CN102162908B - 一种基于塔尔博特效应的新型全息光镊系统 - Google Patents

Abstract

一种基于塔尔博特效应的新型全息光镊系统，涉及激光全息光镊。提供一种结构简单，可操作性强的基于塔尔博特效应的新型全息光镊系统。设有激光器、第1透镜、第2透镜、反射镜、全息元件、倒置显微镜、CCD图像传感器和计算机；2个透镜依次前后设于激光器的激光光束输出端与反射镜之间，激光器和2个透镜同光轴，2个透镜的初始位置使焦点重合，通过微调2个透镜之间的距离以控制激光光束聚焦点的位置，使激光光束聚焦点落于全息元件上；微粒置于倒置显微镜的置物台上，通过调整倒置显微镜的置物台与全息元件的距离，使微粒落于全息元件的塔尔博特自成像的位置上；CCD图像传感器的信息输出端接计算机，用于图像的分析和处理。

Description

一种基于塔尔博特效应的新型全息光镊系统

技术领域

本发明涉及激光全息光镊，特别涉及一种基于塔尔博特效应的新型全息光镊系统。

背景技术

光镊技术是一种利用光与物质间动量传递的力学效应而形成的三维梯度光陷阱来捕获和操纵微小粒子的工具，在分子生物学、实验原子物理和胶体化学等领域中发挥了极其重要的作用。随着多光阱操控技术在众多的实验研究和应用中显得越来越重要，光镊仪器由最初的单光镊逐渐演化出了多种类型的多光镊，如双光镊、扫描光镊、飞秒光镊、全息光镊等。其中全息光镊由于其在多粒子操控方面的优势，为光镊技术走向实用化、规模工业化打开了新局面。全息光镊是利用全息元件构建的具有特定功能的光强梯度分布场而形成的多光镊，所采用的全息元件通常为衍射光学元件(DOE)或空间光调制器(SLM)，其优点在于不仅可实现多种功能的光阱，而且可实现三维光阱阵列，可同时对多个微粒进行捕获、操纵和分选等操作。传统全息光镊的缺点在于所采用的衍射光学元件或空间光调制器的衍射效率很低，激光能量利用率低下，并且由于全息光镊所形成的光陷阱数量多，激光能量须分配到每个光陷阱上，因此为了满足每个光阱的捕捉能力，往往需要配备昂贵并且难以维护的大功率激光器。这已经成为制约全息光镊进一步发展和走向实用化的瓶颈。在传统的全息光镊技术中，使用空间光调制器的全息光镊还有另外一个缺陷：对捕获的微粒进行操纵需要进行大量复杂的傅立叶全息图的计算，因此传统全息光镊系统往往需要配备高性能的计算设备，并且光阱移动系统复杂，操作技能要求高，这进一步增加了全息光镊系统的成本，限制了全息光镊的推广应用。

本申请人在中国专利ZL200610122343.0中公开一种可方便制作高质量大面积光子晶体的无透镜光学装置。设有激光器、扩束空间滤波器、组合光学元件和全息记录干版，扩束空间滤波器设于激光器的光束输出光路上，组合光学元件设于扩束空间滤波器的输出光路上，全息记录干版放置于干涉区域。组合光学元件以硬质不透明材料为基板，在基板上设置有3个对称排列的全息图，全息图之间相隔120°并与基板中心有相同距离。基板上设有3或4个孔，3个孔环绕基板中心对称排列，3个孔之间相隔120°并与基板中心有相同距离；另1个孔设在基板中心。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种结构简单，可操作性强的基于塔尔博特效应的新型全息光镊系统。

本发明设有激光器、第1透镜、第2透镜、反射镜、全息元件、倒置显微镜、CCD图像传感器和计算机；第1透镜和第2透镜依次前后设于激光器的激光光束输出端与反射镜之间，激光器、第1透镜和第2透镜同光轴，激光器发出的激光经过第1透镜和第2透镜，第1透镜和第2透镜的初始位置使焦点重合，通过微调第1透镜与第2透镜之间的距离以控制激光光束聚焦点的位置，使激光光束聚焦点落于全息元件上；微粒置于倒置显微镜的置物台上，通过调整倒置显微镜的置物台与全息元件的距离，使微粒落于全息元件的塔尔博特自成像的位置上；通过CCD图像传感器观察微粒，CCD图像传感器的信息输出端接计算机，用于图像的分析和处理。

所述激光器可采用功率可调的氩离子激光器。所述第1透镜和第2透镜均可采用具有较高数值孔径的透镜，所述具有较高数值孔径的透镜可采用40倍的显微镜物镜，其数值孔径为0.65。所述全息元件可采用二维周期性微结构元件。

微粒的操纵可通过引入结构或者透过率可变的全息元件，例如空间光调制器，通过改变全息元件的结构或者透过率来实现。

本发明基于塔尔博特效应的产生梯度力光阱的方法，是一种基于这种方法的的新型全息光镊系统，以解决传统全息光镊成本昂贵，计算复杂等问题。

本发明通过使用塔尔博特效应实现全息光镊，有效突破了衍射效率的瓶颈，省去了复杂繁琐的傅立叶全息图的计算。由于突破了衍射效率的瓶颈，全息光镊所需要的激光的功率大大减低，从而不需要配备昂贵且难以维护的大功率激光器，降低了全息光镊系统的成本。由于省去了复杂繁琐的傅立叶变换全息图的计算，且无需配备昂贵的计算设备，因此不仅进一步降低了成本，而且系统紧凑稳定，使得全息光镊有望走出实验室，实现产业化。

本发明的原理是利用塔尔博特效应，使用全息元件产生的自成像所形成的光强梯度光阱用于微粒的捕获。本发明的关键在于将微粒置于全息元件的塔尔博特自成像位置上，利用全息元件的结构或者折射率分布所产生的光强梯度形成光阱进行捕获；通过控制全息元件的结构或者折射率分布以改变光强梯度分布，从而达到操纵微粒的目的。本发明还在于利用两个具有较高数值孔径的透镜组成的透镜组来缩细和调整激光光束，使激光能量高度集中于全息元件上。相比单光镊的仅有几个毫米的焦点距离，这种方法的优点在于工作距离长且可以任意调节，并且缩细后的激光光束为准平行光。

附图说明

图1为本发明实施例的结构组成示意图。在图1中，1为激光器，21为第1透镜，22为第2透镜，3为反射镜，4为全息元件，5为倒置显微镜11的置物台、6为倒置显微镜11的物镜、7为倒置显微镜11的半反半透镜、8为倒置显微镜11的照明光源、9为倒置显微镜11的滤波片、10为倒置显微镜11的目镜，12为CCD图像传感器，13为计算机。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1

如图1所示，本发明实施例设有激光器1、第1透镜21、第2透镜22、反射镜3、全息元件4、倒置显微镜11、CCD图像传感器12和计算机13；第1透镜和第2透镜依次前后设于激光器1的激光光束输出端与反射镜3之间，激光器1、第1透镜21和第2透镜22同光轴，激光器1发出的激光经过第1透镜和第2透镜，第1透镜和第2透镜的初始位置使焦点重合，通过微调第1透镜与第2透镜之间的距离以控制激光光束聚焦点的位置，使激光光束聚焦点落于全息元件4上；微粒置于倒置显微镜11的置物台5上，通过调整倒置显微镜11的置物台5与全息元件4的距离，使微粒落于全息元件4的塔尔博特自成像的位置上；通过CCD图像传感器12观察微粒，CCD图像传感器12的信息输出端接计算机13，用于图像的分析和处理。反射镜3、全息元件4、倒置显微镜11的置物台5、倒置显微镜11的物镜6、倒置显微镜11的半反半透镜7、倒置显微镜11的照明光源8依次设于同一光轴上；倒置显微镜11的滤波片9设于倒置显微镜11的半反半透镜7与CCD图像传感器12之间。

所述第1透镜21和第2透镜22均可采用具有较高数值孔径的透镜。

所使用的激光器1采用功率可调的氩离子激光器，所使用的全息元件4采用二维周期性微结构元件，可根据经典的相干光干涉理论和衍射理论，采用激光全息技术进行制备，具体制备方式可参见本申请在中国专利ZL 200610122343.0中所公开的方法。所使用的两个高数值孔径透镜采用两个相同的40倍的显微镜物镜，其数值孔径为0.65。将它们置于空间滤波器的架子上，镜头相对，通过空间滤波器上的螺旋杆微调两个高数值孔径透镜之间的距离，使其焦点重合。激光器1的激光出射方向、第1透镜21、第2透镜22和反射镜3位于同一光轴上。激光器1的激光光束通过第1透镜21和第2透镜22后经由反射镜3反射，入射到全息元件4上。此时微调第1透镜21与第2透镜22之间的距离，使出射光的焦点落于全息元件4上。微粒置于样品池中，固定在倒置显微镜11的置物台5上。倒置显微镜的照明光源8用于观察系统的照明，样品光学图像信息经半反半透镜7反射，滤波片9滤除杂光，目镜10汇聚后，输入到CCD图像传感器12，从而实现微粒的观察，并通过调整倒置显微镜置物台5与全息元件4的距离，使微粒落于全息元件4的塔尔博特自成像的位置上。计算机13用于图像的分析和处理。

使用此方案，可在置物台的位置形成一个周期性光场分布，用于微粒的减速，捕获和排列等操作。

实施例2

与实施例1相同，所不同的是全息元件4是由空间光调制器实现的，空间光调制器连接到计算机13上，由计算机生成计算全息图的信号，通过计算机控制空间光调制器，从而改变空间光调制器的自成像光场分布，进而操控微粒的运动。

Claims (4)

1.一种基于塔尔博特效应的全息光镊系统，其特征在于设有激光器、第1透镜、第2透镜、反射镜、全息元件、倒置显微镜、CCD图像传感器和计算机；第1透镜和第2透镜依次前后设于激光器的激光光束输出端与反射镜之间，激光器、第1透镜和第2透镜同光轴，激光器发出的激光经过第1透镜和第2透镜，第1透镜和第2透镜的初始位置使焦点重合，通过微调第1透镜与第2透镜之间的距离以控制激光光束聚焦点的位置，使激光光束聚焦点落于全息元件上；微粒置于倒置显微镜的置物台上，通过调整倒置显微镜的置物台与全息元件的距离，使微粒落于全息元件的塔尔博特自成像的位置上；通过CCD图像传感器观察微粒，CCD图像传感器的信息输出端接计算机，用于图像的分析和处理。

2.如权利要求1所述的一种基于塔尔博特效应的全息光镊系统，其特征在于所述激光器为功率可调的氩离子激光器。

3.如权利要求1所述的一种基于塔尔博特效应的全息光镊系统，其特征在于所述第1透镜和第2透镜均采用40倍的显微镜物镜，其数值孔径为0.65。

4.如权利要求1所述的一种基于塔尔博特效应的全息光镊系统，其特征在于所述全息元件采用二维周期性微结构元件。