CN102436063B - 一种激光光镊显微镜 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种激光光镊显微镜，包括镜筒、图像传感器、显微物镜、可上下移动载物台、载物基片、支架和用于产生激光光镊并将光镊聚焦到物体上的数字光学位相共轭装置，镜筒固定在支架上，可上下移动载物台通过齿条连接在支架上，载物基片放置在可上下移动载物台上，用于对放置在载物基片上的物体进行放大成像的显微物镜安装在镜筒的底部，用于记录放大显微图像的图像传感器设置在镜筒内并位于显微物镜上方。本发明提高光镊的聚焦精度和定位精度；无需精密机械马达，提高光镊的移动速度；可增加光镊数目，并对任意一个激光光镊进行独立操作，通过多个光镊的配合实现高精度复杂微观操作。

Description

一种激光光镊显微镜

技术领域

本发明属于显微光学和纳米技术领域，更具体地涉及一种激光光镊显微镜，适用于细胞、DNA、纳米颗粒、纳米结构的操控、搬运、测试、组装、加工，以及显微三维测量。

背景技术

在生命科学、化学、纳米科技等领域需要对微小物体，如细胞核、DNA链、分子基团、微机械结构等进行各种操控和测试，如搬运、切割、剥离、嫁接、注入、组装、固化、激活、荧光检测、电泳检测等，常见微观操控手段包括机械探针、分子钳、光镊等，其中机械探针可以对细胞进行穿刺；分子钳可以把细胞吸附在毛细管前端，定量测量细胞膜的离子通道；光镊可以依靠聚焦光斑中剧烈变化的梯度光场捕获并移动微小颗粒，同时还可利用高能光场诱导化学反应，进行固化、激活等(参见D.G.Grier，A revolution in optical manipulation，Nature，Vol.424，pp.810-816，2003)。其中光镊无需任何机械接触，在微小物体的操控测试领域具有广阔应用前景。但目前各种产生光镊的方法在聚焦精度、移动、定位精度与速度、光镊数目等方面还未达到最理想状态。例如采用显微物镜聚焦方式来形成光镊，并通过精密机械移动光镊，光镊数目太少，机械定位精度和速度低，不利于复杂微观操作。随着全息技术和空间光调制器的引入，通过对光学波前的控制来制作阵列光镊成为可能。但利用全息干板一般只能产生静态光镊，虽然光镊的数目可增加很多，但如何动态移动光镊，特别是按照任意路径各自独立地移动每一根光镊非常困难，因为全息干板上的干涉条纹是固定的。利用空间光调制器虽然可以通过光学波前控制来动态产生和移动光镊，但精度还受到一定程度的限制，因为空间光调制器的每个像素的尺寸一般远远大于光学波长。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术存在的上述不足，在于提供了一种聚焦精度高，定位准确的激光光镊显微镜。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种激光光镊显微镜，包括镜筒、图像传感器、显微物镜、可上下移动载物台、载物基片、支架和用于产生激光光镊并将光镊聚焦到物体上的数字光学位相共轭装置，镜筒固定在支架上，可上下移动载物台通过齿条连接在支架上，载物基片放置在可上下移动载物台上，用于对放置在载物基片上的物体进行放大成像的显微物镜安装在镜筒的底部，用于记录放大显微图像的图像传感器设置在镜筒内并位于显微物镜上方。

如上所述的载物基片为透明载物基片，数字光学位相共轭装置放置在可上下移动载物台的下方，使得数字光学位相共轭装置产生的激光光镊穿过载物基片后聚焦在物体上。

如上所述的数字光学位相共轭装置采用可调谐激光光源或可调强度激光光源。

如上所述的图像传感器前面放置有滤波片。

如上所述的图像传感器前面放置有光学衰减片。

如上所述的载物基片通过折射率匹配液直接贴在数字光学位相共轭装置的绝热锥形光波导的细端。

作为一种优选方案，一种激光光镊显微镜，还包括半透半反镜，半透半反镜设置在镜筒内，并位于显微物镜和图像传感器之间，半透半反镜的反射面与显微物镜的光轴成45度放置，数字光学位相共轭装置设置在镜筒的侧边，使得数字光学位相共轭装置产生的激光光镊经过半透半反镜反射和显微物镜折射后从上方聚焦到放置在载物基片上的物体。

与现有技术相比，本发明具有如下优点及有益效果：

1、提高光镊的聚焦精度和定位精度；

2、无需精密机械马达，提高光镊的移动速度；

3、可增加光镊数目，并对任意一个激光光镊进行独立操作，通过多个光镊的配合实现高精度复杂微观操作；

4、可通过软件进行数字控制，使用简单，操作方便。

本说明书中所用术语说明：

(1)数字光学位相共轭装置：它主要由激光光源、复振幅空间光调制器1、耦合器2、绝热锥形光波导3和光学镜头4组成，它基于光路可逆性原理实现光学波前的实时数字再构(如图1所示)，更详细的原理参见发明(专利号：ZL200610124657.4)中的解释。

本发明的原理：光镊实际上是一个聚焦在空中的光斑，从光斑中心向外光波场剧烈变化，而偶极子在梯度光场中会自动向强场方向移动，因此光镊可以把微小颗粒囚禁在聚焦光斑中，如果光镊位置发生移动，会带动所囚禁的微小颗粒一起移动。既然光镊只是一个聚焦光斑，光镊的产生也就可以归结为光学波前的重建。发明人的前一项发明“主动光学位相共轭方法及装置(专利号：ZL200610124657.4)”提出了一种新的高精度光学波前实时数字重建方法，其基本原理基于光路的可逆性。该发明借助一个绝热锥形光波导把复杂入射光波分解并逐步引导到一系列彼此互相隔离的单模光波导，然后采用空间光调节器在这些彼此隔离的单模光波导中再构出与输入光波共轭的光波，这些共轭光波逆向通过同一绝热锥形光波导，就可重建出与原始光学波前形状完全相同的光波。

一个数字光学位相共轭装置，其结构如图1所示。它主要由相干照明光源、复振幅空间光调节器1、耦合器2、绝热锥形光波导束3和放大透镜4组成，波长为λ的相干照明光源经过空间光调节器1的逐像素振幅和位相调节后，通过微透镜阵列耦合器2进入绝热锥形光波导束3的粗端，在彼此隔离的每根单模光波导中产生特定复振幅的共轭光场，这些共轭光波逆向传播，并从锥形绝热光波导3的细端出射，再经放大透镜4聚焦后，可在空间预定位置产生激光光斑。锥形绝热光波导3的细端直径一般在零点几毫米到几毫米，可以直接放置尺寸较小的样品，此时可去掉放大透镜4，而且离锥形绝热光波导3的细端越近，分辨率越高，即聚焦精度越高。一个数字光学位相共轭装置工作前需要进行标定，即把单个激光点光源，或单个聚焦光斑从不同预定位置射向数字光学位相共轭装置前端的放大透镜4或直接射向锥形绝热光波导3的细端，并测量从绝热锥形光波导束3的粗端的每根单模光波导中出射的基模光场的复振幅，记录备用。当需要在特定位置产生一个激光光斑时，调出预先记录的针对该位置的基模光场的复振幅，对其取共轭，并通过复振幅空间光调节器2在每根单模光波导中产生上述共轭基模光场，基于光路可逆性原理，即可在指定位置重建出一个激光光斑，即激光光镊。当需要同时产生许多个激光光斑时，利用系统的线性性，把针对每个激光光斑的复振幅累加再取共轭即可。计算分析表明，采用8位精度空间光调制器可同时产生1万个以上激光光斑，且每个激光光斑的空间位置和强度独立调节，这表明采用数字光学位相共轭装置可以产生非常复杂的光镊阵列，且每个光镊的位置可独立移动，通过相关控制软件使得许多光镊互相配合就可进行复杂纳米手术，对DNA、细胞进行人工裁剪和改造，或对化学基团进行人工组装、分离等。

利用数字光学位相共轭原理产生激光光镊的一大好处是精度高。由于光路的可逆性，它不存在普通光学透镜系统的像差，仅受衍射极限的限制，其分辨率，也就是激光光镊的最小聚焦直径可用下式表示，

$\mathrm{dx}=\frac{\mathrm{\λ}}{2\sin \mathrm{\θ}}---\left(1\right)$

式(1)中θ是成像激光束的锥角，如图1所示，它可由绝热光波导的临界入射角θ_c确定，tg(θ)/tg(θ_c)＝L₁/L₂＝|A₁B₁|/|A₂B₂|＝1/β_x，这里β_x是光学系统的横向放大倍率。如果采用具有1920×1080个像素的空间光调节器，在1毫米距离内，聚焦激光斑点的直径一般小于1微米；在锥形绝热光波导3的细端附近分辨率可达到半波长，在锥形绝热光波导3的细端表面的倏逝波场内，即3倍波长范围内，分辨率可小于半波长。

采用数字光学位相共轭装置产生激光光镊，同时用一台数字光学显微镜实时监测激光光镊的大小与位置就可构建一套基于数字光学位相共轭的激光光镊显微镜。如果让强度减弱的激光光镊上下扫描还可以检测微小颗粒的高度，因为当激光光镊恰好落在物体表面时，位于数字显微物镜像面的图像传感器拍摄到的激光像斑的直径最小，此时预先设定的激光光镊的位置就代表了微小颗粒的高度。逐步增加激光光镊的强度并使其上下或左右扫描，监测微小颗粒随激光光镊的运动可测量微小颗粒的机械特性及其与邻近粒子的相互作用力强弱等。进一步给数字光学位相共轭装置配备可调谐激光光源，可有选择地激发特定分子基团，使其发荧光或电离；通过数字光学显微镜的图像传感器可检测荧光分布；再进一步采用制备有电极的载物基片可通过电泳等方式测量、分离不同性质的离子等。综合以上各种功能就可以搭建一套基于数字光学位相共轭的多功能激光光镊显微镜。

附图说明

图1为数字光学位相共轭装置结构示意图。

图2为一种激光光镊显微镜工作在透射模式的实施例示意图。

图3为一种激光光镊显微镜工作在反射模式的实施例示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的技术方案进行进一步详细说明：

实施例1：

图2给出了一种激光光镊显微镜工作在反射模式的的结构示意图。它包括镜筒6、图像传感器7、显微物镜8、可上下移动载物台9、载物基片13、支架14和用于产生激光光镊并将光镊聚焦到物体10上的数字光学位相共轭装置5，镜筒6固定在支架14上，可上下移动载物台9通过齿条连接在支架14上，载物基片13放置在可上下移动载物台9上，用于对放置在载物基片13上的物体10进行放大成像的显微物镜8安装在镜筒6的底部，用于记录放大显微图像的图像传感器7设置在镜筒6内并位于显微物镜8上方。由于数字光学位相共轭装置5与数字光学显微镜头6的载物台9固定在一起，当载物台9带着载物基片13和物体10上下移动时，数字光学位相共轭装置5也随之移动，这样保证数字光学位相共轭装置5及其所产生的光镊和物体10的相对位置固定不变。图像传感器7可用于监测光镊的大小和位置，同时寻找待操控的微粒。

如图2所示，图像传感器7前面还放置有光学衰减片12，其作用是当激光光镊很亮时，用于减弱信号光波，避免图像传感器7饱和。

为了方便，图2中数字光学位相共轭装置5未画出其全部结构，只画出了其绝热锥形光波导的细端。同时考虑到物体很近，去掉了绝热锥形光波导细端前的光学透镜4。为了进一步提高分辨率，减小激光光镊的直径，可让透明载物基片13通过折射率匹配液直接贴在数字光学位相共轭装置5的绝热锥形光波导的细端。

对于图2所示数字光学位相共轭装置5，在激光功率固定不变的情况下，可以通过空间光调制器调整激光光镊的强度。进一步为了增加激光光镊功率的动态调整范围，可采用可调强度激光光源，这样可根据所操纵的微小颗粒的不同选择最恰当的激光功率。

同时图2中数字光学位相共轭装置5还可采用可调谐激光光源，在一定范围内调节激光的波长，用于选择性地激发、电离不同分子基团。当激发后的微小颗粒发出荧光时，可在数字光学显微镜头6的图像传感器7前面放置一块滤波片11，用于遮挡激发光，透射荧光，提高所拍摄荧光图像的信噪比。另外可设计一个简单的机械结构实现滤波片11以及前述光学衰减片12的插入和移开。

实施例2：

图3给出了一种激光光镊显微镜工作在反射模式的结构示意图，与图2给出的工作在透射模式的激光光镊显微镜相比，它还包括半透半反镜15，半透半反镜15设置在镜筒6内，并位于显微物镜8和图像传感器7之间，半透半反镜15的反射面与显微物镜8的光轴成45度放置，数字光学位相共轭装置5设置在镜筒的侧边，使得数字光学位相共轭装置5产生的激光光镊经过半透半反镜15反射和显微物镜8折射后从上方聚焦到放置在载物基片13上的物体10。

与图2所示装置相比，其最大不同在于把激光光镊从上方聚焦到物体10。如果在对数字光学位相共轭装置5进行标定时是在空中进行的，则激光光镊射入物体后的实际位置会有一些变化，可根据物体的折射率进行预补偿。相对而言，激光光镊从上方进入物体10比从下方穿过整个透明载物基片13和物体10所受影响要小一些，但从上方入射时必须考虑物镜8的影响，要针对每个物镜对数字光学位相共轭装置5进行标定。

与图2所示装置一样，图3中的数字光学位相共轭装置5也可采用可调强度和可调谐激光光源，数字光学显微镜头6的图像传感器7前面也可放置滤波片11和光学衰减片12。当采用特定波长激光光源或可调谐激光光源来有选择性激发特定分子基团，使之电离时，还可结合电泳效应来检测电离后的离子特性等。

Claims (4)

1.一种激光光镊显微镜，包括镜筒（6）、图像传感器（7）、显微物镜（8）、可上下移动载物台（9）、载物基片（13）和支架（14），镜筒（6）固定在支架（14）上，载物基片（13）放置在可上下移动载物台（9）上，用于对放置在载物基片（13）上的物体（10）进行放大成像的显微物镜（8）安装在镜筒（6）的底部，用于记录放大显微图像的图像传感器（7）设置在镜筒（6）内并位于显微物镜（8）上方，其特征在于：还包括用于产生激光光镊并将光镊聚焦到物体（10）上的数字光学位相共轭装置（5），可上下移动载物台（9）通过齿条连接在支架（14）上，还包括半透半反镜（15），半透半反镜（15）设置在镜筒（6）内，并位于显微物镜（8）和图像传感器（7）之间，半透半反镜（15）的反射面与显微物镜（8）的光轴成45度放置，数字光学位相共轭装置（5）设置在镜筒的侧边，使得数字光学位相共轭装置（5）产生的激光光镊经过半透半反镜（15）反射和显微物镜（8）折射后从上方聚焦到放置在载物基片（13）上的物体（10）。

2.根据权利要求1所述的一种激光光镊显微镜，其特征在于：所述的数字光学位相共轭装置（5）采用可调谐激光光源或可调强度激光光源。

3.根据权利要求2所述的一种激光光镊显微镜，其特征在于：所述的图像传感器（7）前面放置有滤波片（11）。

4.根据权利要求2所述的一种激光光镊显微镜，其特征在于：所述的图像传感器（7）前面放置有光学衰减片（12）。

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