一種基于空間光調(diào)制器的雙光束光鑷系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)儀器領(lǐng)域、微納操作領(lǐng)域和分子生物學(xué)領(lǐng)域，具體涉及一種基于空間光調(diào)制器的雙光束光鑷系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]聚焦光束中，光束的梯度力和散射力會(huì)相互作用形成一個(gè)光勢(shì)阱，當(dāng)梯度力大于散射力的時(shí)候，這個(gè)梯度力勢(shì)阱可以穩(wěn)定的束縛米氏散射和瑞利散射范圍的粒子，即光鑷。為了產(chǎn)生足夠的梯度力，通常采用大數(shù)值孔徑的光學(xué)顯微物鏡將能量較高的激光束聚焦。為了消除光鑷的系統(tǒng)噪聲以及信號(hào)漂移，大多數(shù)光鑷系統(tǒng)采用雙光鑷的設(shè)計(jì)來(lái)屏蔽環(huán)境噪音和布朗運(yùn)動(dòng)。采用差分探測(cè)的方法，隔離掉兩個(gè)光鑷的共同噪聲，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。由于雙光束光鑷可以實(shí)現(xiàn)無(wú)接觸的操控，同時(shí)有較高的穩(wěn)定性，因此在分子生物學(xué)、化學(xué)以及微納加工等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。
[0003]現(xiàn)有的雙光束光鑷，大多采用機(jī)械結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)雙光束的操控。在第83期的《Reviewof Scientific Ins truments》中，美國(guó)耶魯大學(xué)的Yongl i Zhang教授等人發(fā)表了《Combined versatile high-resolut1n optical tweezers and single-moleculefluorescence microscopy》的文章。雖然文章中采用一對(duì)掃描振鏡和一對(duì)偏振分束鏡的組合實(shí)現(xiàn)了雙光束的操控，但這種結(jié)構(gòu)利用掃描振鏡的旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)光束的移動(dòng)，會(huì)引入機(jī)械振動(dòng)并且定位精度和速度都不高，無(wú)法實(shí)現(xiàn)高精度的操控。引入空間光調(diào)制器取代掃描振鏡，實(shí)現(xiàn)光束的操控可以有效解決上述問(wèn)題。在凌林等人的專(zhuān)利文獻(xiàn)《三維光鑷系統(tǒng)，公開(kāi)號(hào)為CN102023379A))中利用空間光調(diào)制器，通過(guò)對(duì)激光波前的調(diào)制，實(shí)現(xiàn)了三維分布的光勢(shì)阱。然而該系統(tǒng)存在以下缺陷:首先，雖然該系統(tǒng)通過(guò)光柵可以形成多個(gè)光勢(shì)阱，但這種方法并不能調(diào)節(jié)單個(gè)光勢(shì)阱的相對(duì)強(qiáng)度。這導(dǎo)致該結(jié)構(gòu)的多光束光鑷在某一時(shí)刻只能操控同一尺寸、同一折射率的微納結(jié)構(gòu)，大大限制了多光束光鑷的應(yīng)用范圍；其次，這種結(jié)構(gòu)的光鑷?yán)每臻g光調(diào)制器只能對(duì)所有的光束進(jìn)行相同的相位編碼，無(wú)法對(duì)單個(gè)光束進(jìn)行獨(dú)立的調(diào)制；最后，采用光柵實(shí)現(xiàn)多光束的這種結(jié)構(gòu)，由于每一個(gè)光束都來(lái)自相同的光源，實(shí)驗(yàn)過(guò)程中容易產(chǎn)生干涉現(xiàn)象，會(huì)影響最終的光勢(shì)阱位置和相對(duì)強(qiáng)度，干擾實(shí)驗(yàn)精度。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明針對(duì)之前空間光調(diào)制器應(yīng)該在多光束光鑷中無(wú)法對(duì)單個(gè)光束進(jìn)行操控、精度較低、靈活性較差、沒(méi)有通用性等諸多問(wèn)題，提出了一種新型的基于空間光調(diào)職器的雙光束光鑷系統(tǒng)。該結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單、緊湊，結(jié)合半玻片和空間光調(diào)制器可以實(shí)現(xiàn)雙光束光鑷中單個(gè)光束的波前編碼和強(qiáng)度調(diào)制。
[0005]本發(fā)明可以利用單個(gè)激光光源，實(shí)現(xiàn)兩個(gè)不同的光勢(shì)阱，即光鑷。此外，通過(guò)簡(jiǎn)單的增加器件，可以將雙光束光鑷拓展為多光束光鑷，實(shí)現(xiàn)多光束光鑷中每一個(gè)光鑷的單獨(dú)操控，大大提高多光束光鑷的應(yīng)用范圍。
[0006]—種基于空間光調(diào)制器的雙光束光鑷，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、第一反射鏡、空間光調(diào)制器、四分之一波片、聚焦透鏡、第二反射鏡、第二望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、物鏡和樣品臺(tái)；
[0007]所述半波片用于調(diào)整接收的光束中水平偏振光和垂直偏振光的比例；
[0008]所述空間光調(diào)制器上設(shè)有加載有不同相位圖信息的兩個(gè)調(diào)制區(qū)域；
[0009]所述第一反射鏡用將接收的光束反射至空間光調(diào)制器上對(duì)應(yīng)的一個(gè)調(diào)制區(qū)域，實(shí)現(xiàn)一次相位調(diào)制；
[0010]所述光束經(jīng)一次相位調(diào)制后經(jīng)過(guò)所述四分之一波片、會(huì)聚透鏡后被第二反射鏡反射，再次通過(guò)會(huì)聚透鏡、四分之一波片后，到達(dá)空間光調(diào)制器的另外一個(gè)對(duì)應(yīng)的調(diào)制區(qū)域，然后依次經(jīng)過(guò)第二望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、物鏡到達(dá)所述樣品臺(tái)。
[0011]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。本技術(shù)方案中，所述光隔離器能夠使得激光器輸出的激光只能單向通過(guò)，避免望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的反射光或散射光對(duì)激光器的影響。
[0012]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，所述第一望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)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，有利于光束會(huì)聚形成更小的光斑。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。
[0013]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(guò)程中，形成足夠大的捕獲力。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(mǎn)足生物樣品的測(cè)試。
[0014]本發(fā)明中激光出射光束為偏振光，是水平偏振光和垂直偏振光的混合。通過(guò)旋轉(zhuǎn)半波片可以調(diào)整水平偏振光和垂直偏振光的相對(duì)比例。作為優(yōu)選，所述半波片可繞光軸旋轉(zhuǎn)?？筛鶕?jù)需要調(diào)整半波片的旋轉(zhuǎn)角度。
[0015]作為優(yōu)選，所述空間光調(diào)制器調(diào)制波長(zhǎng)范圍為500納米到1800納米。
[0016]本發(fā)明中，所述空間光調(diào)制器用于對(duì)輸入光束的相位、波前進(jìn)行調(diào)制，從而對(duì)單光束進(jìn)行分束，并且使得分束后的光攜載不同的相位信息?？臻g光調(diào)制器只對(duì)水平偏振光敏感，只會(huì)調(diào)節(jié)入射光束中水平偏振光的波前。所以，通過(guò)利用第一反射鏡將光束反射至空間光調(diào)制器其中一個(gè)對(duì)應(yīng)的相位圖區(qū)域，首先完成對(duì)半波片輸出的水平偏振光進(jìn)行相位調(diào)整;使得水平偏振光的傳輸方向與垂直偏振光的傳輸有微小的傾斜角度，可以在最終的樣品表面形成兩個(gè)分離的光勢(shì)阱。從空間光調(diào)制器出射的光束經(jīng)過(guò)兩次四分之一波片，產(chǎn)生了半波的相位延遲，原來(lái)的水平偏振光的偏振方向變?yōu)榇怪逼穹较?，不?huì)被空間光調(diào)制器上相位圖形的影響；原來(lái)的垂直偏振光的偏振方向變?yōu)樗狡穹较?，被空間光調(diào)制器另外一個(gè)對(duì)應(yīng)的相位圖形所作用，完成最終的光束調(diào)制。
[0017]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:
[0018]1、利用本發(fā)明的雙光束光鑷可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)光勢(shì)阱的相對(duì)強(qiáng)度的調(diào)制，使得不同的光勢(shì)阱可以捕獲不同材料、不同尺寸的微粒；
[0019]2、利用本發(fā)明的雙光束光鑷可以實(shí)現(xiàn)對(duì)單個(gè)光勢(shì)阱的相位調(diào)控，從而使得不同的光勢(shì)阱形成不同形狀的聚焦光斑，進(jìn)而捕獲不同折射率的微球；
[0020]3、本發(fā)明通過(guò)水平偏振和垂直偏振兩束光形成光勢(shì)阱，避免采用光柵實(shí)現(xiàn)多光束時(shí)產(chǎn)生的干涉現(xiàn)象。
[0021]因此，該技術(shù)方案與原有技術(shù)相比，能夠拓展光鑷的應(yīng)用范圍，提高實(shí)驗(yàn)精度。
【附圖說(shuō)明】
?0022]圖1本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例的光路圖；
[0023]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、第一反射鏡；7、四分之一波片；8、聚透鏡;9、第二反射鏡；10、第二望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；11、顯微物鏡;12、樣品臺(tái)；
[0024]圖2為實(shí)施例中空間光調(diào)制器左側(cè)和右側(cè)的相位示意圖，可以在左側(cè)和右側(cè)分別施加不同的相位；
[0025]圖3為實(shí)施例中空間光調(diào)制器左側(cè)相位圖的截面圖；
[0026]圖4為實(shí)施例中被空間光調(diào)制器右側(cè)的相位圖；
[0027]圖5為實(shí)施例在物鏡的后焦面上形成空心聚焦光斑。
【具體實(shí)施方式】
[0028]下面結(jié)合【附圖說(shuō)明】本發(fā)明，但本發(fā)明并不限于此。
[0029]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:激光器I，光隔離器2，第一遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)3，半波片4，空間光調(diào)制器5，第一反射鏡6、，四分之一波片7，會(huì)聚透鏡8，第二反射鏡9，第二望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)10，顯微物鏡11，樣品臺(tái)12。
[0030]其中，激光器I為1064納米大功率連續(xù)激光器，平均輸出功率為500mW，可以保證雙光勢(shì)講在工作過(guò)程中，形成足夠大的捕獲力。本實(shí)施例中可選用Coherent公司的Compass1064-4000M 激光器。
[0031]激光器I出射的激光需經(jīng)過(guò)光隔離器2，避免第一望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)3的反射光或散射光對(duì)激光器I的影響。本實(shí)施例中可選用Isowave公司的1-106-2-FR型光隔離器。
[0032]通過(guò)光隔離器2的激光經(jīng)過(guò)第一望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)3擴(kuò)束，擴(kuò)束后的激光經(jīng)過(guò)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，有利于光束會(huì)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)10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，調(diào)整光束中水平偏振光和垂直偏振光的相對(duì)分量。
[0033]空間光調(diào)制器5左右兩側(cè)分別加載有不同的相位圖信息。通過(guò)