CN101369469B - 光镊产生装置及使光镊具有动量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明披露一种光镊产生装置与使其具有动量的方法以及微粒导引的光镊光场，其中光镊产生装置用来在承载至少一个粒子的检测试样上提供光镊。该光镊产生装置包括激光源、绕射光学元件与聚焦镜。绕射光学元件使激光源的激光穿透后产生绕射光场。聚焦镜则接收由绕射光学元件穿透后的激光，并将其聚焦于检测试样的平面上。聚焦镜具有光轴，此光轴基本上不垂直于检测试样的平面，使激光斜向入射至检测试样的平面上，以提供粒子横向动量从而推动粒子移动。本发明通过斜向入射的光路设计达到驱动、控制或分离多个粒子的光镊效果。

Description

光镊产生装置及使光镊具有动量的方法

技术领域

本发明涉及一种光镊产生装置，且特别涉及一种使光镊具有动量的光镊产生装置。

背景技术

使用激光作为捕捉或控制微粒的光镊技术，由于光的非机械接触性质，目前已应用于微机电、生物医学等领域的相关产品中。由于以激光照射粒子时，粒子会朝向光场强度较强的位置移动，因此可对粒子产生类似于捕捉的效果。当然，通过光强度梯度的变化，就可以达到激光与被照射粒子间产生交互作用力的技术。此外，还可以达到在多维空间中同时控制多个粒子运动的效果。

然而，在现有技术的控制粒子运动的机制中，仍须依靠光场强度或绕射光学元件图案的变化，以使粒子所受到的光压梯度产生变化，才能产生类似于直线、偏折或漩涡的粒子运动。这些都必须通过改变激光的调变器或是外加其它如水流、静电力的方式来产生动量，才可进一步控制粒子的运动。

发明内容

本发明涉及一种光镊产生装置与使光镊具有动量的方法及微粒导引的光镊光场，通过斜向入射的光路设计，而达到驱动、控制或分离多个粒子的光镊效果。

本发明提出一种光镊产生装置，用来在承载至少一个粒子的检测试样上提供了光镊。光镊产生装置包括激光源、绕射光学元件与聚焦镜。绕射光学元件使激光源的激光穿透后产生绕射光场。聚焦镜则接收从绕射光学元件穿透后的激光，并将其聚焦于检测试样的平面上。聚焦镜具有光轴，此光轴实质上不垂直于检测试样的平面，使激光斜向入射至检测试样的平面上，以提供粒子横向动量从而推动粒子移动。

根据本发明的装置，其中该粒子实质上沿着该横向动量的方向移动。

根据本发明的装置，其中该聚焦镜的该光轴与该检测试样的该平面的法线具有夹角，该横向动量的大小与该夹角的大小相关。

根据本发明的装置，其中该绕射光场聚焦于该检测试样上的光强度为均匀或不均匀的。

根据本发明的装置，其中该绕射光学元件是可编程绕射的光学元件。

根据本发明的装置，其中该聚焦镜接收该绕射光场后，在该检测试样上形成至少一个第一光学导引线与一个第二光学导引线，该第二光学导引线位于该第一光学导引线的旁侧。

根据本发明的装置，其中该第二光学导引线的延伸方向不平行于该第一光学导引线的延伸方向。

本发明还提供了一种使光镊具有动量的方法，此方法用来在承载有至少一个粒子的检测试样上产生一光镊。该方法包括：提供了激光源、绕射光学元件与聚焦镜，使聚焦镜的光轴实质上不垂直于检测试样的平面；由激光源发射激光，并在激光穿透绕射光学元件后产生绕射光场；由聚焦镜接收从绕射光学元件穿透后的激光，使激光斜向入射至检测试样的平面上，以提供粒子横向动量从而推动粒子移动。

根据本发明的方法，其中该粒子实质上沿着该横向动量的方向移动。

根据本发明的方法，其中该聚焦镜的该光轴与该检测试样的该平面的法线具有夹角，该横向动量的大小与该夹角的大小相关。

根据本发明的方法，其中该绕射光场聚焦于该检测试样上的光强度为均匀或不均匀的。

根据本发明的方法，其中该聚焦镜接收该绕射光场后，在该检测试样上形成至少一个第一光学导引线与一个第二光学导引线，该第二光学导引线位于该第一光学导引线的旁侧。

根据本发明的方法，其中该第二光学导引线的延伸方向不平行于该第一光学导引线的延伸方向。

本发明还提供了一种微粒导引的光镊光场，用来导引粒子，此光镊光场包括第一光场与第二光场。第一光场大致沿第一方向延伸，并具有第一端和第二端。第一光场用来使粒子沿第一光场的第一端向第二端方向移动。第二光场大致沿第二方向延伸，并具有第三端和第四端，其中第三端邻近第二端。在粒子从第一端向第二端移动的过程中，当粒子接触到第二光场时，粒子将被第二光场牵引而沿着第二方向移动。

根据本发明的光镊光场，其中该第二光场是在检测到该粒子出现时，才受控制而产生的。

为了让本发明的所述内容能够更加明显易懂，下文特别列举了优选的实施例，并结合附图，进行详细说明：

附图说明

图1A示出了依照本发明一个优选实施例的光镊产生装置的示意图。

图1B示出了图1A的检测试样的局部放大图。

图1C～1D示出了聚焦镜与夹角关系的示意图。

图2示出了根据本发明一个优选实施例的使光镊具有动量的方法的流程图。

图3A～3B示出了检测试样上具有三个光场的示意图。

图3C示出了检测试样上具有五个光场的示意图。

图3D示出了检测试样上具有五个光场以分离相同大小的粒子的示意图。

图4示出了可替换绕射光学元件的示意图。

具体实施方式

参照图1A～1B，图1A示出了依照本发明一个优选实施例的光镊产生装置的示意图，图1B示出了图1A的检测试样的局部放大图。如图1A所示，光镊产生装置1包括激光源11、绕射光学元件13与聚焦镜15。绕射光学元件13使激光源11的激光LS穿透后产生绕射光场。聚焦镜15则接收从绕射光学元件13穿透后的激光LS，并使其聚焦于检测试样100的平面上。此检测试样100上承载有至少一个粒子。聚焦镜15具有光轴LX，此光轴LX实质上不垂直于检测试样100的平面，使激光LS斜向入射至检测试样100的平面上，以提供粒子横向动量从而推动粒子移动。

光镊产生装置1还包括控制单元17、透镜组19与检测单元21。透镜组19位于绕射光学元件13与聚焦镜15之间，而检测单元21则设置在相邻于检测试样100的位置上。优选地，绕射光学元件13是可编程绕射的光学元件(programmable diffractive opticalelement)。检测单元21包括影像传感器，用来观察检测试样100。控制单元17电性连接在绕射光学元件13与影像传感器上。通过控制单元17、绕射光学元件13与影像传感器三者的耦接关系，能够适时地根据不同的检测试样100去调整绕射光学元件13的图案。这样，当激光LS穿透绕射光学元件13后，在检测试样100上便能够获得不同的绕射光场，由此以更换光镊的线形光场。

如图1B所示，由于斜向入射的光路设计，当激光的光子PL撞击到粒子B时，光子PL的动量会传递给粒子B。光子PL的动量M可以分为垂直动量M1与横向动量M2，沿着粒子B所在平面的横向动量M2会使粒子B移动。而粒子B移动的方向则实质上为此横向动量M2的方向。聚焦镜15的光轴LX与检测试样100的平面的法线N具有夹角θ，横向动量M2的大小实质上与夹角θ的大小相关。

参照图1C～1D，其示出了聚焦镜与夹角关系的示意图。夹角θ是由聚焦镜15的实际大小(例如是聚焦镜15的直径D)与聚焦镜15的工作距离W所决定，其中夹角θ的最大角度θ_max等于ArcTan[D/(2W)]。此夹角θ造成检测试样100的平面上的动量(横向动量M2)大小与Sin(θ)的值成正比的关系。当此夹角θ越大，横向动量M2越大。

本实施例还提供了使光镊具有动量的方法，操作步骤如图2所示，其示出了依照本发明一个优选实施例的使光镊具有动量的方法的流程图。该方法如步骤201～203所示，提供一激光源11、一绕射光学元件13与一聚焦镜15，并使聚焦镜15的光轴LX不垂直于一承载有至少一个粒子的检测试样100的平面；由激光源11发射一激光LS，并使其穿透绕射光学元件13后产生一绕射光场；由聚焦镜15接收从绕射光学元件13穿透后的激光LS，使激光LS斜向入射至检测试样100的平面上，以提供粒子横向动量从而推动该粒子移动。

激光源11、绕射光学元件13、透镜组19与聚焦镜15例如构成光路单元。此光路单元所产生的光镊导引线可作用于检测试样100上而形成由不同导引线所组成的光镊光场，以导引粒子移动。此检测试样100例如是一微流体芯片，在微流体芯片上可设计出多个具有不同功能的微粒储存槽(例如起始区、观察区与终点区等)，而这些储存槽之间则可以利用光镊的导引线进行连接，以驱动或控制粒子的运动。

如上所述，由于控制单元17可调整绕射光学元件13，使激光LS穿透绕射光学元件13后产生不同的绕射光场，不同的绕射光场在检测试样上例如呈现不同的线形光场(即光学导引线)。光镊的导引线可通过绕射光学元件13的设计而作变换。以下举例说明通过在检测试样上产生多个光场以进行微粒分类的机制。

先以图3A～3B为例，其示出了检测试样上产生三个光场的示意图。检测试样100上具有三个光场OT1～OT3(即光学导引线)，其中光场OT2位于光场OT1的旁侧，且两者的间距为D1。另外，部分光场OT2的延伸方向不平行于光场OT1的延伸方向。光场OT3则位于OT1的延伸方向上，且两者之间具有间隔D2。在检测试样100上具有一分离区I，光场OT1～OT3的交接处位于此分离区I中。光场OT1捕捉到大小不同的粒子P1、P2。当粒子P1、P2进入分离区I时，由于大的粒子P2(其中粒子P2的半径大于间距D1)会被光场OT2照射到，因而会被吸引到光场OT1与OT2的并行线之间，如图3B所示。如果光场OT2的光场强度较大，则粒子P2会被吸引到下方的光场上，即被光场OT2所捕捉。对于粒子P1，粒子P1在光子的横向动量作用下持续移动，但由于其体积小(粒子P1的半径小于D1)，在分离区I中并不会受到光场OT2的作用，反而会被邻接于光场OT1后方的光场OT3所捕捉，如图3A所示。

另外，在其它实施例中，只要根据所要分类的粒子大小去调整光镊的光场的间距(其中，间距要大于较小粒子的半径但是小于要分离的较大粒子的半径)，并将光场的分布重复，就可以一次分离多个大小不同的粒子。

参照图3C，其示出了检测试样上具有五个光场的示意图。如图3C所示，通过绕射光学元件的设计，在检测试样100上还可以同时产生多个光场OT1’～OT5’。其中OT1’～OT3’的相对配置关系与图3A～3B中的OT1～OT3相同而没有变化，但是加大光场OT1’、OT2’的间距D3，使间距D3大于粒子P2的半径但小于粒子P3的半径，则光场OT2’可分离出最大的粒子P3。光场OT4’、OT5’与OT3’的交接处位于分离区II中，而光场OT4’用来分离出体积次大的粒子P2。由于粒子P1的体积最小，无论在分离区I或II中都不会被光场OT2’或OT4’的光场照射到，因而会沿着光场OT1’、OT3’、OT5’移动。这样，便可将三种大小不同的粒子P3、P2、P1依次分离开来。

虽然上述是以分类不同半径大小的粒子进行说明，然而在其它实施例中，还可针对具有相同半径大小的粒子进行分类。参照图3D，其示出了检测试样上产生五个光场以分离相同大小的粒子的示意图。如图3D所示，检测试样100上具有光场OT1”～OT5”，其配置关系与图3C的光场OT1’～OT5’相同，只有光场OT2”(OT4”)与光场OT1”(OT3”)的间距D4是根据粒子特性所决定的。检测试样100上具有三种粒子P1’～P3’，其中粒子P1’～P3’的半径大小相同然而其粒子特性各异。通过检测单元21(见图1A)感测粒子P1’～P3’，便可决定是否将粒子分类出来。举例来说，当检测单元21检测出粒子P3’具有一第一特性时，检测单元21传送一信号至控制单元17，使控制单元17控制绕射光学元件13，以在检测试样100上产生光场OT2”。当粒子P3’进入分离区I时，便受到光场OT2”的吸引而沿着光场OT2”移动。同样的，当检测单元21检测出粒子P2’具有第二特性时，检测单元21也会传送信号至控制单元17，使控制单元17控制绕射光学元件13，以在检测试样100上产生光场OT4”。当粒子P2’进入分离区II时，便受到光场OT4”的吸引而沿着光场OT4”移动。这样，便可根据粒子特性将相同大小的粒子P3’、P2’、P1’分离开来。

上述实施例中是利用激光斜向入射到检测试样上，以提供粒子横向动量从而驱动粒子移动。由于在光镊技术中，粒子会朝着光场强度最强的位置移动，因而在实际运用时，还可以利用斜向入射的激光并结合光场强度的分布设计，以进一步控制粒子的运动。光场强度例如是由绕射光学元件13所控制。激光穿透绕射光学元件13后在检测试样100上产生的绕射的光场强度可为均匀或不均匀的。当光场强度均匀时，主要可由激光斜向入射时所产生的横向动量控制粒子的运动。当然，也可以通过在检测试样100上产生具有不均匀光场强度的光场，以控制粒子的运动。

另外，虽然本实施例的绕射光学元件13以可编程绕射光学元件进行说明，但实际上如果检测试样的种类具有重复性，则可将可编程绕射光学元件更改为可替换的绕射光学元件。不同的绕射光学元件产生相应的光镊设计。参照图4，其示出了可替换绕射光学元件的示意图。图4所示，可替换的绕射光学元件23插入绕射元件的卡匣25后，在检测试样上产生具有光场210的光镊设计；而绕射光学元件33插入绕射元件的卡匣25后，则在检测试样上产生具有光场220的光镊设计。因此，仅需要更换绕射光学元件，即可针对不同试样提供优选的粒子运动控制模式，这样，也可以节省控制单元的成本。

本发明上述实施例所披露的光镊产生装置及使光镊具有动量的方法与微粒导引的光镊光场，是利用斜向入射的光路设计，以提供粒子横向动量而控制粒子运动。因而可在无外加动力或改变光强度的情况下，达到驱动、控制或分离多个粒子的目的。另外，可针对所应用环境或检测试样去设计绕射光学元件的图案。其中绕射光学元件的图案可以预先设计，或是由控制单元进行控制。由于控制单元又可与检测单元作联机控制，故可针对光镊捕捉粒子的实际状况，进行实时的回授控制，再进一步改变绕射光学元件的图案。这样，还大大地提高了光镊的应用效果。

综上所述，虽然本发明已以优选实施例披露如上，但是其并非用以限定本发明。对于本发明所属技术领域中的普通技术人员来说，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，可以作出各种改变与润饰。因此，本发明的保护范围应当以权利要求书的限定为准。

符号说明

1：光镊产生装置           11：激光源

13、23、33：绕射光学元件  15：聚焦镜

17：控制单元 19：透镜组   21：检测单元

25：卡匣                  100：检测试样

B、P1、P2、P3、P1’、P2’、P3’：粒子

PL：光子                  I、II：分离区

LS：激光                  LX：光轴

M：动量        M1：垂直动量

M2：横向动量

210、220、OT1、OT2、OT3、OT1’、OT2’、OT3’、OT4’、OT5’、OT1”、OT2”、OT3”、OT4”、OT5”：光场

θ：夹角

Claims (13)

1.一种光镊产生装置，用来在承载有至少一个粒子的检测试样上提供光镊，所述装置包括：

激光源，用于输出激光；

绕射光学元件，用于使激光穿透后产生一绕射光场；以及

聚焦镜，用于接收由所述绕射光学元件穿透后的激光，并将其聚焦于所述检测试样的平面上，所述聚焦镜具有光轴，所述光轴不垂直于所述检测试样的所述平面，使激光斜向入射至所述检测试样的所述平面上，以提供所述粒子横向动量，从而推动所述粒子移动。

2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述粒子基本上沿着所述横向动量的方向移动。

3.根据权利要求1所述的装置，其中，所述聚焦镜的所述光轴与所述检测试样的所述平面的法线具有夹角，所述横向动量的大小与所述夹角的大小相关。

4.根据权利要求1所述的装置，其中，所述绕射光场聚焦于所述检测试样上的光强度是均匀或不均匀的。

5.根据权利要求1所述的装置，其中，所述绕射光学元件是可编程绕射的光学元件。

6.根据权利要求1所述的装置，其中，所述聚焦镜接收所述绕射光场后，在所述检测试样上形成至少一个第一光学导引线与一个第二光学导引线，所述第二光学导引线位于所述第一光学导引线的旁侧。

7.根据权利要求6所述的装置，其中，所述第二光学导引线的延伸方向不平行于所述第一光学导引线的延伸方向。

8.一种使光镊具有动量的方法，用来在承载有至少一个粒子的检测试样上产生一光镊，所述方法包括：

提供激光源、绕射光学元件与聚焦镜，使所述聚焦镜的光轴不垂直于所述检测试样的平面；

由所述激光源发射激光，并在穿透所述绕射光学元件后产生绕射光场；以及

由所述聚焦镜接收从所述绕射光学元件穿透后的激光，使所述激光斜向入射至所述检测试样的所述平面上，以提供所述粒子横向动量从而推动所述粒子移动。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述粒子基本上沿着所述横向动量的方向移动。

10.根据权利要求8所述的方法，其中，所述聚焦镜的所述光轴与所述检测试样的所述平面的法线具有夹角，所述横向动量的大小与所述夹角的大小相关。

11.根据权利要求8所述的方法，其中，所述绕射光场聚焦于所述检测试样上的光强度是均匀或不均匀的。

12.根据权利要求8所述的方法，其中，所述聚焦镜接收所述绕射光场后，在所述检测试样上形成至少一个第一光学导引线与一个第二光学导引线，所述第二光学导引线位于所述第一光学导引线的旁侧。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述第二光学导引线的延伸方向不平行于所述第一光学导引线的延伸方向。

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