本發(fā)明涉及應(yīng)用光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域、納米技術(shù)領(lǐng)域、以及生物和物理領(lǐng)域，具體涉及一種簡(jiǎn)化的雙光束光鑷系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

光鑷是以激光的力學(xué)效應(yīng)為基礎(chǔ)的一種物理工具，是利用強(qiáng)會(huì)聚的光場(chǎng)與微粒相互作用時(shí)形成的光勢(shì)阱，即光鑷來(lái)俘獲粒子的。光鑷是光與物質(zhì)相互作用的結(jié)果，光鑷技術(shù)利用光的輻射壓力實(shí)現(xiàn)了對(duì)微小細(xì)胞等的操作，從開始的對(duì)微米級(jí)細(xì)胞操作到目前能夠?qū)喖{米級(jí)細(xì)胞進(jìn)行精密操作。

周金華等人的專利文獻(xiàn)《一種俘獲及探測(cè)復(fù)用的掃描光鑷系統(tǒng)，公開號(hào)為CN102540447A》中，通過利用掃描轉(zhuǎn)鏡和針對(duì)激光45度全反射的二色鏡使光束光斑大小與物鏡后瞳一致，最后經(jīng)高數(shù)值孔徑物鏡聚焦，形成了光鑷。但是該系統(tǒng)中存在無(wú)法屏蔽系統(tǒng)噪聲和粒子布朗運(yùn)動(dòng)噪聲等問題，功能也較為單一，為實(shí)際操作帶來(lái)了一些局限性，大大縮小了光鑷系統(tǒng)的適用范圍。在陸璇輝等人的專利文獻(xiàn)《一種基于平面光波導(dǎo)的多光束光鑷，公開號(hào)為CN102445732A》中，利用光纖耦合器在捕獲平面上產(chǎn)生多光點(diǎn)陣列實(shí)現(xiàn)了對(duì)多個(gè)微粒進(jìn)行操作，實(shí)現(xiàn)了多光束光勢(shì)阱。但是該系統(tǒng)需要對(duì)多個(gè)光束進(jìn)行耦合后進(jìn)行分束，最后通過反射鏡和透鏡準(zhǔn)直后對(duì)微粒進(jìn)行操作，結(jié)構(gòu)過于復(fù)雜。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了減小光鑷系統(tǒng)噪聲，并克服現(xiàn)有的多光束光鑷系統(tǒng)過于復(fù)雜的缺點(diǎn)，本發(fā)明提出了一種簡(jiǎn)化的雙光束光鑷系統(tǒng)。利用空間光調(diào)制器，實(shí)現(xiàn)對(duì)光束的波前調(diào)制和相位編碼，利用反射鏡并輔以連接桿和微位移臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)兩個(gè)光勢(shì)阱的相對(duì)位置的調(diào)節(jié)，使得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)極其簡(jiǎn)單，并且雙光鑷的 結(jié)構(gòu)可以有效屏蔽粒子的布朗運(yùn)動(dòng)，提高實(shí)驗(yàn)精度。

一種簡(jiǎn)化的雙光束光鑷系統(tǒng)，其特征在于：包括按照光路依次設(shè)置的激光器、第一望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、半波片、空間光調(diào)制器、第二望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、顯微物鏡、樣品池、反射鏡、連接桿、微位移臺(tái)；

所述半波片用于調(diào)整入射光束的偏振方向；

所述空間光調(diào)制器上設(shè)有加載有相位圖信息的調(diào)制區(qū)域；

所述光束經(jīng)過半波片后到達(dá)空間光調(diào)制器，經(jīng)過空間光調(diào)制器的相位編碼、波前調(diào)制，然依次后經(jīng)過第二望遠(yuǎn)系統(tǒng)、顯微物鏡到達(dá)所述樣品池。

作為優(yōu)選，所述激光器、第一望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)之間設(shè)有光隔離器。光隔離器只允許光束單向通過，避免反射以光及散射光對(duì)激光器產(chǎn)生影響。

作為優(yōu)選，第一望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、第二望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)均包括兩個(gè)凸面向背設(shè)置且共焦的凸透鏡。本發(fā)明中，所述經(jīng)第一望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)擴(kuò)束的光束平行度更好、直徑更大、發(fā)散角更小。使得光束橫截面分布更均勻。第二望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)同樣也會(huì)起到擴(kuò)束準(zhǔn)直的作用。

作為優(yōu)選，所述激光器為紅外波段激光器，平均輸出功率為400mW或400mW以上。采用該技術(shù)方案，可以保證雙光勢(shì)阱在工作過程中，形成更大的捕獲力。作為進(jìn)一步優(yōu)選，所述激光器輸出激光波長(zhǎng)為1064納米，平均輸出功率為500mW，可以滿足抓獲生物微粒要求。

本發(fā)明中激光輸出光束為偏振光，通過半波片調(diào)整偏振光的方向。

作為優(yōu)選，所述半波片可繞光軸旋轉(zhuǎn)，通過旋轉(zhuǎn)半波片，調(diào)整出射光偏振方向?yàn)榭臻g光調(diào)制器的敏感方向。

作為優(yōu)選，所述空間光調(diào)制器調(diào)制波長(zhǎng)范圍為620納米到1550納米。

相對(duì)于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明具有以下有益的技術(shù)效果：

1、本發(fā)明可以利用單個(gè)激光光源形成的相對(duì)距離可以調(diào)控的雙光勢(shì)阱，有效屏蔽系統(tǒng)噪聲；

2、本發(fā)明的雙光束光鑷結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，搭建方便，并且測(cè)試精度高。

因此，該技術(shù)方案與原有技術(shù)相比，能夠精簡(jiǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，拓展光鑷的應(yīng)用范圍，提高實(shí)驗(yàn)精度，增大適用范圍。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；

其中：1、激光器；2、光隔離器；3、第一望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；4、半波片；5、空間光調(diào)制器；6、第二望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；7、顯微物鏡；8、樣品池；9、反射鏡；10、連接桿；11、微位移臺(tái)

圖2空間光調(diào)制器相位截面圖

圖3聚焦光斑示意圖，12、第一聚焦光斑；13、第二聚焦光斑；14、第二聚焦光斑被反射鏡9反射后形成的虛像

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖說(shuō)明本發(fā)明，但本發(fā)明并不限于此。

如圖1所示是本發(fā)明一個(gè)實(shí)施例的雙光束的光路圖。該實(shí)施例的雙光束光鑷系統(tǒng)包括：1、激光器；2、光隔離器；3、第一望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；4、半波片；5、空間光調(diào)制器；6、第二望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；7、顯微物鏡；8、樣品池；9、反射鏡；10、連接桿；11、微位移臺(tái)

其中，激光器為1064納米大功率連續(xù)激光器，最低輸出功率為300mW，在保證雙勢(shì)阱產(chǎn)生的同時(shí)，能夠提供足夠大的捕獲力，從而保證實(shí)驗(yàn)的精確度。本實(shí)施例中可選用Coherent公司的Compass 1064-4000M激光器。

激光器1與第一望遠(yuǎn)系統(tǒng)3之間設(shè)置有光隔離器2，用于防止反射光或散射光對(duì)激光器1輸出光束產(chǎn)生影響。本實(shí)施例中可選用Isowave公司的I-106-2-FR型光隔離器。

通過光隔離器2的激光經(jīng)過第一望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)3擴(kuò)束，擴(kuò)束后的激光經(jīng)過一個(gè)半波片4。擴(kuò)束后激光束直徑變大，發(fā)散角較小，在垂直于光軸方向的橫截面內(nèi)光強(qiáng)分布更均勻，更接近于平行光，有利于光束匯聚形成更小的光斑。

第一望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)3、第二望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)6均由兩塊共焦的凸透鏡組成，兩個(gè)凸透鏡凸面向背設(shè)置。半波片4可以繞光軸旋轉(zhuǎn)，用于旋轉(zhuǎn)入射激光的偏振方向，使得從半波片4出射的光的偏振方向?yàn)榭臻g光調(diào)制器5的敏 感方向。

空間光調(diào)制器5上加載有具體的相位信息。通過半波片4之后光束被空間光調(diào)制器5上的相位圖編碼進(jìn)行波前編碼。被編碼后的光束通過第二望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)6、經(jīng)過顯微物鏡7，將空間光調(diào)制器5的位相圖形成像在樣品池8中，形成沿光軸方向前后分布的兩個(gè)聚焦光斑。反射鏡9放置在兩個(gè)聚焦光斑之間，并對(duì)其中一個(gè)聚焦光斑成虛像。通過調(diào)整反射鏡的橫向位置，來(lái)調(diào)節(jié)聚焦光斑和另一個(gè)聚焦光斑虛像的相對(duì)位置，從而形成雙光勢(shì)阱，來(lái)對(duì)對(duì)樣品池8中的微粒進(jìn)行捕獲、操控。

為了形成前后分布的兩個(gè)聚焦光斑，空間光調(diào)制5的相位圖2需要經(jīng)過事先計(jì)算。相關(guān)計(jì)算可以根據(jù)文獻(xiàn)《Isotropic Diffraction-Limited Focusing Using a Single Objective Lens》(E.Mudry et al.，Physics Review Letters 105，203903)所提供方法完成。

本實(shí)施例中，空間光調(diào)制器5可選用濱松公司的X10468-08型號(hào)的LCOS-SLM空間光調(diào)制器，調(diào)制波長(zhǎng)范圍620納米到1550納米，光轉(zhuǎn)換效率為82％。該SLM中液晶是受直接而精確的電壓控制，并能調(diào)制光束的波前。

本實(shí)施例中顯微物鏡7可以選用蔡司公司的420792-9900-000的浸油物鏡，數(shù)值孔徑為1.4，放大倍率為100倍。

實(shí)施例

下面結(jié)合實(shí)施例來(lái)對(duì)本發(fā)明所提出的一種簡(jiǎn)化的雙光束光鑷系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步說(shuō)明，但本發(fā)明并不限于此。

激光器1產(chǎn)生波長(zhǎng)為1064納米的光束，入射到光隔離器2中。光束只能在光隔離器2中單方向傳播，且經(jīng)過光隔離器2后光束直徑大小為2毫米。

從光隔離器2出射的光束進(jìn)入到第一望遠(yuǎn)系統(tǒng)3。經(jīng)過第一望遠(yuǎn)系統(tǒng)3對(duì)光束進(jìn)行擴(kuò)束、準(zhǔn)直、壓發(fā)散角，使得出射光束平行度更好，光能分布更均勻。本實(shí)施例中第一望遠(yuǎn)系統(tǒng)3放大倍率為2.5倍。經(jīng)過擴(kuò)束準(zhǔn)直后的激光光束直徑為5毫米。

激光器1出射光束為偏振光。由于空間光調(diào)制器5只對(duì)特定的偏振光敏感，因此通過旋轉(zhuǎn)半波片4可以調(diào)節(jié)光束的偏振方向，從而使經(jīng)過半波片4的出射光束的偏振方向與空間光調(diào)制器5敏感方向一致?？臻g光調(diào)制器5對(duì)光束進(jìn)行波前調(diào)制和相位編碼，空間光調(diào)制器5上加載相位圖信息截面圖如圖2所示。

經(jīng)過空間光調(diào)制器5的光束，通過第二望遠(yuǎn)系統(tǒng)6和顯微物鏡7在樣品池8附近形成兩個(gè)聚焦：第一聚焦光斑12和第二聚焦光斑13，如圖3所示。本實(shí)施例中第二望遠(yuǎn)系統(tǒng)6放大倍率為1，之后，光束直徑仍為5毫米，顯微物鏡NA＝1.4，放大倍率為100倍。

全反射鏡9置于左側(cè)第一聚焦光斑12和右側(cè)第二聚焦光斑13之間，全反射鏡9的反射面朝向右側(cè)，即朝向第二聚焦光斑13，從而在全反射鏡的左側(cè)形成第二聚焦光斑被反射鏡9反射后形成的虛像14。第一聚焦光斑12和第二聚焦光斑被反射鏡9反射后形成的虛像14形成兩個(gè)光勢(shì)阱。

本實(shí)施例中，全反射鏡9后配有連接桿10和微位移臺(tái)11，便于調(diào)節(jié)全反射鏡9軸向位置，相應(yīng)的虛像14的位置會(huì)隨之改變。當(dāng)全反射鏡9向右移動(dòng)時(shí)，第一聚焦光斑12和第二聚焦光斑被反射鏡9反射后形成的虛像14之間的距離增加；當(dāng)全反射鏡9向左移動(dòng)時(shí)，第一聚焦光斑12和第二聚焦光斑被反射鏡9反射后形成的虛像14之間的距離減小，可以實(shí)現(xiàn)雙光束光鑷相對(duì)位置的調(diào)控。

最后需要說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案而非限制。盡管參照實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本發(fā)明技術(shù)方案的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。