光驱动微粒自动沿任意指定路径移动的机理与实验研究

Optical tweezers technology has potential applications in non-invasive manipulation of micro-nano and even atomic level objects. Athough vortex beams with orbital angular momentum have been used to drive particles to move along special routes such as rings, triangles, and lines, particles are diffcult to be driven along arbitrarily designated routes in the imaging plane with a special beam. In this project we will use a beam shaping method to control both the amplitude and phase of an output beam, and solve the problems of low diffraction efficiency and non-uniformity between the target and the realized optical beams. We will propose an optimized beam shaping algorithm to generate an optical beam with controlled amplitude and phase distributions, use the constructed optical tweezers system to realize the automatic transferring of particles along the customized routes in the imaging plane, study the force relationship and distribution between the beam and the particles, and set up a force model for the beam driving particles automatically. The research results will extend the theory and applications of the beam shaping technology, and the developed optical maniputlation technology can be widely used for the new micro-electro--mechanical systems such as micro-motors, optical sorting devices, automatic transfer belts, and optical sensors.

光镊技术在无机械接触式操控微纳甚至原子尺度的物体方面具有巨大和独特的应用价值。涡旋光束所具有的轨道角动量可驱动微粒在成像平面沿特殊路径如环形、三角形、直线等自动移动，但是，目前还没有实现微粒在光束传播截面自动沿任意指定路径移动的方法。本项目利用光束整形原理同时控制目标光束的振幅和位相，并克服复振幅光束整形中衍射效率低，整形图案均匀度差的难题；提出了一套优化的光束整形算法，可高效产生具有任意指定分布的特殊涡旋光束，并利用构建的光镊系统，实现光束驱动微粒沿任意指定路径自动移动的目的；研究光束与微粒之间的作用力关系与分布，建立光驱动微粒自动移动的作用力模型。本项研究结果可拓展光束整形方法的理论及应用范围，且研发的光镊操作技术可用于构建新型微机电光学系统如微型马达、自动传送带、微粒分选、传感器等。

利用特殊光束所构成的光镊可以实现微粒的定向输运和筛选，并且能实现微纳光子器件的自动组装。本项目提出了一套优化的光束整形算法，利用单个位相片同时控制目标光束的振幅和位相，并克服了复振幅整形中衍射效率低，整形图案均匀度差的难题；构建了基于复振幅整形原理的全息光镊系统，并利用该系统实现了实现光束驱动微粒沿任意指定路径自动移动的目的；设计和实验产生了具有任意指定分布的特殊涡旋光束，并利用特殊涡旋光束所具有的轨道角动量驱动微粒在成像平面沿特殊路径如转弯型、直线型等特殊光场下的自动移动；项目还研究了具有位相梯度力的光束与微粒之间的作用力关系与分布，建立了光驱动微粒自动移动的作用力模型，并操控纳米线构建了光电探测器。本项目验证了光束整形方法的理论及所产生的新型光束的独特光学性质和微粒作用力分布，首次实现了在光束传播横截面使微粒自动沿任意指定路径移动的方法，为光镊技术提供了理论指导并拓展了应用范围，所研发的光镊操作方法可广泛应用于构建新型微机电光学系统，并实现如微型马达、自动传送、微粒分选、传感等应用。