LBTEK将光镊系统与涡旋光束结合

还能够驱动微粒沿特定的圆形轨迹旋转

同时也能带动粒子群移动

能够实现这样功能的涡旋光镊长什么样？

它又是如何做到的？

接着往下看。

涡旋光镊系统光路图

扩束：激光器输出激光经过扩束整形后光斑直径扩大了5倍；

偏振控制：扩束后的激光束依次经过偏振片、1/4波片、涡旋波片后变成具有螺旋式波前的中空涡旋光束；

缩束：中空涡旋光束经过缩束系统之后，光斑直径缩小5倍；

二向色镜模块：缩小后的涡旋光束光斑经过两个反射镜和一个二向色镜的三次反射，最后由高倍率物镜聚焦，打在配有粒子的溶液池中，选择高倍率的油浸物镜能够实现更细的镊尖，得到更大捕获力；

运动控制模块：样品放置于XYZ三轴位移台上，可实现样品XYZ三轴位移；

照明：白光LED照明光源发出的光经光束整形后照射到待观测样品上，携带激光捕获样品信息的照明光经过物镜、透过二向色镜并经反射镜反射后，入射到CMOS相机上成像；

CMOS相机模块：考虑到二向色镜并不能完全隔离激光，从样品反射回来的激光会部分透过二向色镜，并入射到CMOS而影响成像质量，在CMOS前端增加滤光片进一步滤除激光光束，增加消色差透镜用来调节视场范围，并提高入射到CMOS的光亮度。

涡旋光镊系统实物图

LBTEK将各个元件安装在同轴系统中，结构紧凑，稳定性高。

涡旋光镊系统理论基础

光是一种电磁波，而电磁波携带能量和动量。电磁波与物体发生相互作用时，能量、动量均发生变化，激光捕获就是利用了光与微粒之间的动量传递。根据动量守恒定律和动量定理，动量传递会导致光波对微粒产生力的作用。

在光轴方向上，光波对微粒的作用力可以分为两类，一类为散射力，散射力沿着光的传播方向，将微粒推离；一类为强度梯度力，梯度力沿光强梯度方向，将微粒推向光强梯度最大的位置。光镊产生的原因是光束对微粒的梯度力大于散射力，因此可以将微粒捕获在聚焦光斑中心附近。

根据粒子大小的不同，光束与粒子的相互作用理论模型可以分为三种：当粒子尺寸远小于光波长（dλ/20，瑞利粒子）的时候，适用于瑞利散射模型；当粒子尺寸远大于光波长（d5λ，米氏粒子）的时候，适用于几何光学模型；对于中间尺度粒子，只能通过电磁散射模型来计算。LBTEK的光镊系统使用的微粒为直径4μm的二氧化硅微球，适合用几何光学模型进行分析。

几何光学模型从折反射定律角度来分析微粒的受力情况。光波入射到微粒表面时，会同时发生反射和折射，导致动量变化，产生力的作用。其中，反射光产生散射力(Fs)，折射光在出射微粒时产生强度梯度力(Fg)，当粒子受到的强度梯度力和光强散射力互相平衡时，即可实现对微粒的稳定捕获。

在与光轴垂直的方向上，如果光波带有渐变的相位梯度，光束动量流就会存在一个分量，从而对光场中的微粒产生一个垂直于光轴方向的力，称为相位梯度力。在相位梯度力作用下，聚焦面上的粒子将绕光轴中心旋转。

涡旋光束是有渐变相位梯度的光束。它具有螺旋形相位波前，携带有轨道角动量，从而产生相位梯度力，因此可以使粒子旋转。其携带的拓扑荷数m不同，螺旋形相位波前的形状不同，相位梯度力大小和方向不同。m的绝对值越大，相位梯度力越大，粒子转速越快，演示视频中使用的涡旋光束m值为18。m的正负影响粒子的旋向，调节入射光的偏振态同样可以达到这一目的。