学物理仿真实验
光学扳手——光轨道角动量探秘
实
验
报
告
实验简介
20世纪70年代Ashkin 实验中观察光镊现象现象引起物理学者生物学者极兴趣利光镊实现微米亚微米生物分子微粒细胞步伐俘获基影响周围环境情况捕获物进行亚接触性损活体操作十年光技术研究应已成生命科学等领域缺工具
实验中发现环形光场分布光束仅提高光镊中光束微粒俘获效率某环形光束(拉盖尔高斯光束)携带轨道角动量传递吸收性微粒驱动微粒旋转发现生物技术材料科学原子物理诸应领域提供种新实验工具显示某光束仅实现微粒接触俘获移实现微粒接触旋转种利光束角动量实现微粒接触旋转生活中扳手相似形象种工具称光学扳手
实验利空间光调制器调控光场产生演示微粒高斯光束捕获现象时利实现微粒偏振涡旋光场中转公转现象探究影响微粒旋转素外演示横模式产生转换学生更理解光学扳手概念轨道角动量奠定基础
二实验目
1．激光模式认识：拉盖尔高斯模厄米高斯模振幅相位结构
2．汇聚光场微观粒子力学相互作
3．空间光调制器（SLM）调控激光高阶模式：SLM调控光场复振幅分布原理生成光栅利SLM高斯光场转换高阶模式光场观察光场强度分布利MZ干涉仪检查高阶模式光场相位分布
4．柱状透镜激光模式变换：利柱状透镜观察LG模式HG模式直接转换
5．光镊捕获微观粒子：利汇聚高斯光场捕获液体中悬浮微观粒子
6．圆偏振光光物质轨道角动量交换：利圆偏振光捕获单轴晶体（双轴晶体）微观粒子观察微观粒子转行
7．全息光镊粒子动态移动：利空间光调制器时控制束高斯光场汇聚点空间位置时移动微观粒子摆出特殊分布微观粒子阵列
8．全息光镊粒子公转：利空间光调制器产生涡旋光场捕获微观粒子观察微观粒子着涡旋光场进行公转行
三实验原理
光镊——粒子捕获移操作
光压：光压射物体光产生压强称辐射压强（辐射压）例太阳光射时会感受温暖聚焦高量激光点燃纸片光波量传递
早十七世纪初德国天文学家开普勒认识光辐射压力存1873年麦克斯韦根电磁学理证明光产生辐射压力
图1 光压
光具波粒二象性光子概念提出光粒子性解释光压现象光压光子动量传物体结果光粒子性根动量定理光子具动量hvc会物体产生定压力入射物体表面吸收者反射量光子长时间作会形成稳定压力事实光压作光子会部分量动量形式传递物体物体动发生变化剩余量部分转化成热外余反射光形式辐射
光粒子性量实验证实根爱斯坦等研究电磁波遵量子力学理光子具表征质量物质波方程λhphmv推导出光子表征质量mhλc见光子时具质量速度者说光子具动量具动量量光子射物体产生稳定压强光压
光辐射压力非常微弱功率毫瓦（mW）量级光仅仅产生皮牛量级作力长段时间里直法实验验证光辐射压力存直世纪60年代激光出现辐射压力研究应成现代光学技术断发展进步契机20世纪末终项够精确操控微纳粒子新技术应运生基光力学效应激光技术光学镊子(optical tweezers)
光镊光学捕获工作原理利光场强度空间变化形成梯度力微粒稳定捕获光场强处光束焦点位置激光束移动时带动微粒起运动实现微粒精密操控果利光子轨道角动量旋角动量捕获微粒传递实现微粒旋转单光束高斯光镊例束高度会聚高斯光场作透明微粒时微粒折射率周围介质折射率时光传播方垂直传播方面光场强度变化形成梯度力会粒子推束腰处形成三维光学势阱根微粒尺寸理两种典型模型解释光学势阱
激光光束显微操作具优势连续控制激光光源参数实现尺寸粒子操作接触损伤操作微粒子激光显微操作技术相融合严格操控微米量级微粒子控制活体细胞损伤阈值激光捕获技术广泛应生物医学光阱效应称光学势阱力光阱力激光光束会处光阱中物体受力作束缚光阱力包括光阱梯度力垂直光轴方辐射压力光轴方
20世纪70年代亚瑟·阿斯金实验中观察光镊现象 现象引起物理学者生物学者极兴趣利光镊实现微米亚微米微粒俘获移正进行更深入研究20世纪90年代发现环形光场分布光束仅提高光镊中光束微粒俘获效率 某环形光束拉盖尔高斯（LaguerreGaussian）光束携带轨道角动量传递吸收性微粒驱动微粒旋转发现生物技术材料科学原子物理诸应领域提供种新实验工具显示某光束仅实现微粒接触俘获移 实现微粒接触旋转种利光束角动量实现微粒接触旋转生活中扳手相似形象种工具称光学扳手
直径远波长公劝米氏粒子说光学势阱原理光学解释光子微粒碰撞时光子动量传递微粒产生微作力果束激光高度汇聚起会形成三维势光学势阱微粒势阱中受合力始终指势阱中心焦点位置粒子位势阱什位置
势阱梯度力微粒稳定捕获势阱中直径激光波长劝瑞利粒子需波动光学电磁场理分析粒子作介电球光场中受合力表示光场梯度力光场散射力两部分叠加粒子起捕获作梯度力想粒子稳定束缚光场势阱中轴梯度力必须克服散射力想实现粒子捕获必须激光束高度汇聚产生足够强梯度力通常需高数值孔径显微物镜
光学扳手——粒子旋转操作：
光学扳手作光学微操技术种利光束方法微粒子进行精细操作特性研究技术世纪七十年代问世飞速发展广泛应
利涡旋光束代传统意义高斯型光束作光镊微粒子进行操控具优势：第涡旋光束中心强度零生物体进行捕获时量降低激光束生物体热损伤中空涡旋光束微粒子捕获焦点附处光吸收吸收引起光散射力热损伤降低第二涡旋光束相位中心强度零呈涡旋状光束中光子均携带OAM捕获微粒子程中通微粒子光吸收根动量守恒定律涡旋光束中光子携带OAM传递微粒子仅束缚微粒子微粒子旋转微粒子进行三维操控第三传统光镊微粒子捕获局限微粒子折射率限制通常捕获微粒子周围介质相折射率相反果激光束光阱力实现微粒子束缚现实中存相折射率种情况采涡旋光束束缚微粒子利涡旋光束时束缚折射率相微粒子
涡旋光镊束缚尺寸微粒子根微粒子尺寸十纳米百微米分理采模型进行分析模拟微粒子尺度时十分入射波长光入射微粒子会产生回音壁模谐振发生瑞利散射通常采电偶极子模型进行解释实验条件限捕获尺寸微粒子微粒子尺寸十分十倍入射波长间光入射微粒子时会产生米氏散射通常采米氏散射理进行解释微粒子尺寸十倍波长采光线追迹模型
进行解释涡旋光镊捕获尺寸折射率微粒子仅束缚微粒子微粒子旋转实现真正损伤高效率操控微粒子
高斯光束显微操控技术：
面介绍垂直光轴方梯度力微粒子强度均匀光场作受作力图2 a)示两条光场强度相方相互行光束ab称入射形状规球形微粒子表面面详细分析微粒子受力情况两条光束行入射微粒子根斯涅耳定律光束微粒子表面处折射会改变光束传播方光束动量发生改变说明光束微粒子力作相光强行入射光束两条入射光束微粒子施加横力相互抵消微粒子受横力作图2 b)示果两条相互行入射光束强度光束a光场强度光束b更强两条光束时作微粒子时光束a传递微粒子动量更作力更微粒子受左方力样会处衡状态出结微粒子处强度均匀光场中时会受指光强强处力作该力称光阱梯度力
仅光场梯度力微粒子产生作力散射力样作微粒子散射力部分射物体光束吸收反射等面微观角度解释光束高速运动光子组成光束射微粒子时携带动量光子会微粒子相互作动量传递微粒子散射微粒子产生力作光束光强关粒子质属性吸收系数反射率折射率关
微粒子处光场射区域时果想稳定束缚微粒子焦点处需满足微粒子受梯度力散射力相等图 3 a)示激光光束聚焦焦点位微粒子中心面时微粒子处聚焦范围外焦点处光强强光束微粒子表面发生反射折射动量改变微粒子受传播方反负梯度力粒子受合外力指焦点处图
3 b)示激光束聚焦微粒子中心面时微粒子处聚焦范围图3 a)恰相反样微粒子受指焦点梯度力会微粒子拉回焦点处
通述分析微粒子处光场中未衡点处时微粒子仅受光场梯度力光场散射力作微粒子受梯度力通常微粒子拉回焦点处散射力微粒子推出光场光场中微粒子处散射力梯度力动态衡中果想利光阱力捕获微粒子需满足条件：第微粒子周围介质折射率时光阱中微粒子受梯度力散射力方相反微粒子稳定束缚焦点处实现捕获相反果相折射率述两力合力会微粒子推出光场第二微粒子受光场梯度力散射力梯度力更会微粒子受合力指光强强处样微粒子会束缚焦点处
中周围介质粘滞系数分捕获微粒子似半径逃逸速度激光光镊捕获微粒子光阱力微粒子逃逸速度关实验中利飞秒激光光镊捕获氧化铜微粒子然手动较速度移动三维载物台确保氧化铜微粒子然束缚原位置然计算机中写入程序周围介质相束缚微粒子移动速度逐渐增加移动速度达阈值逃逸速度飞秒激光光阱力束缚氧化铜微粒子通公示(31)计算出激光光镊作微粒子产生光阱力
利光学方法激光微束中球受轴力进行数值计算结果表明束缚较高折射率粒子时光学涡旋结构光束产生轴束缚力相激光功率光镊3倍较低激光功率条件生物细胞进行捕获操减少捕获细胞受热损伤危险性非常重存两衡点更利捕获粒子仅利光学
涡旋克服光镊法束缚低折射率粒子足通计算出光学涡旋捕获实验选择参数优化：束腰越势阱越深捕获越稳定波长越长势阱越深捕获稳定性越强粒子半径越受轴力越越容易捕获粒子相折射率越势阱越深相折射率145轴力始终零粒子法捕获适选择实验参数增强捕获稳定性
光具量动量 光动量包括线性动量角动量携带角动量光束物体相互作角动量交换时物体受力矩作该力矩作物体阻力矩会物体产生旋转运动光角动量包括轨道角动量旋角动量光轨道角动量光场特定空间分布相联系旋角动量取决光束偏振状态
光束偏振状态 光子均旋角动量说光束携带旋角动量方取决光束偏振状态光束偏振态发生改变意味着携带旋角动量变化束携带旋角动量光束物体相互作光束偏振态发生变化相应角动量发生变化根角动量守恒定律 物体角动量时发生变化 导致力矩作物体物体发生旋转种基旋角动量交换者传递实现光致旋转入射光偏振状态关物体微粒光学性质关
旋角动量传递扭力矩
光量子理 光光子组成光子旋角动量h光子旋角动量光传播方投影取决光束偏振状态左旋圆偏振光+h右旋圆偏振光h左旋右旋圆偏振光光2种基征偏振状态线偏振光作左旋右旋圆偏振态相例叠加时光子光传播方投影取+hh概率相均旋角动量零般偏振光椭圆偏振光成例左旋右旋圆偏振光叠加均旋角动量零
光束通双折射物体时光束o光e光分量具相位变化透双折射粒子合成光束偏振状态发生改变光束旋角动量发生变化时双折射物体角动量相等方相反改变光束物体相互作时光施加扭转力矩作物体该力矩克服阻力矩物体产生旋转运动
图 Beth光致旋转实验示意图
图R A Beth1936 年第次实验观察光致旋转现象实验示意图束左旋圆偏振光束通细丝悬挂着半波片 种左旋圆偏振光光子携带+h角动量 通半波片 变右旋圆偏振光 光子旋角动量变h 意味着 波片1光子里+2h角动量样光束(光子流)强度算单位时间里传该波片角动量施加波片扭力矩物体光作产生旋转
光镊光致旋转
光镊三维空间悬浮微粒子光镊捕获悬浮作形悬线作物体悬挂起受机械摩擦力光镊悬浮粒子优点光致旋转创造佳实验环境光镊光场中进行光物体角动量交换减外界摩擦阻力十分利粒子旋转外光镊操控旋转粒子目接触物体驱动粒子实现定旋转光致旋转现实时观察记录进行图分析处理Beth光致旋转实验相光镊光致旋转实验设计直观反映光旋角动量传递造成光致旋转现象实验条件简单实验效果明显
实验具双折射特性CaCO3晶体粒子μm粒子似圆薄片CaCO3粒子薄片光镊捕获CaCO3粒子悬挂空间里光阱束腰处光波波面似作理想面波处理
CaCO3晶体粒子双折射特性时光束旋角动量发生变化根角动量守恒定律粒子获光束角动量改变量产生扭转趋势晶片光轴x轴间夹角θ入射光角频率ω面电磁波椭圆度 偏振光电场矢量表示：
入射光施加晶片单位面积扭转力矩：
光束晶体端面(z d)出射时o光e光间相位差改变Δkd(none)根角动量守恒定律光束角动量变化作厚度d粒子单位面积引起力矩τ衡时受黏滞力矩CΩ中C阻力系数Ω转动角速度
四．实验容
实验设计
图 光镊光致旋转实验装置
实验设备图示光镊微操作系统 光镊光路中插入偏振器组偏振器组包括起偏器P 14 波片半波片 偏振元件根实验容推入波片架中 波片架耦合入光镊仪器预留孔洞中波片光路中独立绕光束旋转 调节光束偏振状态微粒旋转运动动态程CCD摄头采集 显示显示器 直观观察微粒旋转运动转速致做出判断然采集动态图作相应处理 计算获粒子转速
实验中双折射晶体样品CaCO3微粒通常形状规旋转时散射光强空间分布呈周期性变化特颗粒突起部分散射较强抓住粒子特征通CCD采集动态图直观转速致做出判断然采集动态图作相应处理计算获粒子转速实验样品μm物理光学性质满足光镊捕获条件
图 线偏振光双折射粒子定作
线偏振光双折射粒子定作：
光镊光路中插入起偏器 起偏器表面光束轴线垂直 观察线偏振光光阱中捕获双折射微粒作(图3)
1)反复捕获CaCO3 微粒 注意观察微粒否基定位相角度 说明线偏振光双折射粒子定作
2)捕捉CaCO3 微粒 先调节起偏器透振方水竖直方 观察双折射粒子定位新方位图4(a)表示 偏振片透振方置某方时 捕获微粒定位方 箭头示改变偏振片方 捕获微粒定位方 图4(b)箭头示
图 线偏振光偏振方改变捕获微粒定改变
果线偏振光透振方分水竖直方 微粒分定位2确定位置
圆偏振光引起双折射粒子连续转动：
调节起偏器出射光强 然光路推入14波片 波片面垂直光束绕光束旋转波片波片光轴入射光偏振方成π4 角 通波片光变圆偏振光观察样圆偏振光作 光阱中捕获双折射微粒连续旋转运动 利CCD 采集图估算微粒旋转速率
图 入射光圆偏振光时左旋运动
根圆偏振光椭圆度π4 时扭转力矩晶体光轴i x 轴间夹角θ关 粒子受恒定力矩 产生连续恒定转动t 增加 入射光圆偏振光时CaCO3 微粒左旋运动方图5 箭头示t 增加入射光圆偏振光时CaCO3 微粒右旋运动 运动方图6箭头示
图 入射光圆偏振光时右旋运动
椭圆偏振光作双折射粒子转动：
改变14 波片光轴相入射光偏振方角度 椭圆度椭偏光椭圆度0π2π4值外意值时 观察该光束穿双折射粒子 引起该粒子旋转运动特点
分析施加粒子扭力矩特点 说明粒子旋转角速度周期性变化原进定性分析粒子旋转1周速度变化
改变圆偏振光旋：
圆偏振光光路中半波片推入14波片圆偏振光旋会改变样光镊捕获双折射微粒旋转方会反
半波片绕光束旋转14波片改变光轴取获原旋相反圆偏振光改变微粒旋转运动方
试分析施加粒子扭力矩特点说明粒子旋转角速度周期性变化原进定性分析粒子旋转1周速度变化
研究容拓展
通系列实验 解光镊光致旋转实验原理特点 利椭偏光实现光致旋转实验条件规律 充分讨观察粒子定恒速转动现 分析粒子什情况获转动力矩基础 进步设计更实验 例：研究粒子旋转速度光功率变化关系 改变入射光功率 圆偏振光情形 测量转速光功率关系曲线通选择代表性形状粒子 较旋转效果实验条件间关系 研究微粒形状旋角动量传递影响
结束语
实验利光镊独特点实现演示光致旋转现象 学生够直观观察认识光角动量基属性产生光致旋转现象光镊光致旋转实验设计R A Be th 光致旋转实验作较 利光镊技术三维空间悬浮操控微粒子特点 实现粒子悬浮固定 巧妙解决旋转粒子悬挂问题 真实反映光角动量传递物体现象体现现代科学技术发展基础教育推动
光束轨道角动量
年研究表明 光束角动量两种种光束偏振特性产生角动量种光束具螺旋形相位结构(扭转位相)产生轨道角动量1936年Beth圆偏振光通石英光纤悬挂半波带板 首先观察光束圆偏振特性引起角动量 通精确测量光纤扭矩发现角动量量子旋关光束轨道角动量直忽略 年发现光束含角相关位相分布时(扭转位相螺旋位相) 类光束具角位相分布关角动量 称轨道角动量果该光束光场函数
该光束轨道角动量
中r位置矢量表示光束扭转位相ω光场角频率 P光束功率
种典型具轨道角动量光束拉盖尔高斯光束 极坐标光场形式表示
中拉盖尔项式p表示径节线圆数目 l表示辐角方节线数目 光束束腰半径 ω(z)光束传输方位置z 处光斑半径 R(z)光束波前曲率半径 光束传输时产生附加相移l ≠0 拉盖尔高斯光束含角位相项 具轨道角动量
图 厄米高斯光束产生光束变换
图 扭转柱面镜系统变换前理计算光斑实际测量光斑
光学扳手微粒俘获旋转
图 光学扳手实验系统图
光学扳手实验装置图3示实验中通调整抽运光位置 Nd YAG 激光器输出模式TEM4 0 TEM4 0模光学变换系统 获图2 示环形称光束该环形称光束首先通10 倍扩束镜扩束 目减入射光束发散角 扩束光束高倍显微物镜聚焦光斑半径微米量级 扩束镜倍数应满足扩束光束直径充满显微物镜通光孔径扩束镜环形激光束块1064nm 45°高反镜反射进入显微物镜 实验中采显微物镜100倍油浸物镜 数值孔径125 实现入射环形光束聚焦样品池载玻片盖玻片间夹层70μm 薄膜制成 实验中选定样品直径8μm 左右微粒 利蒸馏水作溶剂
光学扳手实验装置中两种方式微粒进行观察 显微物镜目镜组成目视观察系统 显微镜面阵CCD构成观察系统 面阵CCD采集图图采集卡实时采集操作者计算机屏幕观察微粒状态方便观察选择规
微粒作实验象图4 图采集卡记录样品微粒旋转图中位图中央规颗粒选微粒应入射环形扭转称光束功率30mW采光束具轨道角动量 实验中观察微粒光场作05Hz转速旋转
图 微粒光学扳手中旋转情况 微粒时针方旋转 旋转转速05Hz
实验中隔05s采幅图采集图出图中间微粒着时间变化时针旋转 背景微粒微粒间相位置发生变化增入射环形光束功率时 观察微粒旋转速度加快 反变慢保持光束功率变情况 改变入射光束模阶次 微粒旋转速度光束模阶次升高加快 着入射激光轨道角动量增变快保持环形光束模阶次变情况 微粒旋转角速度入射环形光束功率间关系图5示
图 微粒转速入射光束功率间关系
结束语
利非称柱面镜系统半导体激光抽运NdYAG激光器产生厄米高斯光束变换具轨道角动量扭转称环形光束 利种光束研制成功光学扳手 实现直径8μm左右微粒俘获移旋转研究生物医学领域重应价值
尺寸粒子利LG光束实现绕光轴公转
实验光学系统图2 示光源采波长λ 532 nm Nd∶YAG 连续固体激光器输出高斯基模线偏振光通扩束镜光束宽度SLM效区域相匹配半波片调整入射光偏振方采SLM相位调制度0 ～ 2 π相位等级50SLM 相位调制生成LG 光束远镜系统压缩100 × 浸油物镜( NA 1． 25) 会聚形成光镊分光镜光镊光路观察光路分离明光源采白光分光镜CCD 成样品CuO 微粒水溶液微粒直径1 ～ 8 μm
图 实验光路
图3 根式( 1) 计算两种LG模式( p 01l 5) 理光强分布相机拍摄远场分布见光强分布理基致
图 LG( p 01l 5)光束理计算
光学漩涡微粒捕获旋转
单微粒绕轴旋转
图4 CCD 拍摄单直径约675 μm 样品颗粒光学漩涡捕获暗中空区域发生绕行光轴固定轴旋转系列图片应激光功率P 031 W采LG(50)光束
图 单直径约675 μm 微粒光学漩涡暗中空区域捕获
保持图4 实验条件变改变激光功率粒子绕轴旋转周期T 激光功率P 变化关系(图5示) 图5出绕轴旋转周期T 着激光功率P 增减P 0332 W时吸收性粒子吸热熔化粘连玻片停止旋转
图 单直径约675μm 微粒绕轴旋转周期T激光功率P变化
单微粒绕轨道旋转
图6CCD 拍摄单直径约25μm 微粒光学漩涡亮环处捕获发生绕轨道旋转系列图片应激光功率P 041 W采LG(50)光束
图 单直径约25μm 微粒光学漩涡亮环处捕获
保持图6实验条件变改变激光功率粒子绕轨道旋转周期T激光功率P变化关系图7示
图 单直径约25μm 微粒绕轨道旋转周期T激光功率P变化
图7见粒子绕轨道旋转周期T 着激光功率P 增呈现先减增趋势种反常现象Grier 等绕轨道旋转800 nm聚苯乙烯时实验现象致Grier 等认热点存粒子流畅跳跃着旋转光学漩涡中热点空间光调制器素间距会光强分布产生波纹影响粒子旋转粒子停滞时间增加着激光功率P 增种热点效应越明显
图8激光功率P 05 W 时图6 中直径约25μm 微粒绕轨道旋转周期T 径指数p 1条件角指数l变化图8见粒子绕轨道旋转周期T角指数l成反关系着l增粒子旋转加快定激光功率着l增传递微粒轨道角动量增加
图 单直径约25μm 微粒绕轨道旋转周期T角指数l变化( p 1)
微粒绕轨道旋转LG光束时捕获微粒绕轨道旋转单微粒绕轨道旋转时造成流场变化容易吸引附微粒参旋转图9采LG50光束激光功率P 037 W时两CuO粒子绕轨道旋转
图 两直径约2μm CuO微粒光学漩涡亮环处捕获绕轨道旋转
结
文述产生LG 光束计算全息图设计原理出利计算全息现LG 光场理分析全息光镊实验台实现LG 光束现吸收性CuO 微粒象进行系列旋转操实验实验发现单微粒光学漩涡捕获暗中空区域实现绕固定轴旋转囚禁光强值处实现绕轨道旋转 实现微粒绕轨道旋转绕轴旋转绕轨道旋转周期激光功率变化呈现出变化趋势前者着激光功率增逐渐减 者着激光功率增先减增着角指数增加绕轨道旋转周期减结果光致旋转中微粒旋转精确操控研究微马达微纳器件光致驱动生物医学等领域具重应价值
五．实验仪器
实验次数
周期数
时间ms
O轴重心距离cm
等效摆长
cm
重力加速度值
(ms2)
1
10
172150
172150
172148
172148
3619
7309
97250
2
10
172155
172155
172153
172153
3618
7309
97474
3
10
172149
172149
172145
172145
3619
7309
97602
4
10
172152
172152
172147
172147
3620
7309
97666
重力加速度均值：97498
实验仪器：
中实验仪器：激光器台空间光调制器2台CCD相机4台显微成系统1套柱状透镜1透镜半波片反射镜分束镜偏振分束镜干空间光调制器CCD相机均接入电脑控制实验程中光学器件仪器设备均调节
六．实验操作
实验指导
（）基操作：
视角移动：鼠标左键移动鼠标左右移视角
鼠标右键移动鼠标旋转视角
滑动鼠标滚轮前进退视角
二 开关控制：视角移开关前方鼠标左键点击开关钮开关闭开关
三 仪器移动：鼠标左键点击底座放拖动相应仪器
底座应磁力开关锁定解锁仪器位置
仪器金属滑杆左键右键点击金属滑杆升高降低仪器
四 旋钮旋转鼠标左键右键点击相应旋钮连续旋转旋钮
（二）实验步骤：
光路搭建：
开房间灯光开关
二 开激光器电源开关
三 旋转激光器电源功率旋钮激光器功率调100mw左右
四 旋转激光器电源波长旋钮激光器波长调制5328nm左右
五 放置空间光调制器1光线反射进入分束器1
六 放置空间光调制器2调节分束参数1×1光线反射进入远镜系统进入显微镜
七 双击开显微镜明灯光
（三）实验现象调节：
鼠标左键双击CCD相机开CCD相机视图
二 鼠标左键双击空间光调制器开空间光调制器全息光栅参数调节视图
三 鼠标左键双击显微镜开显微镜相关参数调节视图
四 通调节透镜目镜位置控制光束发散程度束腰半径观察
五 调节相关参数通CCD观察样品微粒运动情况
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光学扳手——光轨道角动量探秘
实
验
报
告
实验简介
20世纪70年代Ashkin 实验中观察光镊现象现象引起物理学者生物学者极兴趣利光镊实现微米亚微米生物分子微粒细胞步伐俘获基影响周围环境情况捕获物进行亚接触性损活体操作十年光技术研究应已成生命科学等领域缺工具
实验中发现环形光场分布光束仅提高光镊中光束微粒俘获效率某环形光束(拉盖尔高斯光束)携带轨道角动量传递吸收性微粒驱动微粒旋转发现生物技术材料科学原子物理诸应领域提供种新实验工具显示某光束仅实现微粒接触俘获移实现微粒接触旋转种利光束角动量实现微粒接触旋转生活中扳手相似形象种工具称光学扳手
实验利空间光调制器调控光场产生演示微粒高斯光束捕获现象时利实现微粒偏振涡旋光场中转公转现象探究影响微粒旋转素外演示横模式产生转换学生更理解光学扳手概念轨道角动量奠定基础
二实验目
1．激光模式认识：拉盖尔高斯模厄米高斯模振幅相位结构
2．汇聚光场微观粒子力学相互作
3．空间光调制器（SLM）调控激光高阶模式：SLM调控光场复振幅分布原理生成光栅利SLM高斯光场转换高阶模式光场观察光场强度分布利MZ干涉仪检查高阶模式光场相位分布
4．柱状透镜激光模式变换：利柱状透镜观察LG模式HG模式直接转换
5．光镊捕获微观粒子：利汇聚高斯光场捕获液体中悬浮微观粒子
6．圆偏振光光物质轨道角动量交换：利圆偏振光捕获单轴晶体（双轴晶体）微观粒子观察微观粒子转行
7．全息光镊粒子动态移动：利空间光调制器时控制束高斯光场汇聚点空间位置时移动微观粒子摆出特殊分布微观粒子阵列
8．全息光镊粒子公转：利空间光调制器产生涡旋光场捕获微观粒子观察微观粒子着涡旋光场进行公转行
三实验原理
光镊——粒子捕获移操作
光压：光压射物体光产生压强称辐射压强（辐射压）例太阳光射时会感受温暖聚焦高量激光点燃纸片光波量传递
早十七世纪初德国天文学家开普勒认识光辐射压力存1873年麦克斯韦根电磁学理证明光产生辐射压力
图1 光压
光具波粒二象性光子概念提出光粒子性解释光压现象光压光子动量传物体结果光粒子性根动量定理光子具动量hvc会物体产生定压力入射物体表面吸收者反射量光子长时间作会形成稳定压力事实光压作光子会部分量动量形式传递物体物体动发生变化剩余量部分转化成热外余反射光形式辐射
光粒子性量实验证实根爱斯坦等研究电磁波遵量子力学理光子具表征质量物质波方程λhphmv推导出光子表征质量mhλc见光子时具质量速度者说光子具动量具动量量光子射物体产生稳定压强光压
光辐射压力非常微弱功率毫瓦（mW）量级光仅仅产生皮牛量级作力长段时间里直法实验验证光辐射压力存直世纪60年代激光出现辐射压力研究应成现代光学技术断发展进步契机20世纪末终项够精确操控微纳粒子新技术应运生基光力学效应激光技术光学镊子(optical tweezers)
光镊光学捕获工作原理利光场强度空间变化形成梯度力微粒稳定捕获光场强处光束焦点位置激光束移动时带动微粒起运动实现微粒精密操控果利光子轨道角动量旋角动量捕获微粒传递实现微粒旋转单光束高斯光镊例束高度会聚高斯光场作透明微粒时微粒折射率周围介质折射率时光传播方垂直传播方面光场强度变化形成梯度力会粒子推束腰处形成三维光学势阱根微粒尺寸理两种典型模型解释光学势阱
激光光束显微操作具优势连续控制激光光源参数实现尺寸粒子操作接触损伤操作微粒子激光显微操作技术相融合严格操控微米量级微粒子控制活体细胞损伤阈值激光捕获技术广泛应生物医学光阱效应称光学势阱力光阱力激光光束会处光阱中物体受力作束缚光阱力包括光阱梯度力垂直光轴方辐射压力光轴方
20世纪70年代亚瑟·阿斯金实验中观察光镊现象 现象引起物理学者生物学者极兴趣利光镊实现微米亚微米微粒俘获移正进行更深入研究20世纪90年代发现环形光场分布光束仅提高光镊中光束微粒俘获效率 某环形光束拉盖尔高斯（LaguerreGaussian）光束携带轨道角动量传递吸收性微粒驱动微粒旋转发现生物技术材料科学原子物理诸应领域提供种新实验工具显示某光束仅实现微粒接触俘获移 实现微粒接触旋转种利光束角动量实现微粒接触旋转生活中扳手相似形象种工具称光学扳手
直径远波长公劝米氏粒子说光学势阱原理光学解释光子微粒碰撞时光子动量传递微粒产生微作力果束激光高度汇聚起会形成三维势光学势阱微粒势阱中受合力始终指势阱中心焦点位置粒子位势阱什位置
势阱梯度力微粒稳定捕获势阱中直径激光波长劝瑞利粒子需波动光学电磁场理分析粒子作介电球光场中受合力表示光场梯度力光场散射力两部分叠加粒子起捕获作梯度力想粒子稳定束缚光场势阱中轴梯度力必须克服散射力想实现粒子捕获必须激光束高度汇聚产生足够强梯度力通常需高数值孔径显微物镜
光学扳手——粒子旋转操作：
光学扳手作光学微操技术种利光束方法微粒子进行精细操作特性研究技术世纪七十年代问世飞速发展广泛应
利涡旋光束代传统意义高斯型光束作光镊微粒子进行操控具优势：第涡旋光束中心强度零生物体进行捕获时量降低激光束生物体热损伤中空涡旋光束微粒子捕获焦点附处光吸收吸收引起光散射力热损伤降低第二涡旋光束相位中心强度零呈涡旋状光束中光子均携带OAM捕获微粒子程中通微粒子光吸收根动量守恒定律涡旋光束中光子携带OAM传递微粒子仅束缚微粒子微粒子旋转微粒子进行三维操控第三传统光镊微粒子捕获局限微粒子折射率限制通常捕获微粒子周围介质相折射率相反果激光束光阱力实现微粒子束缚现实中存相折射率种情况采涡旋光束束缚微粒子利涡旋光束时束缚折射率相微粒子
涡旋光镊束缚尺寸微粒子根微粒子尺寸十纳米百微米分理采模型进行分析模拟微粒子尺度时十分入射波长光入射微粒子会产生回音壁模谐振发生瑞利散射通常采电偶极子模型进行解释实验条件限捕获尺寸微粒子微粒子尺寸十分十倍入射波长间光入射微粒子时会产生米氏散射通常采米氏散射理进行解释微粒子尺寸十倍波长采光线追迹模型
进行解释涡旋光镊捕获尺寸折射率微粒子仅束缚微粒子微粒子旋转实现真正损伤高效率操控微粒子
高斯光束显微操控技术：
面介绍垂直光轴方梯度力微粒子强度均匀光场作受作力图2 a)示两条光场强度相方相互行光束ab称入射形状规球形微粒子表面面详细分析微粒子受力情况两条光束行入射微粒子根斯涅耳定律光束微粒子表面处折射会改变光束传播方光束动量发生改变说明光束微粒子力作相光强行入射光束两条入射光束微粒子施加横力相互抵消微粒子受横力作图2 b)示果两条相互行入射光束强度光束a光场强度光束b更强两条光束时作微粒子时光束a传递微粒子动量更作力更微粒子受左方力样会处衡状态出结微粒子处强度均匀光场中时会受指光强强处力作该力称光阱梯度力
仅光场梯度力微粒子产生作力散射力样作微粒子散射力部分射物体光束吸收反射等面微观角度解释光束高速运动光子组成光束射微粒子时携带动量光子会微粒子相互作动量传递微粒子散射微粒子产生力作光束光强关粒子质属性吸收系数反射率折射率关
微粒子处光场射区域时果想稳定束缚微粒子焦点处需满足微粒子受梯度力散射力相等图 3 a)示激光光束聚焦焦点位微粒子中心面时微粒子处聚焦范围外焦点处光强强光束微粒子表面发生反射折射动量改变微粒子受传播方反负梯度力粒子受合外力指焦点处图
3 b)示激光束聚焦微粒子中心面时微粒子处聚焦范围图3 a)恰相反样微粒子受指焦点梯度力会微粒子拉回焦点处
通述分析微粒子处光场中未衡点处时微粒子仅受光场梯度力光场散射力作微粒子受梯度力通常微粒子拉回焦点处散射力微粒子推出光场光场中微粒子处散射力梯度力动态衡中果想利光阱力捕获微粒子需满足条件：第微粒子周围介质折射率时光阱中微粒子受梯度力散射力方相反微粒子稳定束缚焦点处实现捕获相反果相折射率述两力合力会微粒子推出光场第二微粒子受光场梯度力散射力梯度力更会微粒子受合力指光强强处样微粒子会束缚焦点处
中周围介质粘滞系数分捕获微粒子似半径逃逸速度激光光镊捕获微粒子光阱力微粒子逃逸速度关实验中利飞秒激光光镊捕获氧化铜微粒子然手动较速度移动三维载物台确保氧化铜微粒子然束缚原位置然计算机中写入程序周围介质相束缚微粒子移动速度逐渐增加移动速度达阈值逃逸速度飞秒激光光阱力束缚氧化铜微粒子通公示(31)计算出激光光镊作微粒子产生光阱力
利光学方法激光微束中球受轴力进行数值计算结果表明束缚较高折射率粒子时光学涡旋结构光束产生轴束缚力相激光功率光镊3倍较低激光功率条件生物细胞进行捕获操减少捕获细胞受热损伤危险性非常重存两衡点更利捕获粒子仅利光学
涡旋克服光镊法束缚低折射率粒子足通计算出光学涡旋捕获实验选择参数优化：束腰越势阱越深捕获越稳定波长越长势阱越深捕获稳定性越强粒子半径越受轴力越越容易捕获粒子相折射率越势阱越深相折射率145轴力始终零粒子法捕获适选择实验参数增强捕获稳定性
光具量动量 光动量包括线性动量角动量携带角动量光束物体相互作角动量交换时物体受力矩作该力矩作物体阻力矩会物体产生旋转运动光角动量包括轨道角动量旋角动量光轨道角动量光场特定空间分布相联系旋角动量取决光束偏振状态
光束偏振状态 光子均旋角动量说光束携带旋角动量方取决光束偏振状态光束偏振态发生改变意味着携带旋角动量变化束携带旋角动量光束物体相互作光束偏振态发生变化相应角动量发生变化根角动量守恒定律 物体角动量时发生变化 导致力矩作物体物体发生旋转种基旋角动量交换者传递实现光致旋转入射光偏振状态关物体微粒光学性质关
旋角动量传递扭力矩
光量子理 光光子组成光子旋角动量h光子旋角动量光传播方投影取决光束偏振状态左旋圆偏振光+h右旋圆偏振光h左旋右旋圆偏振光光2种基征偏振状态线偏振光作左旋右旋圆偏振态相例叠加时光子光传播方投影取+hh概率相均旋角动量零般偏振光椭圆偏振光成例左旋右旋圆偏振光叠加均旋角动量零
光束通双折射物体时光束o光e光分量具相位变化透双折射粒子合成光束偏振状态发生改变光束旋角动量发生变化时双折射物体角动量相等方相反改变光束物体相互作时光施加扭转力矩作物体该力矩克服阻力矩物体产生旋转运动
图 Beth光致旋转实验示意图
图R A Beth1936 年第次实验观察光致旋转现象实验示意图束左旋圆偏振光束通细丝悬挂着半波片 种左旋圆偏振光光子携带+h角动量 通半波片 变右旋圆偏振光 光子旋角动量变h 意味着 波片1光子里+2h角动量样光束(光子流)强度算单位时间里传该波片角动量施加波片扭力矩物体光作产生旋转
光镊光致旋转
光镊三维空间悬浮微粒子光镊捕获悬浮作形悬线作物体悬挂起受机械摩擦力光镊悬浮粒子优点光致旋转创造佳实验环境光镊光场中进行光物体角动量交换减外界摩擦阻力十分利粒子旋转外光镊操控旋转粒子目接触物体驱动粒子实现定旋转光致旋转现实时观察记录进行图分析处理Beth光致旋转实验相光镊光致旋转实验设计直观反映光旋角动量传递造成光致旋转现象实验条件简单实验效果明显
实验具双折射特性CaCO3晶体粒子μm粒子似圆薄片CaCO3粒子薄片光镊捕获CaCO3粒子悬挂空间里光阱束腰处光波波面似作理想面波处理
CaCO3晶体粒子双折射特性时光束旋角动量发生变化根角动量守恒定律粒子获光束角动量改变量产生扭转趋势晶片光轴x轴间夹角θ入射光角频率ω面电磁波椭圆度 偏振光电场矢量表示：
入射光施加晶片单位面积扭转力矩：
光束晶体端面(z d)出射时o光e光间相位差改变Δkd(none)根角动量守恒定律光束角动量变化作厚度d粒子单位面积引起力矩τ衡时受黏滞力矩CΩ中C阻力系数Ω转动角速度
四．实验容
实验设计
图 光镊光致旋转实验装置
实验设备图示光镊微操作系统 光镊光路中插入偏振器组偏振器组包括起偏器P 14 波片半波片 偏振元件根实验容推入波片架中 波片架耦合入光镊仪器预留孔洞中波片光路中独立绕光束旋转 调节光束偏振状态微粒旋转运动动态程CCD摄头采集 显示显示器 直观观察微粒旋转运动转速致做出判断然采集动态图作相应处理 计算获粒子转速
实验中双折射晶体样品CaCO3微粒通常形状规旋转时散射光强空间分布呈周期性变化特颗粒突起部分散射较强抓住粒子特征通CCD采集动态图直观转速致做出判断然采集动态图作相应处理计算获粒子转速实验样品μm物理光学性质满足光镊捕获条件
图 线偏振光双折射粒子定作
线偏振光双折射粒子定作：
光镊光路中插入起偏器 起偏器表面光束轴线垂直 观察线偏振光光阱中捕获双折射微粒作(图3)
1)反复捕获CaCO3 微粒 注意观察微粒否基定位相角度 说明线偏振光双折射粒子定作
2)捕捉CaCO3 微粒 先调节起偏器透振方水竖直方 观察双折射粒子定位新方位图4(a)表示 偏振片透振方置某方时 捕获微粒定位方 箭头示改变偏振片方 捕获微粒定位方 图4(b)箭头示
图 线偏振光偏振方改变捕获微粒定改变
果线偏振光透振方分水竖直方 微粒分定位2确定位置
圆偏振光引起双折射粒子连续转动：
调节起偏器出射光强 然光路推入14波片 波片面垂直光束绕光束旋转波片波片光轴入射光偏振方成π4 角 通波片光变圆偏振光观察样圆偏振光作 光阱中捕获双折射微粒连续旋转运动 利CCD 采集图估算微粒旋转速率
图 入射光圆偏振光时左旋运动
根圆偏振光椭圆度π4 时扭转力矩晶体光轴i x 轴间夹角θ关 粒子受恒定力矩 产生连续恒定转动t 增加 入射光圆偏振光时CaCO3 微粒左旋运动方图5 箭头示t 增加入射光圆偏振光时CaCO3 微粒右旋运动 运动方图6箭头示
图 入射光圆偏振光时右旋运动
椭圆偏振光作双折射粒子转动：
改变14 波片光轴相入射光偏振方角度 椭圆度椭偏光椭圆度0π2π4值外意值时 观察该光束穿双折射粒子 引起该粒子旋转运动特点
分析施加粒子扭力矩特点 说明粒子旋转角速度周期性变化原进定性分析粒子旋转1周速度变化
改变圆偏振光旋：
圆偏振光光路中半波片推入14波片圆偏振光旋会改变样光镊捕获双折射微粒旋转方会反
半波片绕光束旋转14波片改变光轴取获原旋相反圆偏振光改变微粒旋转运动方
试分析施加粒子扭力矩特点说明粒子旋转角速度周期性变化原进定性分析粒子旋转1周速度变化
研究容拓展
通系列实验 解光镊光致旋转实验原理特点 利椭偏光实现光致旋转实验条件规律 充分讨观察粒子定恒速转动现 分析粒子什情况获转动力矩基础 进步设计更实验 例：研究粒子旋转速度光功率变化关系 改变入射光功率 圆偏振光情形 测量转速光功率关系曲线通选择代表性形状粒子 较旋转效果实验条件间关系 研究微粒形状旋角动量传递影响
结束语
实验利光镊独特点实现演示光致旋转现象 学生够直观观察认识光角动量基属性产生光致旋转现象光镊光致旋转实验设计R A Be th 光致旋转实验作较 利光镊技术三维空间悬浮操控微粒子特点 实现粒子悬浮固定 巧妙解决旋转粒子悬挂问题 真实反映光角动量传递物体现象体现现代科学技术发展基础教育推动
光束轨道角动量
年研究表明 光束角动量两种种光束偏振特性产生角动量种光束具螺旋形相位结构(扭转位相)产生轨道角动量1936年Beth圆偏振光通石英光纤悬挂半波带板 首先观察光束圆偏振特性引起角动量 通精确测量光纤扭矩发现角动量量子旋关光束轨道角动量直忽略 年发现光束含角相关位相分布时(扭转位相螺旋位相) 类光束具角位相分布关角动量 称轨道角动量果该光束光场函数
该光束轨道角动量
中r位置矢量表示光束扭转位相ω光场角频率 P光束功率
种典型具轨道角动量光束拉盖尔高斯光束 极坐标光场形式表示
中拉盖尔项式p表示径节线圆数目 l表示辐角方节线数目 光束束腰半径 ω(z)光束传输方位置z 处光斑半径 R(z)光束波前曲率半径 光束传输时产生附加相移l ≠0 拉盖尔高斯光束含角位相项 具轨道角动量
图 厄米高斯光束产生光束变换
图 扭转柱面镜系统变换前理计算光斑实际测量光斑
光学扳手微粒俘获旋转
图 光学扳手实验系统图
光学扳手实验装置图3示实验中通调整抽运光位置 Nd YAG 激光器输出模式TEM4 0 TEM4 0模光学变换系统 获图2 示环形称光束该环形称光束首先通10 倍扩束镜扩束 目减入射光束发散角 扩束光束高倍显微物镜聚焦光斑半径微米量级 扩束镜倍数应满足扩束光束直径充满显微物镜通光孔径扩束镜环形激光束块1064nm 45°高反镜反射进入显微物镜 实验中采显微物镜100倍油浸物镜 数值孔径125 实现入射环形光束聚焦样品池载玻片盖玻片间夹层70μm 薄膜制成 实验中选定样品直径8μm 左右微粒 利蒸馏水作溶剂
光学扳手实验装置中两种方式微粒进行观察 显微物镜目镜组成目视观察系统 显微镜面阵CCD构成观察系统 面阵CCD采集图图采集卡实时采集操作者计算机屏幕观察微粒状态方便观察选择规
微粒作实验象图4 图采集卡记录样品微粒旋转图中位图中央规颗粒选微粒应入射环形扭转称光束功率30mW采光束具轨道角动量 实验中观察微粒光场作05Hz转速旋转
图 微粒光学扳手中旋转情况 微粒时针方旋转 旋转转速05Hz
实验中隔05s采幅图采集图出图中间微粒着时间变化时针旋转 背景微粒微粒间相位置发生变化增入射环形光束功率时 观察微粒旋转速度加快 反变慢保持光束功率变情况 改变入射光束模阶次 微粒旋转速度光束模阶次升高加快 着入射激光轨道角动量增变快保持环形光束模阶次变情况 微粒旋转角速度入射环形光束功率间关系图5示
图 微粒转速入射光束功率间关系
结束语
利非称柱面镜系统半导体激光抽运NdYAG激光器产生厄米高斯光束变换具轨道角动量扭转称环形光束 利种光束研制成功光学扳手 实现直径8μm左右微粒俘获移旋转研究生物医学领域重应价值
尺寸粒子利LG光束实现绕光轴公转
实验光学系统图2 示光源采波长λ 532 nm Nd∶YAG 连续固体激光器输出高斯基模线偏振光通扩束镜光束宽度SLM效区域相匹配半波片调整入射光偏振方采SLM相位调制度0 ～ 2 π相位等级50SLM 相位调制生成LG 光束远镜系统压缩100 × 浸油物镜( NA 1． 25) 会聚形成光镊分光镜光镊光路观察光路分离明光源采白光分光镜CCD 成样品CuO 微粒水溶液微粒直径1 ～ 8 μm
图 实验光路
图3 根式( 1) 计算两种LG模式( p 01l 5) 理光强分布相机拍摄远场分布见光强分布理基致
图 LG( p 01l 5)光束理计算
光学漩涡微粒捕获旋转
单微粒绕轴旋转
图4 CCD 拍摄单直径约675 μm 样品颗粒光学漩涡捕获暗中空区域发生绕行光轴固定轴旋转系列图片应激光功率P 031 W采LG(50)光束
图 单直径约675 μm 微粒光学漩涡暗中空区域捕获
保持图4 实验条件变改变激光功率粒子绕轴旋转周期T 激光功率P 变化关系(图5示) 图5出绕轴旋转周期T 着激光功率P 增减P 0332 W时吸收性粒子吸热熔化粘连玻片停止旋转
图 单直径约675μm 微粒绕轴旋转周期T激光功率P变化
单微粒绕轨道旋转
图6CCD 拍摄单直径约25μm 微粒光学漩涡亮环处捕获发生绕轨道旋转系列图片应激光功率P 041 W采LG(50)光束
图 单直径约25μm 微粒光学漩涡亮环处捕获
保持图6实验条件变改变激光功率粒子绕轨道旋转周期T激光功率P变化关系图7示
图 单直径约25μm 微粒绕轨道旋转周期T激光功率P变化
图7见粒子绕轨道旋转周期T 着激光功率P 增呈现先减增趋势种反常现象Grier 等绕轨道旋转800 nm聚苯乙烯时实验现象致Grier 等认热点存粒子流畅跳跃着旋转光学漩涡中热点空间光调制器素间距会光强分布产生波纹影响粒子旋转粒子停滞时间增加着激光功率P 增种热点效应越明显
图8激光功率P 05 W 时图6 中直径约25μm 微粒绕轨道旋转周期T 径指数p 1条件角指数l变化图8见粒子绕轨道旋转周期T角指数l成反关系着l增粒子旋转加快定激光功率着l增传递微粒轨道角动量增加
图 单直径约25μm 微粒绕轨道旋转周期T角指数l变化( p 1)
微粒绕轨道旋转LG光束时捕获微粒绕轨道旋转单微粒绕轨道旋转时造成流场变化容易吸引附微粒参旋转图9采LG50光束激光功率P 037 W时两CuO粒子绕轨道旋转
图 两直径约2μm CuO微粒光学漩涡亮环处捕获绕轨道旋转
结
文述产生LG 光束计算全息图设计原理出利计算全息现LG 光场理分析全息光镊实验台实现LG 光束现吸收性CuO 微粒象进行系列旋转操实验实验发现单微粒光学漩涡捕获暗中空区域实现绕固定轴旋转囚禁光强值处实现绕轨道旋转 实现微粒绕轨道旋转绕轴旋转绕轨道旋转周期激光功率变化呈现出变化趋势前者着激光功率增逐渐减 者着激光功率增先减增着角指数增加绕轨道旋转周期减结果光致旋转中微粒旋转精确操控研究微马达微纳器件光致驱动生物医学等领域具重应价值
五．实验仪器
实验次数
周期数
时间ms
O轴重心距离cm
等效摆长
cm
重力加速度值
(ms2)
1
10
172150
172150
172148
172148
3619
7309
97250
2
10
172155
172155
172153
172153
3618
7309
97474
3
10
172149
172149
172145
172145
3619
7309
97602
4
10
172152
172152
172147
172147
3620
7309
97666
重力加速度均值：97498
实验仪器：
中实验仪器：激光器台空间光调制器2台CCD相机4台显微成系统1套柱状透镜1透镜半波片反射镜分束镜偏振分束镜干空间光调制器CCD相机均接入电脑控制实验程中光学器件仪器设备均调节
六．实验操作
实验指导
（）基操作：
视角移动：鼠标左键移动鼠标左右移视角
鼠标右键移动鼠标旋转视角
滑动鼠标滚轮前进退视角
二 开关控制：视角移开关前方鼠标左键点击开关钮开关闭开关
三 仪器移动：鼠标左键点击底座放拖动相应仪器
底座应磁力开关锁定解锁仪器位置
仪器金属滑杆左键右键点击金属滑杆升高降低仪器
四 旋钮旋转鼠标左键右键点击相应旋钮连续旋转旋钮
（二）实验步骤：
光路搭建：
开房间灯光开关
二 开激光器电源开关
三 旋转激光器电源功率旋钮激光器功率调100mw左右
四 旋转激光器电源波长旋钮激光器波长调制5328nm左右
五 放置空间光调制器1光线反射进入分束器1
六 放置空间光调制器2调节分束参数1×1光线反射进入远镜系统进入显微镜
七 双击开显微镜明灯光
（三）实验现象调节：
鼠标左键双击CCD相机开CCD相机视图
二 鼠标左键双击空间光调制器开空间光调制器全息光栅参数调节视图
三 鼠标左键双击显微镜开显微镜相关参数调节视图
四 通调节透镜目镜位置控制光束发散程度束腰半径观察
五 调节相关参数通CCD观察样品微粒运动情况
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