光束扩束准直，所述的偏振片将光束转换为空间光调制器所需的偏振态，所述的反射镜将通过偏振片的光束反射至空间光调制器，所述的计算机对所述的空间光调制器进行调节，所述的空间光调制器对入射高斯光束进行立方相位调制并将已调光反射，所述的傅里叶透镜用于对已调光进行傅里叶变换以获得环形艾里光束，所述的光束在所述的染料掺杂液晶介质中传播，所述的第一探测器和第二探测器观测光束传播过程。

2.根据权利要求1所述一种在散焦非线性介质中约束粒子的装置，其特征在于，所述的扩束准直系统包括至少一个显微物镜和至少一个双胶合消色差透镜。

3.根据权利要求1所述一种在散焦非线性介质中约束粒子的装置，其特征在于，所述的反射镜将通过偏振片的光束反射至空间光调制器，设置有反射角度。

4.根据权利要求3所述一种在散焦非线性介质中约束粒子的装置，其特征在于，所述的反射角度为6度。

5.根据权利要求1所述一种在散焦非线性介质中约束粒子的装置，其特征在于，所述的空间光调制器为相位型空间光调制器。

6.根据权利要求1所述一种在散焦非线性介质中约束粒子的装置，其特征在于，所述的计算机对所述的空间光调制器进行调节，具体为所述的计算机对所述的空间光调制器载入用于高斯光束相位调制的典型二维相位掩模。

7.根据权利要求1所述一种在散焦非线性介质中约束粒子的装置，其特征在于，所述的傅里叶透镜在傅里叶空间产生的环形艾里光束初始面在傅里叶透镜的后焦面上。

8.根据权利要求1所述一种在散焦非线性介质中约束粒子的装置，其特征在于，所述的第一探测器用于记录光束传播的侧视图；所述的第二探测器用于记录不同传播距离下的横向光束强度模式。

9.根据权利要求1所述一种在散焦非线性介质中约束粒子的装置，其特征在于，所述的染料掺杂液晶介质为负取向非线性的染料掺杂液晶。

10.根据权利要求1所述一种在散焦非线性介质中约束粒子的装置，其特征在于，所述的环形艾里光束在所述的介质中传播时，具体呈现为“X”形结构光束。

说明书

技术领域

本实用新型涉及光学技术领域和光学显微操纵技术，具体涉及一种在散焦非线性介质中约束粒子的装置。

背景技术

近年来，具有非衍射的创新特性，自加速和自愈的有限能量艾里光束引起了很多研究者的关注。随之有人提出了一种艾里光束的衍生形式，称为环形艾里光束。

在非线性光学中，光学克尔效应(OKE)是光与材料的非线性相互作用中的基本物理现象。OKE是指折射率n的光强度依赖性，即n＝n0+N，其中n0是其线性部分，N是光诱导的非线性折射率(NRI)。根据n0的符号，可将克尔介质分为两种类型：当n0为负值时的自散焦介质，以及当n0为正值时的自聚焦介质。此外，非局域性是OKE的重要内在属性，材料在特定位置的光诱导折射率变化由该位置特定邻域中的光强度决定。

光学镊子是一种强大的光学操纵技术，许多强大的光学操纵技术均来自称为光镊的单光束光阱，光学镊子利用强烈聚焦的光束施加的力来捕获小物体。其基本原理是通过在光场产生的梯度力和散射力的共同作用，将微小粒子束缚在激光焦点位置附近。微小粒子会根据光的电场产生一个电偶极矩，通常说来，电场向焦点处的强度梯度被绘制出来。光学镊子利用强烈聚焦的光束施加的力来捕获和移动大小从数十纳米到数十微米的物体。但对于散焦介质而言，普通光束在介质中是发散的，完全无法进行粒子捕获。

实用新型内容

为克服上述普通光束在介质中是发散的，完全无法进行粒子捕获的现有技术存在的不足，基于此，本实用新型提出了一种在散焦非线性介质中约束粒子的装置，利用环形艾里光束在克尔自散焦介质的传播表现，以解决上述现有技术中存在的技术问题。

为达上述及其它目的，本实用新型提出一种在散焦非线性介质中约束粒子的装置，

具体地，所述装置包括：激光器、扩束准直系统、偏振片、反射镜、空间光调制器、傅里叶透镜、染料掺杂液晶介质、计算机、第一探测器和第二探测器；

所述的激光器用于产生高斯光束并发射至扩束准直系统中，所述的扩束准直系统用于将入射光束扩束准直，所述的偏振片将光束转换为空间光调制器所需的偏振态，所述的反射镜将通过偏振片的光束反射至空间光调制器，所述的计算机对所述的空间光调制器进行调节，所述的空间光调制器对入射高斯光束进行立方相位调制并将已调光反射，所述的傅里叶透镜用于对已调光进行傅里叶变换以获得环形艾里光束，所述的光束在所述的染料掺杂液晶介质中传播，所述的第一探测器和第二探测器观测光束传播过程。

进一步地，所述的扩束准直系统包括至少一个显微物镜和至少一个双胶合消色差透镜。

进一步地，所述的反射镜将通过偏振片的光束反射至空间光调制器，设置有反射角度。

进一步地，所述的反射角度为6度，即所述的反射镜用于将光束小角度入射，约6度。

进一步地，所述的空间光调制器为相位型空间光调制器，可以轻松地实时控制所述环形艾里光束的参数。

进一步地，所述的计算机对所述的空间光调制器进行调节，如图2所示，具体为所述的计算机对所述的空间光调制器载入用于高斯光束相位调制的典型二维相位掩模。

进一步地，所述的傅里叶透镜在傅里叶空间产生的环形艾里光束初始面在傅里叶透镜的后焦面上。

进一步地，所述的第一探测器用于记录光束传播的侧视图；所述的第二探测器用于记录不同传播距离下的横向光束强度模式。

进一步地，所述的掺杂染料液晶介质为负取向非线性的染料掺杂液晶。

进一步地，所述的环形艾里光束在所述的介质中传播时，具体呈现为“X”形结构光束。

与现有技术相比，本实用新型具有以下有益效果：

能够利用环形艾里光束及染料掺杂液晶介质的强非局域非线性，根据环形艾里光束在散焦非线性介质传播时，出现了“X”形结构光束，该光束具有梯度力场且具有较强的梯度力，实现在散焦非线性介质中约束粒子的目的。

所述的装置在散焦非线性状态下是一种良好的非接触、捕获力强、捕获颗粒尺寸小的装置，根据所出现的“X”形结构光束焦点所处位置可以约束相应位置的粒子，可操控性较强，能够实现在散焦非线性介质中约束粒子的目的，为构造在散焦非线性状态下的光镊提供了一种新的方法。同时，为测量散焦介质非局域性(σ)提供了一种新的方法。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图；

图1为本实用新型所述装置的原理示意图；

图2为本实用新型述装置中的空间光调制器用于给高斯光束进行相位调制的典型二维相位掩模示意图；

图3为本实用新型一种实施例中所述环形艾里光束在所述介质中传播时，出现的“X”形结构光束对处于零焦点位置附近的粒子进行约束的原理示意图；

图4为本实用新型一种实施例中基于所述装置在所述介质中传输时，在出现的“X”形结构光束零焦点区域附近的梯度力场以及零焦点附近区域朝向“X”形结构光束外部的梯度力的局部放大示意图；

图5为本实用新型一种实施例中所述环形艾里光束在所述介质中传播所出现的“X”形结构光束零焦点位置在z＝1.2，y＝0时，光束的横向梯度力分布与x的关系图；

图6为本实用新型一种实施例中所述介质中传播时出现的“X”形结构光束零焦点位置和传输介质的非局域性(σ)之间的关系图；

附图标记说明：

1-激光器、2-扩束准直系统、3-偏振片、4-反射镜、5-空间光调制器、6-计算机、7-傅里叶透镜、8-染料掺杂液晶介质、9-第一探测器、10-第二探测器。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、技术方案和优点更加清楚，下面通过特定的具体实例并结合附图说明本实用新型的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本实用新型的其它优点与功效。本实用新型亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本实用新型的精神下进行各种修饰与变更。

本实用新型提出一种在散焦非线性介质中约束粒子的装置，具体地，所述装置包括：激光器1、扩束准直系统2、偏振片3、反射镜4、空间光调制器5、傅里叶透镜7、染料掺杂液晶介质8、计算机6、第一探测器9和第二探测器10；

所述的激光器1用于产生高斯光束并发射至扩束准直系统2中，所述的扩束准直系统2用于将入射光束扩束准直，所述的偏振片3将光束转换为空间光调制器5所需的偏振态，所述的反射镜4将通过偏振片3的光束反射至空间光调制器5，所述的计算机6对所述的空间光调制器5进行调节，所述的空间光调制器5对入射高斯光束进行立方相位调制并将已调光反射，所述的傅里叶透镜7用于对已调光进行傅里叶变换以获得环形艾里光束，所述的光束在所述的染料掺杂液晶8介质中传播，所述的第一探测器9和第二探测器10观测光束传播过程。

具体地，如图1所示，本实用新型装置，具体包括激光器1、扩束准直系统2、偏振片3、反射镜4、空间光调制器5、计算机6、傅里叶透镜7、染料掺杂液晶介质8、第一探测器9和第二探测器10，其中，所述的激光器1用于产生高斯光束并发射至扩束准直系统2中，所述的扩束准直系统2用于将入射光束扩束准直，所述偏振片3将光束转换为空间光调制器5所需的偏振态，所述反射镜4用于将通过偏振片3的光束小角度(约6度为最佳)入射至空间光调制器5，如图2所示。所述计算机6为空间光调制器5载入用于高斯光束相位调制的典型二维相位掩模，所述空间光调制器5对入射高斯光束进行立方相位调制并将已调光反射，所述的傅里叶透镜7用于对已调光进行傅里叶变换，在傅里叶空间产生的环形艾里光束初始面会在傅里叶透镜7的后焦面上。所得光束在所述染料掺杂液晶介质8中传播，所述第一探测器9用于记录出现的“X”形结构光束传播的侧视图，第二探测器10用于记录不同传播距离下的“X”形结构光束的横向光束强度模式。

在本实用新型实施例中，所述的扩束准直系统2包括至少一个显微物镜和至少一个双胶合消色差透镜，也就是说，所述的扩束准直系统可以由一个显微物镜和一个双胶合消色差透镜构成。

具体地，所述的反射镜4将通过偏振片的光束反射至空间光调制器5，设置有反射角度。

较佳地，所述的反射角度为6度，即所述的反射镜4用于将光束小角度入射，约6度。

优选地，所述的空间光调制器5为相位型空间光调制器，可以轻松地实时控制所述环形艾里光束的参数。

在本实用新型实施例中，所述的计算机6对所述的空间光调制器5进行调节，如图2所示，具体为所述的计算机6对所述的空间光调制器5载入用于高斯光束相位调制的典型二维相位掩模，也就是说，空间光调制器5所载入的典型二维相位掩模，如图2所示，其作用是对入射进空间光调制器5的高斯光束进行立方相位调制，以获得环形艾里光束傅里叶变换前所需光相位。

较佳地，所述的傅里叶透镜7在傅里叶空间产生的环形艾里光束初始面在所述的傅里叶透镜7的后焦面上。

所述的第一探测器9用于记录光束传播的侧视图；所述的第二探测器10用于记录不同传播距离下的横向光束强度模式。

本实用新型实施例中，所述的掺杂染料液晶介质8为负取向非线性的染料掺杂液晶，

具体地，在所述的环形艾里光束在所述的介质中传播时，具体呈现为“X”形结构光束；也就是说，所述环形艾里光束在所述介质中传播时，会出现“X”形结构光束。

较佳地，负取向非线性的染料掺杂液晶为使用了具有大的负取向非线性的染料掺杂液晶，环形艾里光束在所述具有大的负取向非线性的染料掺杂液晶中传播时所出现的“X”形结构光束具有梯度力场且具有较强的梯度力，可以实现在散焦非线性介质中约束粒子的目的。此处，需要说明的是，可将所述染料掺杂液晶介质换成其他类似的、具备强非局域非线性的流体介质。

本实用新型实施例中，所述环形艾里光束在克尔介质中的传播可以用归一化的1+2D非线性薛定谔方程描述，具体如下：

其中， 是光束的复振幅，变量ηx,ηy,ξ分别是横坐标和纵坐标，k＝ωn1/c是波数，n1是介质的折射率，n2是非线性折射率。

通过为无量纲变换引入以下缩放的量z＝ξ/kω02，x＝ηx/ω0，y＝ηy/ω0， 用ω0表征光束宽度的特征参数，则等式(1)可以是以下无量纲形式：

将所述环形艾里光束视为初始条件，可以用以下形式表示：

其中，A是环形艾里光束的振幅， 表示主环艾里光束的基本位置，±分别表示向内/向外聚焦环形艾里光束，a是衰减参数。在此我们选择a＝0.1，r0＝1，且为向内聚焦环形艾里光束。

振幅在A＝7和A＝13之间的环形艾里光束在所述介质中传播时，光束出现的“X”形结构更加稳定，有利于约束粒子。在此，我们选择的振幅为A＝10。

梯度力场的梯度力可以表示为以下形式：

其中，n4为周围介质的折射率，r为被约束粒子的半径，c为光速，m＝n3/n4为粒子的相对折射率，I(x,y,z)＝|u(x,y,z)|2。

如图3所示，为本实用新型一种实施例中所述光束在所述介质中传播时，出现的“X”形结构光束对处于零焦点位置附近的粒子进行约束的原理示意图，图中白色圆球为在所述介质中被约束的微观粒子，白色箭头为粒子所受梯度力的示意图。从图中可以看见在所述介质中传播时，所述光束的形状变为“X”形结构，中间位置即为零焦点位置，在零焦点位置附近的粒子受到光束梯度力的作用，所受梯度力克服散射力并形成了足够深的势阱，梯度力趋向于将粒子引入光场光强最大的位置，即零焦点位置，从而实现了在散焦非线性介质中对粒子的约束作用。

可以通过调节空间光调制器，以及对透镜系统进行微调等方法，来实现改变出现的“X”形结构光束的大小、强度以及“X”形结构的零焦点位置，用以更好的约束粒子。

如图4所示，是本实用新型一个实施例中基于所述装置在所述介质中传输时，在出现的“X”形结构光束零焦点区域附近的梯度力场以及零焦点附近区域朝向“X”形结构光束外部的梯度力的局部放大示意图。在左图可以看见，在传输到“X”形结构光束零焦点位置处于z＝1.2时，“X”形结构光束的梯度力场分布；在右图局部放大零焦点位置附近的梯度力场，可以清楚地看见梯度力分布均指向“X”形结构光束外部，从而可以实现对粒子的约束作用。

如图5所示，是本实用新型一种实施例中所述光束在所述介质中传播所出现的“X”形结构光束零焦点位置在z＝1.2，y＝0时，“X”形结构光束的横向梯度力分布与x的关系图。可以清楚地看到，“X”形结构光束外部的梯度力大于内部的梯度力，这有利于稳定的约束粒子。

实施例二

本专利提供了一种根据“X”形结构光束的零焦点位置不同，测量所述介质非局域性(σ)的方法。

对于非局域散焦非线性介质，等式(2)中的非线性项可以替换为δn(I)，其内容为：

其中， 和z分别表示向量空间坐标和传播坐标， 是介质的归一化非局域响应函数，满足

非局域响应函数可表示为：

非局域响应是通过响应函数与光束强度的卷积计算得出的，即通过响应函数的傅立叶变换与光束强度之间的乘法来数值实现。

如图6所示，是本实施例中所述光束在所述介质传播过程时，所出现的“X”形结构光束零焦点位置和非局域性(σ)之间的关系图，实心点和实线分别表示数值模拟和数值拟合曲线。可以观察到对于不同的非局域性(σ)，“X”形结构光束的零焦点位置不同，并且随着非局域性(σ)的增加而单调变化。

“X”形结构光束的零焦点位置与非局域性(σ)之间的关系近似满足函数z＝1.448σ+1.102，线性拟合曲线的相关系数是R2＝0.9951,在σ＝1.3以下时，“X”形结构光束的零焦点位置与非局域性(σ)之间的关系近似满足函数z＝1.448σ+1.102的效果更好。

由此，可以通过调节空间光调制器，以及对透镜系统进行微调等方法，来改变“X”形结构光束的零焦点位置，根据“X”形结构光束零焦点位置来测量所处位置介质的非局域性(σ)。

本实用新型提供了一种在散焦非线性介质中约束粒子的装置。所述装置具有能在散焦介质中进行粒子捕获的特点，克服了普通光束在散焦介质中是发散的，完全无法进行粒子捕获的问题。所述装置利用光的力学效应实现对微观粒子的约束，具有非接触、无损伤特性。此外，所述装置可以利用在σ＝1.3以下时，“X”形结构光束的零焦点位置与非局域性(σ)之间的关系近似满足函数z＝1.448σ+1.102，根据“X”形结构光束的零焦点位置不同，测量所述介质非局域性(σ)，为测量散焦介质非局域性(σ)提供了一种新的方法。

也就是说，本实用新型能够利用环形艾里光束及染料掺杂液晶介质的强非局域非线性，根据环形艾里光束在散焦非线性介质传播时，出现了“X”形结构光束，该光束具有梯度力场且具有较强的梯度力，实现在散焦非线性介质中约束粒子的目的。

所述的装置在散焦非线性状态下是一种良好的非接触、捕获力强、捕获颗粒尺寸小的装置，根据所出现的“X”形结构光束焦点所处位置可以约束相应位置的粒子，可操控性较强，能够实现在散焦非线性介质中约束粒子的目的，为构造在散焦非线性状态下的光镊提供了一种新的方法。同时，为测量散焦介质非局域性(σ)提供了一种新的方法。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

一种在散焦非线性介质中约束粒子的装置专利购买费用说明

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》。