CN100483175C - 全光纤光镊系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种全光纤光镊系统，其至少由激光器、第一光耦合器、第二光耦合器、两个光纤连接器、发射光功率检测模块、偏置电流控制模块、模数转换器、数模转换器及控制单元连接而成，其中，各光学器件采用全光纤化器件，使得各光学器件之间的耦合和连接较为简单、系统易于集成化，同时也增强了系统的可靠性，此外，本全光纤光镊系统不会占用显微镜的进光口，从而便于研究人员的配置使用。
Description
【技术领域】
本发明涉及一种利用光学手段的操控装置，尤其是指一种光镊系统。
【背景技术】
随着科学技术的发展，人类对微观世界的操控越来越频繁，因此，对此类工具的需求也与日俱增，而激光镊子作为其中被广泛采用的一种工具，其可以用来操控纳米颗粒(Nanoparticle)、纳米线(Nanowire)、纳米管(Nanotube)、生物大分子及细胞等，使人类更加理解微观的动力学过程和互相作用，以及对微观的研究对象进行根据需要的排列。在细胞和生物分子研究中，生物学家希望能够看到分子和细胞的作用、细胞和细胞的作用、分子和分子的作用，这些过程都可以通过光镊系统来观察到，甚至测到这些相互作用过程中相互作用力的实时变化，从而理解整个作用过程。在使用显微镜下观察生物细胞或者生物分子时，由于温度的变化，细胞或者分子会跑出显微镜的视野，所以操作者要频繁的调节显微镜的视野，但是如果采用光镊来固定生物样品，它将把生物细胞或者分子钳住，使操作者能够更好地观察细胞和分子，这样将减少环境变化带来的影响，使观测结果更加可靠。在纳米颗粒和纳米管的研究中，科学家们也用光镊来固定纳米管，然后移动纳米管，将两个纳米管靠近，来观察纳米管和纳米管间的相互作用过程，或者将纳米管、纳米线等微观的颗粒做功能上的排列。
传统的光镊系统基于显微镜而构造，如图1所示，为一种光镊系统的结构示意图，其工作原理如下，自激光器1发射出的光束经反射镜M2、透镜L1、透镜L2、数码合成器(Digital Synthesiser)2、反射镜M2、透镜L3、透镜L4、反射镜M3等部件的整形后入射至二向色分束器3上，二向色分束器3反射用于形成光镊的光波至倒置显微镜4的物镜4′，激光光束经物镜4′会聚后形成光学陷阱以捕捉置放于样品台5上的诸如生物大分子、细胞、纳米管等之类的待观测样本，研究人员可通过倒置显微镜4的目镜进行观察。一般地，光镊系统还配置有成像光学系统，以便于研究人员的操控和观察，其包括有成像照明光源6及激光滤波片7，成像照明光源6的光束经物镜4′射进二向色分束器3，经二向色分束器3透射并经激光滤波片7部分反射后将样品台5上的操控情况成像于CCD摄像装置8，并显示于与CCD摄像装置8连接的显示装置9，研究人员可通过显示装置9对样品进行观察。与上述光镊系统相类似的专利技术，如国家知识产权局于2006年5月24日授权公告的专利号为ZL02808941.3的发明专利所公开的光镊系统。
相关于基于显微镜的光镊系统的技术已趋于成熟，但其在结构上仍存在着固有的弊端，主要有：光镊系统所使用的光学器件多，造成各器件之间的耦合和连接较为复杂，精密调整和准直调整的难度较大，从而降低系统的可靠性，系统操作与维护较为麻烦；以光学显微镜作为光镊系统的主体，其必须占有光学显微镜的一个进光口，影响显微镜光源的配备，并且，对于具有多种操纵功能需求的研究领域来说，其在结构上缺乏柔性。
【发明内容】
本发明的目的在于克服传统的基于显微镜的光镊系统所存在的缺点，提供一种易于集成、可靠性高、且便于操作的全光纤光镊系统。
本发明的目的是这样实现的：一种全光纤光镊系统，其包括有激光器、第一光耦合器、第二光耦合器、两个光纤连接器、发射光功率检测模块、偏置电流控制模块、模数转换器、数模转换器及控制单元，其中，所述激光器为带尾纤的发光二极管激光器；所述第一光耦合器的输入端与所述激光器使用光纤连接，其一输出端光纤连接至所述第二光耦合器，另一输出端光纤连接至所述发射光功率检测模块；所述第二光耦合器的两个输出端分别光纤连接于所述光纤连接器；所述发射光功率检测模块与所述第一光耦合器光纤连接，并与所述模数转换器连接，其用于检测所述激光器的发射光功率，并将其检测结果经所述模数转换器传送至所述控制单元；所述偏置电流控制模块包括有激光器偏置电流控制电路及激光器自动光功率控制电路，其与所述激光器连接以实现对提供给所述激光器的偏置电流的控制，其一端通过所述模数转换器而与所述控制单元连接以将相关于激光器偏置电流的数据传送至所述控制单元，另一端通过所述数模转换器而与所述控制单元连接以实现对所述控制单元所发送的指令进行接收。
上述全光纤光镊系统中，还包括有对准光功率检测模块、显示装置及输入装置，所述对准光功率检测模块一端与所述第二光耦合器的一个输入端光纤连接，另一端与所述模数转换器连接；所述显示装置与所述控制单元连接，用于显示所述控制单元所传至的数据；所述输入装置与所述控制单元连接，用于输入参数至所述控制单元。
上述全光纤光镊系统中，还包括有温度控制模块，其与所述激光器连接以用于检测并控制激光器管芯温度，与所述模数转换器连接以用于将激光器管芯温度的相关数据传送至所述控制单元，并显示于所述显示装置。
上述全光纤光镊系统中，所述激光器与所述第一光耦合器之间接入有隔离器。
上述全光纤光镊系统中，还包括有过流保护模块，所述过流保护模块与所述偏置电流控制模块连接，其用于检测所述激光器的工作电流，并在所述激光器的工作电流超过最大允许值时自动切断所述偏置电流控制模块中的激光器偏置电流控制电路。
本发明的目的也可这样实现：一种全光纤光镊系统，其包括有激光器、光耦合器、两个光纤连接器、发射光功率检测模块、偏置电流控制模块、模数转换器、数模转换器及控制单元，其中，所述激光器为带尾纤的发光二极管激光器；所述光耦合器的输入端与所述激光器使用光纤连接，其两个输出端分别光纤连接于所述光纤连接器；所述发射光功率检测模块连接于所述激光器内部的光电探测管，并与所述模数转换器连接，其用于检测所述激光器的发射光功率，并将其检测结果经所述模数转换器传送至所述控制单元；所述偏置电流控制模块包括有激光器偏置电流控制电路及激光器自动光功率控制电路，其与所述激光器连接以实现对提供给所述激光器的偏置电流的控制，其一端通过所述模数转换器而与所述控制单元连接以将相关于激光器偏置电流的数据传送至所述控制单元，另一端通过所述数模转换器而与所述控制单元连接以实现对所述控制单元所发送的指令进行接收。
上述全光纤光镊系统中，所述全光纤光镊系统还包括有对准光功率检测模块、显示装置及输入装置，所述对准光功率检测模块一端与所述光耦合器的一个输入端光纤连接，另一端与所述模数转换器连接；所述显示装置与所述控制单元连接，用于显示所述控制单元所传至的数据；所述输入装置与所述控制单元连接，用于输入参数至所述控制单元。
上述全光纤光镊系统中，所述全光纤光镊系统还包括有温度控制模块，其与所述激光器连接以用于检测并控制激光器管芯温度，与所述模数转换器连接以用于将激光器管芯温度的相关数据传送至所述控制单元，并显示于所述显示装置。
上述全光纤光镊系统中，所述激光器与所述光耦合器之间接入有隔离器。
上述全光纤光镊系统中，所述全光纤光镊系统还包括有过流保护模块，所述过流保护模块与所述偏置电流控制模块连接，其用于检测所述激光器的工作电流，并在所述激光器的工作电流超过最大允许值时自动切断所述偏置电流控制模块中的激光器偏置电流控制电路。
相比于基于显微镜的光镊系统，本发明的有益效果在于：光学器件采用全光纤化器件，改变了传统光镊系统因采用复杂的自由空间光学器件所带来的各器件之间耦合和连接较为复杂、精密调整和准直调整难度较大、系统可靠性降低、系统操作与维护较为麻烦等缺点，使得各光学器件之间的耦合和连接较为简单、系统易于集成化，同时也增强了系统的可靠性，此外，本发明所公开的光镊系统不会占用显微镜的进光口，从而便于研究人员的配置使用。
【附图说明】
下面结合附图及实施例对本发明做进一步说明。
图1是一种基于显微镜的光镊系统的结构示意图。
图2是本发明全光纤光镊系统的结构示意图。
图3是本发明全光纤光镊系统的另一实施例的结构示意图。
【具体实施方式】
参考图2所示，是本发明全光纤光镊系统的结构示意图，其包括有激光器10、隔离器12、第一光耦合器14、第二光耦合器16、光纤连接器18/20、发射光功率检测模块22、对准光功率检测模块24、温度控制模块26、偏置电流控制模块28、模数转换器30、数模转换器32、控制单元34、显示装置36、输入装置38及过流保护模块40，其中，激光器10采用带尾纤的大功率发光二极管激光器。隔离器12与激光器10光纤连接，其让偏振光单方向通过，故此，由激光器10所发射出的光束输出至隔离器12后，隔离器12只让光束单方向通过，使得光束不会反射回激光器10，以避免损害激光器10或使其工作不稳定。第一光耦合器14的输入端与隔离器12使用光纤连接，其一输出端光纤连接至第二光耦合器16，另一输出端光纤连接至发射光功率检测模块22，第一光耦合器14可采用99/1的光耦合器，激光束经第一光耦合器14后，其中，99％的激光输入至第二光耦合器16以待进一步的耦合处理，1％的激光进入发射光功率检测模块22以用于监控激光器10的输出功率。第二光耦合器16的两个输出端通过光纤连接有光纤连接器18、20，其另一输入端光纤连接有对准光功率检测模块24，第二光耦合器16接收来自第一光耦合器14的激光束，将其等功率地输送至光纤连接器18、20，再通过外接光纤而将激光束送至样品台形成光学陷阱，以捕捉需要操控的样品(生物细胞和分子、纳米颗粒、纳米管或者纳米线等等)，满足实验的需要。外接光纤采用单模光纤，可根据需要选用平端面单模光纤或者半球面自透镜单模光纤，当选用平端面单模光纤时，两支外接光纤的放置需满足“精确准直、相向传播”的条件；当选用半球面自透镜单模光纤时，两支外接光纤成一定光轴夹角放置。发射光功率检测模块22用于检测激光器10的发射光功率，并将其结果经模数转换器(Analog-to-Digital Converter；ADC)30传送至控制单元34，控制单元34根据其结果进行判断，当需要调整发射光功率时，其发送相关指令经数模转换器(Digital-to-Analog Converter；DAC)32至偏置电流控制模块28，并通过该模块对激光器10的工作电流进行调节而达调节其发射光功率的目的。发射光功率检测模块22可采用PIN管接收电路来实现，PIN管接收来自于第一光耦合器14所分流出的1％的激光光强，通过光电转换转换成电流信号，并经电流-电压转换电路而转换成电压信号，在该电路中，PIN管处于反偏状态。偏置电流控制模块28与激光器10连接以实现对提供给激光器10的偏置电流的控制，其一端通过模数转换器30而与控制单元34连接以将相关于激光器偏置电流的数据传送至控制单元34，另一端通过数模转换器32而与控制单元34连接以实现对控制单元34所发送的指令进行接收。偏置电流控制模块28为激光器偏置电流控制电路和激光器自动光功率控制电路两者的结合，该模块采用数字电位器调节激光器工作电流，提供给激光器10稳定合适的偏置电流，同时采用独立运算放大器实现负反馈，稳定激光器10的发射光功率。对准光功率检测模块24的一端与第二光耦合器16的一个输入端光纤连接，另一端与模数转换器30连接，其接收来自于第二光耦合器16的激光光强，将其转换后输送至模数转换器30，再经模数转换器30量化后送至控制单元34，并可在显示装置34进行显示以供实验人员查看，从而监控经外接光纤所输出的激光束是否对准。温度控制模块26与激光器10连接，其用于检测并控制激光器管芯温度，使激光器10工作温度恒定，避免因温度的变化而使激光器10的输出波长和功率发生漂移，有助于激光器10工作状态的稳定。适宜的是，温度控制模块26还与模数转换器30连接，以实现将激光器管芯温度的相关数据传送至控制单元34，并显示于显示装置36以供实验人员查看。该温度控制模块26可采用半导体制冷的反馈控制系统。模数转换器30与发射光功率检测模块22、对准光功率检测模块24、温度控制模块26、偏置电流控制模块28连接而分别接收上述四者所传送的相关于激光器发射光功率、对准光功率、激光器管芯温度和激光器偏置电流的数据，将上述四个模拟量进行量化传送至控制单元34，并将其显示于显示装置36。显示装置36与控制单元34连接，用于显示控制单元34所传至的数据，使得实验人员能直接了解到各个模拟量，从而能够很好地对整个光镊系统的运行进行监控。输入装置38与控制单元34连接，其用于输入参数至控制单元34而实现对光镊系统的控制，当然，在某些运用中，有时也可省略该输入装置38，而直接将所要输入的参数编写于控制单元34中。过流保护模块40与偏置电流控制模块28连接，其用于检测激光器的工作电流，并在激光器10的工作电流超过最大允许值时自动切断偏置电流控制模块28中的激光器偏置电流控制电路，从而保护激光器10不被烧坏。
本发明的光学器件采用全光纤化器件，改变了传统光镊系统因采用复杂的自由空间光学器件所带来的各器件之间耦合和连接较为复杂、精密调整和准直调整难度较大、系统可靠性降低、系统操作与维护较为麻烦等缺点，使得各光学器件之间的耦合和连接较为简单、系统易于集成化，同时也增强了系统的可靠性，此外，本发明所公开的光镊系统不会占用显微镜的进光口，从而便于研究人员的配置使用。
如图3所示，是本发明全光纤光镊系统的另一实施例的结构示意图。本实施例与上一实施例的不同之处在于：发射光功率检测模块22并不光纤连接于第一光耦合器的输出端，而是连接于激光器10内部的光电探测管。由于光电探测管处于反偏状态，流过光电探测管的电流与激光器10的发射光功率成正比，故发射光功率检测模块22检测光电探测管的电流而可得出激光器发射光功率。显然，在本实施例中，第一光耦合器可以省略。
上述实施例仅为本发明的最佳实施例，并非用于限定本发明的范围，在运用时，可根据实际需要对上述实施例进行简化或者等效变化。
Claims (14)
1.一种全光纤光镊系统，其特征在于：所述全光纤光镊系统包括有激光器、第一光耦合器、第二光耦合器、两个光纤连接器、发射光功率检测模块、偏置电流控制模块、模数转换器、数模转换器及控制单元，其中，所述激光器为带尾纤的发光二极管激光器；所述第一光耦合器的输入端与所述激光器使用光纤连接，其一输出端光纤连接至所述第二光耦合器，另一输出端光纤连接至所述发射光功率检测模块；所述第二光耦合器的两个输出端分别光纤连接于所述光纤连接器；所述发射光功率检测模块与所述第一光耦合器光纤连接，并与所述模数转换器连接，其用于检测所述激光器的发射光功率，并将其检测结果经所述模数转换器传送至所述控制单元；所述偏置电流控制模块包括有激光器偏置电流控制电路及激光器自动光功率控制电路，其与所述激光器连接以实现对提供给所述激光器的偏置电流的控制，其一端通过所述模数转换器而与所述控制单元连接以将相关于激光器偏置电流的数据传送至所述控制单元，另一端通过所述数模转换器而与所述控制单元连接以实现对所述控制单元所发送的指令进行接收。
2.如权利要求1所述的全光纤光镊系统，其特征在于：所述全光纤光镊系统还包括有对准光功率检测模块及显示装置，所述对准光功率检测模块一端与所述第二光耦合器的一个输入端光纤连接，另一端与所述模数转换器连接；所述显示装置与所述控制单元连接，用于显示所述控制单元所传至的数据。
3.如权利要求2所述的全光纤光镊系统，其特征在于：所述全光纤光镊系统还包括有温度控制模块，其与所述激光器连接以用于检测并控制激光器管芯温度。
4.如权利要求3所述的全光纤光镊系统，其特征在于：所述温度控制模块与所述模数转换器连接以用于将激光器管芯温度的相关数据传送至所述控制单元，并显示于所述显示装置。
5.如权利要求4所述的全光纤光镊系统，其特征在于：所述激光器与所述第一光耦合器之间接入有隔离器。
6.如权利要求5所述的全光纤光镊系统，其特征在于：所述全光纤光镊系统还包括有过流保护模块，所述过流保护模块与所述偏置电流控制模块连接，其用于检测所述激光器的工作电流，并在所述激光器的工作电流超过最大允许值时自动切断所述偏置电流控制模块中的激光器偏置电流控制电路。
7.如权利要求6所述的全光纤光镊系统，其特征在于：所述全光纤光镊系统还包括有输入装置，所述输入装置与所述控制单元连接，其用于输入参数至所述控制单元。
8.一种全光纤光镊系统，其特征在于：所述全光纤光镊系统包括有激光器、光耦合器、两个光纤连接器、发射光功率检测模块、偏置电流控制模块、模数转换器、数模转换器及控制单元，其中，所述激光器为带尾纤的发光二极管激光器；所述光耦合器的输入端与所述激光器使用光纤连接，其两个输出端分别光纤连接于所述光纤连接器；所述发射光功率检测模块连接于所述激光器内部的光电探测管，并与所述模数转换器连接，其用于检测所述激光器的发射光功率，并将其检测结果经所述模数转换器传送至所述控制单元；所述偏置电流控制模块包括有激光器偏置电流控制电路及激光器自动光功率控制电路，其与所述激光器连接以实现对提供给所述激光器的偏置电流的控制，其一端通过所述模数转换器而与所述控制单元连接以将相关于激光器偏置电流的数据传送至所述控制单元，另一端通过所述数模转换器而与所述控制单元连接以实现对所述控制单元所发送的指令进行接收。
9.如权利要求8所述的全光纤光镊系统，其特征在于：所述全光纤光镊系统还包括有对准光功率检测模块及显示装置，所述对准光功率检测模块一端与所述光耦合器的一个输入端光纤连接，另一端与所述模数转换器连接；所述显示装置与所述控制单元连接，用于显示所述控制单元所传至的数据。
10.如权利要求9所述的全光纤光镊系统，其特征在于：所述全光纤光镊系统还包括有温度控制模块，其与所述激光器连接以用于检测并控制激光器管芯温度。
11.如权利要求10所述的全光纤光镊系统，其特征在于：所述温度控制模块与所述模数转换器连接以用于将激光器管芯温度的相关数据传送至所述控制单元，并显示于所述显示装置。
12.如权利要求11所述的全光纤光镊系统，其特征在于：所述激光器与所述光耦合器之间接入有隔离器。
13.如权利要求12所述的全光纤光镊系统，其特征在于：所述全光纤光镊系统还包括有过流保护模块，所述过流保护模块与所述偏置电流控制模块连接，其用于检测所述激光器的工作电流，并在所述激光器的工作电流超过最大允许值时自动切断所述偏置电流控制模块中的激光器偏置电流控制电路。
14.如权利要求13所述的全光纤光镊系统，其特征在于：所述全光纤光镊系统还包括有输入装置，所述输入装置与所述控制单元连接，其用于输入参数至所述控制单元。
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| CN101893737A (zh) * | 2010-06-11 | 2010-11-24 | 哈尔滨工程大学 | 三芯光纤光学微手及其控制方法 |
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