基于分形光束的光镊系统的原理及实验研究

随着光束整形技术的发展和多种新型光束的出现，利用激光束操控微粒的光镊技术在近几年得到空前的重视和发展。在光电子、生物医药、材料科学等领域，需要同时操控空间中的多个微粒并能形成特殊的三维微粒结构，而目前的光镊技术仍无法真正实现这一需求，亟待解决。本项目将研制一套基于分形光束的光镊系统，实现对空间中多个微粒的灵活操控。项目中首先研究分形光束及光束阵列的整形算法、光束的三维光场分布优化、光束焦点数目和位置的精确控制；然后研究分形光束独特的衍射性质及光束与微粒相互作用的关系；最后，构建新型光镊系统、进行微粒操控实验、制作特殊的三维微粒结构、并建立光镊系统相关的理论模型。本项目的开展将提高现有光镊的操控性、效率、及稳定性，对三维光学筛选、新型光子器件制造、蛋白质晶体结构分析等众多应用提供重要技术手段，在光束性质、光束变换、光与物质相互作用、新型光镊构建等研究方面具有重要科学意义。

现有光镊技术大多集中于点操控或二维平面操控一个或多个微粒，但无法在三维空间面内同时对多个微粒有选择地进行操控；虽然特殊光束如贝塞尔光束、三维蛇形光束及分时光镊技术等可以在三维空间操控多个微粒，但均无法实现同时稳定地操控三维空间中可任意指定的多个微粒。基于此，本项目在光束整形和光学操控方面开展了深入研究，提出了一种新型的三维光镊技术。申请人提出了一种复振幅整形算法，利用单个纯位相元件，实现输出光束的振幅和位相均为预先设定分布的目标。利用这种算法，可以产生具有任意自旋角动量分布的特殊涡旋光束，从而可以在光束成像平面捕获微粒，并使微粒按光束光强分布的指定路径，自动移动。利用光束整形算法，模拟和实验产生了焦点个数、位置、间距可任意组合的分形波带片阵列光束，并首次发现该种新型光束具有自我修复功能，即前一个焦点捕获微粒不会对后一个焦点的光束聚焦产生影响，从而证明该光束具有在三维空间同时捕获多个微粒的新型光束性质。该光束的结构参数如分形次数可以为分数，焦点之间的距离从而能被更精确地控制。构建了多个光镊实验系统，利用所产生的整形光束，实现了介质微粒，金属微粒，纳米线等不同材料和大小的微粒捕获和操控，发现涡旋光束的高强度处可以对介质覆盖金属的微球进行稳定的捕获和操控，这与常规的涡旋光束高强度处无法捕获金属微球的现象完全不同。理论分析和模拟了光束对介质包覆金属的核壳结构微球的作用力分布，验证了该类微球可被高强度光束捕获并推导出核壳结构比与稳定捕获之间的关系。建立了三维光镊实验系统，利用整形算法设计了指定的分形波带片光束阵列，并利用空间光调制器实验产生了该光束，测试和分析了光束的新颖特性，验证了光束空间同时操控多个微粒的能力。本项目的研究，提出了新颖的复振幅光束整形算法，很好地解决了利用单个位相元件实现指定振幅和位相分布的难题；构造和产生了多种新型光束，如分形波带片光束和具有任意角动量分布的特殊涡旋光束等，发现了一系列新颖的光束特性，为新型光束在光镊技术和光信息处理等应用方面提供了较好的工具；利用光镊系统，开展了一系列的光学操控实验，实现了多种材质、多种结构微粒的捕获和自动移动，并可实现更灵活自由的微型马达；利用分形波带片光束实现了三维空间指定的多个微粒的同时操控。项目研究结果在光束整形、光学操控、新型光束性质、光束应用等方面具有较大的科学理论意义和应用价值。