聚焦激光束:从科研到教学的应用.pdf
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1、第 卷第期 年月 物理实验 ,櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶櫶 收稿日期:;修改日期:作者简介:吕俊鹏(),男,山东莱阳人,东南大学物理学院教授,博士,研究方向为物理光电子学 :文章编号:()聚焦激光束:从科研到教学的应用吕俊鹏,高磊,刘琳,章琦,刘宏微(东南大学 物理学院,江苏 南京 ;南京师范大学 物理与技术学院,江苏 南京 )摘要:列举了聚焦激光束在光镊、显微激光改性和显微测量等科研领域中的典型应用实例,设计了荧光检测以及激光微纳加工系统一体化的教学实验通过显微光谱检测系统获得了红宝石的光致发光信号,并分析了光谱的产生机理教
2、师通过指导学生搭建聚焦激光光路,实现微纳加工和热光学性质测试,强化了学生在激光应用技术方面的知识与技能关键词:聚焦激光束;微纳操控;微纳加工;光致发光中图分类号:文献标识码:随着激光技术的快速发展,聚焦激光束在工业、军事、生活中的应用越来越广泛聚焦激光束具有高空间分辨率、强能量密度等特点,已成为微纳科研领域中的重要技术手段本文简述了聚焦激光束的原理,列举了聚焦激光束的科研应用,设计了基于前沿聚焦激光技术转化的教学实验,着重强化学生的光学理论与技术基础,培养学生的激光应用技能,掌握基础微纳加工光刻原型设备的搭建技能,拓展聚焦激光技术的应用聚焦激光束的原理激光,即受激辐射光放大,其工作原理为:原子
3、中的电子吸收能量从低能级跃迁到高能级,激发态电子经外场光子诱导,从高能级再跃迁回低能级,产生与诱导光子能量、偏振、运动方向等特征高度一致的辐射光子形成受激辐射,并在精确设计的光学谐振腔中产生光子增益,最终形成稳定的光子输出模式,例如 模根据光子发射的时域分布,激光通常分为连续波激光和脉冲激光,通过锁模技术,脉冲激光的脉宽可以达到 量级在具体实践应用中,为了提高激光的空间分辨率与能量密度,通常需要使用光学透镜组对激光进行聚焦,以形成聚焦激光束聚焦激光束的聚焦尺寸(犱)正比于激光波长(),反比于透镜组的数值孔径(犚),受限于光学衍射极限,一般用犱 犚 估算聚焦尺寸聚焦激光束的科研应用举例 光镊现代
4、物理学已经证明光子具有动量,因此当高度聚焦的激光光束作用于粒子时,光子通过散射过程的动量交换与粒子相互作用,从而产生光辐射力光辐射力可分为梯度力和散射力,梯度力的方向始终为电场强度梯度的方向,而散射力的方向则为光束传输的方向梯度力和散射力共同作用于粒子,最终两者的合力决定粒子在光场中的运动情况为了实现在三维尺度上稳定地捕获和操纵粒子,梯度力的轴向分量需克服散射力,因此用作光源的聚焦激光光束在轴向上须具备足够大的梯度光强分布通常使用高数值孔径的物镜聚焦激光光束,平衡轴向上的梯度力与散射力,形成三维光学势阱,从而把粒子稳定地捕获在光束的焦点附近,并且捕获的粒子可随光束焦点的移动而移动 年,等人使用
5、经过强聚焦的单束激光作为捕获粒子的光源,将生物细胞稳定地捕获于三维光学矢阱内由于单光束操控微纳粒子的过程与用镊子夹住物体的过程类似,所以利用光束捕获和操纵粒子的技术也称为光镊技术由于该技术中光辐射力微弱(量级),因而光镊能够实现无接触以及无机械性损伤地捕获和操控量级的粒子这一优点使得光镊技术成为物理学、化学、生物学等研究的重要工具 ,也因此获得 年诺贝尔物理学奖典型的光镊装置如图所示,通常包含激光光源、光学显微镜、光镊移动控制模块、位移检测传感模块、相机与电脑图所示装置使用红外氦氖激光光源并配合使用高数值孔径物镜将激光束聚焦到光学衍射极限来实现光镊通过操控物镜,可以在获得聚焦捕获光的同时对被捕
6、获的物体进行成像目标物体通常置于小型微流体腔中,并将其固定在电动或压电驱动的平移台上以实现三维方向上可控的精度运动通常情况下,光镊只需要很小的光功率(低至几)即可对甚至 尺度的目标对象进行捕获捕获的实现主要依赖于聚焦激光束产生的光子力以微纳颗粒为例,其光学响应通常用偶极子模型描述,其与光场相互作用的强度由偶极极化率决定对于半径为狉和相对介电常量为的球体,其偶极极化率为犽,()其中,为理想情况下忽略偶极作用的极化率,由 关 系 式,狉;犽为场波矢,为真空介电常量;分母为考虑偶极与散射场相互作用而产生的修正项作用于偶极子的光子力可表示为犉 犼狓,狔,狕 犈犼犈()犼,()其中,犈犼为电场分量式()
7、也可表示为犉()犈犮(犈犎)犮 犈犈,()其中,犈为电场强度,犎为磁场强度,为消光截面,犮为真空中的光速,为光场的角频率式()中的第项表示由电场强度的梯度引起的力,主导光镊中的三维约束;第项为辐射压力对应于传播方向上的力;第项是由空间极化梯度的存在产生的力,如图所示 等人已证明,该光学作用力在 量级对于待操控的目标对象来说,激光束会聚形成的强聚焦光斑会形成三维光学势阱,微粒将被束缚在其中一旦微粒偏离势阱中的能量最低点,就会受到指向稳定点的恢复力作用而无法摆脱束缚移动聚焦光斑,目标对象也会随之移动,因此实现了对微粒的捕获和操控图光镊装置示意图图聚焦激光束光场强度和辐射压力空间梯度示意图 显微激光
8、改性基于光与物质的相互作用,聚焦激光束可以用来修饰甚至改变材料的性质显微激光改性通常利用显微镜聚焦高功率激光束(量级)对样品进行辐照,在激光束与样品相互作用过程中,通过局域热效应、局域化学反应等方式改变样品的物理性质、化学组分、应力状态等,实现调控样品的性能结合空间定位系统、显微镜级的空第期吕俊鹏,等:聚焦激光束:从科研到教学的应用间分辨率、激光工作模式的选择(连续波激光、脉冲激光等)、激光参量的调节(波长、功率、偏振、脉宽、脉冲频率等),对样品进行可控的高精度图案化改性由于材料对激光束具有反射和吸收效应,激光改性通常发生在材料的表面区域,这使得显微激光改性技术适用于低维材料本征性质改性的研究
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