CN102645754A - 远场多光学捕获装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种远场多光学捕获装置及方法，该装置包括：第一光源，用于向偏振变换器偏振转换器发射平行光束；偏振变换器偏振转换器，用于将平行光束转换为高级次的轴对称偏振光束，并将高级次的轴对称偏振光束发射至扩束系统；扩束系统，用于将高级次的轴对称偏振光束扩束成设定大小的光斑，并将设定大小的光斑入射至二向色性分束镜；二向色性分束镜，用于将设定大小的光斑径反射至一设置在培养皿中的水浸透镜中；所述水浸透镜，用于将所述设定大小的光斑聚焦后得到一聚焦场；其中，高级次的轴对称偏振光束经聚焦场捕获所述聚焦场附近的介质粒子，捕获的介质粒子的数量由聚焦场的焦点数量确定。本发明实施例能够灵活地调控捕获粒子的数量和尺寸。

Description

远场多光学捕获装置及方法

技术领域

本发明涉及光学技术领域，特别涉及一种远场多光学捕获装置及方法。

背景技术

光学捕获(Optical Trapping)是利用聚焦光束产生的辐射力操控微粒的一种技术。该技术始于上世纪70年代，经过几十年的发展，已经被证明是一种非常有效的工具，广泛应用于生物、医学、化学及物理等多个领域。1970年，美国贝尔实验室的A.Ashkin首次报告了光束对微米尺度的粒子可产生散射力和梯度力，并随后在1986年实验展示了一种单光束梯度力光学捕获装置，即现在所说的光镊(Optical Tweezers)。

为进一步增强光镊的功能，一些可同时捕获多个粒子的多光学捕获技术被陆续提出，例如：利用衍射光学元件、微透镜阵列、干涉光束、垂直腔表面发射激光器(VCSEL)阵列或光纤阵列同时获得多个热点(Hot Spots)可同时捕获多个粒子。但是，发明人发现，现有技术多数是在光镊中使用高数值孔径物镜，由于高数值孔径物镜有限的视场从而限制了捕获粒子的数量和尺寸。

发明内容

本发明的目的在于提供一种远场多光学捕获装置及方法，实现灵活地调控捕获粒子的数量和尺寸。

本发明实施例提供一种远场多光学捕获装置，包括：

第一光源，用于向偏振转换器发射平行光束；

所述偏振转换器，用于将所述平行光束转换为高级次的轴对称偏振光束并将所述高级次的轴对称偏振光束发射至扩束系统；

所述扩束系统，用于将所述高级次的轴对称偏振光束扩束成设定大小的光斑，并将所述设定大小的光斑入射至二向色性分束镜；

所述二向色性分束镜，用于将所述设定大小的光斑经反射后入射至一放置在培养皿中的水浸透镜中；

所述水浸透镜，放置在一培养皿中，用于将所述设定大小的光斑聚焦后得到一聚焦场；其中，所述培养皿中包含设定类型的介质粒子，所述高级次的轴对称偏振光束经所述聚焦场捕获所述聚焦场附近的所述介质粒子，所述捕获的介质粒子的数量由所述聚焦场的焦点数量确定。

本发明实施例还提供一种远场多光学捕获方法，包括：

通过第一光源向偏振转换器发射平行光束；

通过所述偏振转换器将所述平行光束转换为高级次的轴对称偏振光束，并将所述高级次的轴对称偏振光束发射至扩束系统；

通过所述扩束系统将所述高级次的轴对称偏振光束扩束成设定大小的光斑，并将所述设定大小的光斑入射至二向色性分束镜；

通过所述二向色性分束镜将所述设定大小的光斑经反射后入射至一放置在培养皿中的水浸透镜中；

通过所述水浸透镜将所述设定大小的光斑聚焦后得到一聚焦场；其中，所述培养皿中包含设定类型的介质粒子，所述高级次的轴对称偏振光束经所述聚焦场捕获所述聚焦场附近的所述介质粒子，所述捕获的介质粒子的数量取决于所述聚焦场的焦点数量。

本发明提供的远场多光学捕获装置及方法，通过调整第一光源的功率调整高级次的轴对称偏振光束的强度，进而调控介质粒子所受的聚焦场的辐射力大小和聚焦场的强度分布，当聚焦场有多个焦点时可同时捕获多个介质粒子，从而实现对不同介质粒子的操控；通过偏振转换器改变高级次轴对称偏振光束的偏振级次，可以调控聚焦场的焦点数量；此外，通过改变水浸透镜的数值孔径也可以改变聚焦场的强度分布，从而改变介质粒子所受辐射力的大小，从而灵活地调控捕获粒子的数量和尺寸。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例轴对称偏振光束的空间偏振分布的示意图；

图2为本发明远场多光学捕获装置一个实施例的结构示意图；

图3为本发明远场多光学捕获装置又一个实施例的结构示意图；

图4为根据图3所示实施例计算得到的聚焦场在焦平面上的强度分布示意图；

图5为根据图3所示实施例计算得到的聚焦场沿光轴方向的强度分布示意图；

图6为根据图3所示实施例得到的两种不同折射率的球形介质粒子所受的梯度力沿x轴向的分布示意图；

图7为根据图3所示实施例得到的两种不同折射率的球形介质粒子所受的梯度力沿光轴的分布示意图；

图8为本发明远场多光学捕获方法一个实施例的流程示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围

图1为本发明实施例轴对称偏振光束的空间偏振分布的示意图；如图1所示，光束在横截面上任意一点(中心点除外)的偏振态为线偏振，偏振方位在横截面内。若xOy平面为光束的横截面，z轴为光束的传播方向，S(r，φ)为光束横截面上的某一点(中心点除外)，其偏振方位满足如下关系：

Φ(r，φ)＝P×φ+φ₀  (P≠0)

其中，P为偏振级次，表示光束沿圆周方向变化360°时偏振方位变化的周期数；φ₀为当φ＝0时对应的初始偏振方位角，其值与x轴的选取有关；S点的偏振方位与该点对应的空间方位角有关。当偏振级次P＞1时，本发明实施例称之为高级次的轴对称偏振光束。

图2为本发明远场多光学捕获装置一个实施例的结构示意图；如图2所示，本发明实施例包括：第一光源20、偏振转换器21、扩束系统22、二向色性分束镜23、水浸透镜24、培养皿25。

具体地，第一光源20向偏振转换器21发射平行光束；偏振转换器21将所述平行光束转换为高级次的轴对称偏振光束，并将所述高级次的轴对称偏振光束发射至扩束系统22；扩束系统22将所述高级次的轴对称偏振光束扩束成设定大小的光斑，并将所述设定大小的光斑入射至二向色性分束镜23；二向色性分束镜23将所述设定大小的光斑经反射至一设置在培养皿25中的水浸透镜24中，培养皿25中装设有设定类型的介质粒子；水浸透镜24将所述设定大小的光斑聚焦后得到一聚焦场；其中，所述高级次的轴对称偏振光束经所述聚焦场捕获所述聚焦场附近的所述介质粒子，所述捕获的介质粒子的数量取决于所述聚焦场的焦点数量。

本发明实施例提供的远场多光学捕获装置，通过调整第一光源20的功率调整高级次的轴对称偏振光束的强度，进而调控介质粒子所受的聚焦场的辐射力大小和聚焦场的强度分布，当聚焦场有多个焦点时可同时捕获多个介质粒子，从而实现对不同介质粒子的操控；通过偏振转换器21改变高级次轴对称偏振光束的偏振级次，可调控聚焦场的焦点数量；此外，通过改变水浸透镜24的数值孔径也可以改变聚焦场的强度分布，从而改变介质粒子所受辐射力的大小，从而灵活地调控捕获粒子的数量和尺寸。

图3为本发明远场多光学捕获装置又一个实施例的结构示意图；如图3所示，本发明实施例包括：第一光源30、偏振转换器31、扩束系统32、二向色性分束镜33、水浸透镜34、培养皿35、三维微位移平台36、第二光源42、第一聚焦透镜37、电荷耦合元件38、分束镜39、位置探测器40、第二聚焦透镜41。其中，第一光源30具体包括：激光器301、显微物镜302、针孔303、准直透镜304；第二光源42具体可以为照明灯。

具体地，激光器301发出光束，该光束经过显微物镜302和针孔303滤波后被准直透镜304准直为平行光束后发射给偏振转换器31；偏振转换器31将所述平行光束转换为高级次的轴对称偏振光束，并将所述高级次的轴对称偏振光束发射至扩束系统32；扩束系统32将所述高级次的轴对称偏振光束扩束成设定大小的光斑，并将所述设定大小的光斑入射至二向色性分束镜33二向色性分束镜33将所述设定大小的光斑经反射至一设置在培养皿35中的水浸透镜34中，培养皿35中装设有设定类型的介质粒子；水浸透镜34将所述设定大小的光斑聚焦后得到一聚焦场；其中，所述高级次的轴对称偏振光束经所述聚焦场捕获所述聚焦场附近的所述介质粒子，所述捕获的介质粒子的数量取决于所述聚焦场的焦点数量。由计算机控制放置培养皿35的三维做位移平台36的移动距离；

第二光源42设置在三维微位移平台36下方；第一聚焦透镜37设置在培养皿35和第二光源42之间；由第二光源42发出的光束经所述第一聚焦透镜准直后照射到所述捕获的介质粒子上，经过水浸透镜34、二向色性分束镜33以及第二聚焦透镜41后成像到电荷耦合元件38上，电荷耦合元件38采集的图像经过处理获取所述介质粒子的形状信息，该介质粒子的形状信息具体可以为：粒子形状、粒子尺寸和粒子相互之间的相对空间位置等。

设置在二向色性分束镜33和第二聚焦透镜41之间的分束镜39，用于将第二光源42发出的光束进行分束，使得分束后的其中一光束发射至位置探测器40；位置探测器40根据所述分束后的其中一光束获取所述介质粒子的位置信息，通过位置探测器40，可以精确的测定介质粒子在聚焦场中的空间位置。

本发明实施例提供的远场多光学捕获装置，通过调整第一光源20的功率调整高级次的轴对称偏振光束的强度，进而调控介质粒子所受的聚焦场的辐射力大小和聚焦场的强度分布，当聚焦场有多个焦点时可同时捕获多个介质粒子，从而实现对不同介质粒子的操控；通过偏振转换器改变高级次轴对称偏振光束的偏振级次，可调控聚焦场的焦点数量；此外，通过改变水浸透镜34的数值孔径也可以改变聚焦场的强度分布，从而改变介质粒子所受辐射力的大小，从而灵活地调控捕获粒子的数量和尺寸。

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面通过图4～图7对图3所示实施例进行详细描述；其中，图4为根据图3所示实施例计算得到的聚焦场在焦平面上的强度分布示意图，图5为根据图3所示实施例计算得到的聚焦场沿光轴方向的强度分布示意图，图6为根据图3所示实施例得到的两种不同折射率的球形介质粒子所受的梯度力沿x轴向的分布示意图，图7为根据图3所示实施例得到的两种不同折射率的球形介质粒子所受的梯度力沿光轴的分布示意图。

本领域普通技术人员可以理解的是，利用矢量衍射理论计算本发明实施例中的不同偏振级次的轴对称偏振光束在不同情况下的聚焦场强度分布，本发明实施例以偏振级次P＝10、水浸透镜34的数值孔径NA＝1.20、培养皿35中溶液折射率n＝1.33为例进行示例性说明，计算得到的聚焦场强度分布如图4和图5所示。由图4和图5所示的计算结果可知，聚焦场包括多个焦点，焦点的数量与激光器301发出的光束的偏振级次有关，具体为2×(P-1)，因此通过改变激光器301发出的光束的偏振级次就可以灵活地调控光束在聚焦场的焦点数量；此外，聚焦场处的焦斑的尺寸较小，透镜数值孔径越高则越接近衍射极限，因此多焦点的聚焦场更有利于实现纳米尺寸微小粒子的摘获。

进一步地，对于图4和图5所示的聚焦场，若激光器301发出的光束的波长为1064纳米(nm)，激光器301的功率为100毫瓦(mW)，并且培养皿34中的溶液中的介质粒子为球形介质粒子，半径为50nm，则根据瑞利散射理论可计算球形介质粒子所受的辐射力。

如图6和图7所示，给出了根据瑞利散射理论计算得到的两种不同折射率的球形介质粒子所受的梯度力的分布。如图6和图7所示，两种不同折射率的球形介质粒子所受的梯度力F_grad的分布，其中，图6为沿着x轴的分布。图7为沿着光轴的分布。两种球形介质球的折射率分别为1.10和1.60，溶液的折射率为1.33，介质球的半径都为50nm。

由图6和图7所示的计算结果可知，当粒子的折射率n_p大于溶液的折射率n_m时，即n_p＞n_m，水浸透镜34的焦点附近的微粒受到的梯度力为吸引力，将粒子吸引到焦点附近；而当粒子的折射率n_p小于溶液的折射率n_m时，即n_p＜n_m，水浸透镜34的焦点附近的粒子受到的梯度力则是排斥力，将粒子推离焦点附近。通常情况下，在满足瑞利散射的条件下，粒子所受的梯度力都远大于所受到的散射力。因此，当n_p＞n_m时，该聚焦场产生的多个焦点将同时捕获多个微粒；进一步地，由于焦斑的尺寸接近衍射极限，因此利用这些微小聚焦斑可以捕获纳米尺度的微小粒子。

通过上述图4～图7可知，通过调整激光器的功率可以调控粒子所受辐射力大小，从而实现不同尺度粒子的操控；通过偏转转换器31改变高级次轴对称偏振光束的偏振级次，可调控聚焦场的焦点数量；此外，通过改变水浸透镜34的数值孔径也可以改变聚焦场的强度分布，从而改变粒子所受辐射力的大小。因此，本发明实施例可以通过灵活改变激光器301的光束的功率，偏振转换器31发出的高级次的轴对称偏振光束的偏振级次以及水浸透镜34的数值孔径，从而灵活地调控捕获粒子的数量以及对不同尺度的粒子进行捕获，极大克服了现有技术中的单光束光镊受到有限数值孔径大小的限制。

图8为本发明远场多光学捕获方法一个实施例的流程示意图；本发明实施例中的方法流程可以通过图2和图3所示的装置实现，如图8所示，术发明实施例包括如下步骤：

步骤801、通过第一光源向偏振转换器发射平行光束；

步骤802、通过偏振转换器将平行光束转换为高级次的轴对称偏振光束，并将高级次的轴对称偏振光束发射至扩束系统；

步骤803、通过扩束系统将高级次的轴对称偏振光束扩束成设定大小的光斑，并将该设定大小的光斑入射至二向色性分束镜；

步骤804、通过二向色性分束镜将设定大小的光斑经反射后入射至一放置在培养皿中的水浸透镜中；

步骤805、通过水浸透镜将该设定大小的光斑聚焦后得到一聚焦场；其中，培养皿中包含设定类型的介质粒子，高级次的轴对称偏振光束经聚焦场捕获聚焦场附近的介质粒子，捕获的介质粒子的数量取决于聚焦场的焦点数量。

本发明实施例提供的远场多光学捕获方法，通过调整第一光源的功率可调整高级次的轴对称偏振光束的强度，进而调控介质粒子所受的聚焦场的辐射力大小和聚焦场的强度分布，当聚焦场有多个焦点时可同时捕获多个介质粒子，从而实现对不同介质粒子的操控；通过偏振转换器改变高级次轴对称偏振光束的偏振级次，可调控聚焦场的焦点数量；此外，通过改变第一聚焦透镜的数值孔径也可以改变聚焦场的强度分布，从而改变介质粒子所受辐射力的大小，从而灵活地调控捕获粒子的数量和尺寸。

进一步地，在上述图8所示实施例的基础上，还可以包括如下步骤：

通过设置在所述三维微位移平台下方的第二光源发出的光束经过设置在所述培养皿和所述第二光源之间的第一聚焦透镜准直后照射到所述捕获的介质粒子上；

经过照射到所述捕获的介质粒子的光束经过所述水浸透镜、所述二向色性分束镜以及第二聚焦透镜后成像到所述电荷耦合元件上，所述电荷耦合元件采集的图像经过处理获取所述介质粒子的形状信息。

进一步地，在上述图8所示实施例的基础上，还可以包括如下步骤：

通过设置在所述二向色性分束镜和所述第二聚焦透镜之间的分束镜将所述照明光源发出的光束进行分束，使得分束后的其中一光束发射至位置探测器；

通过所述位置探测器根据所述分束后的其中一光束获取所述介质粒子的位置信息。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (9)

1.一种远场多光学捕获装置，其特征在于，所述装置包括：

第一光源，用于向偏振转换器发射平行光束；

所述偏振转换器，用于将所述平行光束转换为高级次的轴对称偏振光束，并将所述高级次的轴对称偏振光束发射至扩束系统；

所述扩束系统，用于将所述高级次的轴对称偏振光束扩束成设定大小的光斑，并将所述设定大小的光斑入射至二向色性分束镜；

所述二向色性分束镜，用于将所述设定大小的光斑经反射至一设置在培养皿中的水浸透镜中，所述培养皿中装设有设定类型的介质粒子；

所述水浸透镜，用于将所述设定大小的光斑聚焦后得到一聚焦场；其中，所述高级次的轴对称偏振光束经所述聚焦场捕获所述聚焦场附近的所述介质粒子，所述捕获的介质粒子的数量由所述聚焦场的焦点数量(确定)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

用于放置所述培养皿的三维微位移平台，由计算机控制所述三维微位移平台的移动距离。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：第二光源和第一聚焦透镜；

所述第二光源设置在所述三维微位移平台下方；所述第一聚焦透镜设置在所述培养皿和所述第二光源之间；

所述第二光源发出的光束经所述第一聚焦透镜准直后照射到所述捕获的介质粒子上。

4.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：电荷耦合元件；

由所述第二光源发出的光束经所述第一聚焦透镜准直后照射到所述捕获的介质粒子上、经过所述水浸透镜、所述二向色性分束镜以及第二聚焦透镜后成像到所述电荷耦合元件上，所述电荷耦合元件采集的图像经过处理获取所述介质粒子的形状信息。

5.根据权利要求3所述的装置，其特征在于，所述装置还包括：

设置在所述二向色性分束镜和所述第二聚焦透镜之间的分束镜，用于将所述照明光源发出的光束进行分束，使得分束后的其中一光束发射至位置探测器；

所述位置探测器，用于根据所述分束后的其中一光束获取所述介质粒子的位置信息。

6.根据权利要求1～5任一所述的装置，其特征在于，所述第一光源包括：激光器、显微物镜、针孔、准直透镜；其中，所述激光器用于发出光束，所述光束经过所述显微物镜和所述针孔滤波(扩束)后被所述准直透镜准直为平行光束。

7.一种远场多光学捕获方法，其特征在于，所述方法包括：

通过第一光源向偏振转换器发射平行光束；

通过所述偏振转换器将所述平行光束转换为高级次的轴对称偏振光束，并将所述高级次的轴对称偏振光束发射至扩束系统；

通过所述扩束系统将所述高级次的轴对称偏振光束扩束成设定大小的光斑，并将所述设定大小的光斑入射至二向色性分束镜；

通过所述二向色性分束镜将所述设定大小的光斑经反射后入射至一放置在培养皿中的水浸透镜中；

通过所述水浸透镜将所述设定大小的光斑聚焦后得到一聚焦场；其中，所述培养皿中包含设定类型的介质粒子，所述高级次的轴对称偏振光束经所述聚焦场捕获所述聚焦场附近的所述介质粒子，所述捕获的介质粒子的数量由所述聚焦场的焦点数量确定。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过设置在所述三维微位移平台下方的第二光源发出的光束经过设置在所述培养皿和所述第二光源之间的第一聚焦透镜准直后照射到所述捕获的介质粒子上；

经过照射到所述捕获的介质粒子的光束经过所述水浸透镜、所述二向色性分束镜以及第二聚焦透镜后成像到所述电荷耦合元件上，所述电荷耦合元件采集的图像经过处理获取所述介质粒子的形状信息。

9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过设置在所述二向色性分束镜和所述第二聚焦透镜之间的分束镜将所述照明光源发出的光束进行分束，使得分束后的其中一光束发射至位置探测器；

通过所述位置探测器根据所述分束后的其中一光束获取所述介质粒子的位置信息。

Images