CN103676126A - 一种光镊操作仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种光镊操作仪，包括激光源、凸透镜、平面反射镜、双色分光镜、光楔、聚焦物镜、样品台、样品池、照明光源和CCD摄像机，光束由激光源发出，经由光束耦合器扩束整形之后，再经平面第一反射镜、双色分光镜、偏摆双光楔及聚焦物镜会聚照射到样品池中捕获目标微粒，通过电机驱动第一光楔、第二光楔分别绕Y轴和X轴正交偏摆，所述偏摆角度可通过角度传感器测出并控制光束的偏转，实现目标微粒的移动；通过CCD摄像机及显示器可直观的了解微粒的捕获及移动过程。微粒在与XOY面平行的平面内移动时，样品池无需发生移动，即微粒在移动过程中不会受到外界振动的影响，且由于正交偏摆双光楔能实现光束偏转百倍量级的减速比，从而能对光束偏转方向进行精确控制，最终使光束精确捕获粒子并牢牢携其移动。
Description
技术领域
本发明涉及一种光镊操作微粒移动的技术，特别是利用偏摆双光楔以精确控制微粒移动的技术，尤其涉及一种光镊操作仪。
背景技术
光镊是以激光的力学效应为基础的一种物理工具，是利用强会聚的光场与微粒相互作用时形成的光学势阱来俘获粒子。
光镊对微粒的捕获及挟持具有无机械接触、无损伤的特性，这也使得光镊技术在细胞分离、细胞融合等生物医学及生物转基因技术领域颇受青睐。然而，精确的跟踪及控制微粒的移动是光镊操作的关键技术。
在先技术中光镊操作主要包括光镊相对移动和绝对移动。
在先光镊相对移动技术是通过固定光镊，操控目标微粒所在环境从而使目标微粒相对于环境发生移动。通过压电陶瓷三维驱动器驱动目标环境所在工作台而实现目标环境的移动，但是压电陶瓷驱动器存在迟滞非线性及会引起工作台振动的缺陷，因而限制了它的控制精度。
在先光镊绝对移动技术（朱思伟等，“一种基于动态光镊的细胞分选表征方法及其系统”，发明专利申请号：200910071098.9）采用在两个透镜之间安装一块玻璃片来实现光束的旋转，从而实现细胞的移动，进而筛选细胞。这种方法玻璃片每旋转1度，光束旋转2度。为了能精确的控制微粒移动，对旋转玻璃片的旋转精度要求非常高。
在先技术（张珊，“旋转多面镜概述”，光学技术，1987年01期：28-32）采用正棱柱体或正棱锥体的多面镜，通过多面镜的机械旋转，实现了反射光束的偏转。但是此装置反射光束的偏转角与光楔转角成放大的倍数，不适用于对光束旋转有高精度要求的场合。
在先技术（付琼，“基于声光效应的光束偏转控制理论研究”，光子学报，第36卷第6期）通过构建声光偏转器模型并利用声光偏转技术对光束方向进行控制，最终实现了超声波频率、声波功率和光束入射角对衍射光影响的研究。
在先技术（贲素琴，“磁活化细胞分选系统分离提纯小鼠骨髓 
造血干细胞”，2006年浙江省呼吸系病学术年会论文汇编，138-142）通过向目标样品池加入微小磁珠最终将目标细胞分离。此方法磁珠与目标细胞有机械接触，对细胞的活性会有一定的影响；而利用光镊技术实现的细胞分离是无机械接触的，能够保证细胞的活性。
在先技术（李安虎等，“双光楔偏转机械装置”，中国发明专利，授权专利号：ZL200510026553.5）通过两个正交放置的光楔在一定角度范围内偏摆进而控制光束的偏转，其突出的优点是光楔的机械转角和光束的偏离角存在百倍量级的减速比，通过双光楔偏摆可以实现出射光束的精确定向。已有报道中，该装置主要用于自由空间激光通信的光束精确控制和地面验证检测（Anhu Li, Liren Liu, Jianfeng Sun, etc., “Research on a scanner for tilting orthogonal double prisms”, Applied Optics, 2006, Vol.45, issue 31:8063-8069）。
发明内容
本发明的目的是在光镊能形成光学势阱的基础上，利用偏摆双光楔控制光束偏转进而精确操纵微粒移动，提出一种光镊操作仪。
激光聚集可形成光阱，微小物体受光压而被束缚在光阱处，移动光束使微小物体随光阱移动；光束移动可通过一对正交放置的光楔偏摆来实现，且利用正交双光楔偏摆可精确控制光束的移动。
本发明提出的一种光镊操作仪，包括激光源3、凸透镜4、第二凸透镜5、平面第一反射镜6、双色分光镜7、第一光楔8、第二光楔9、聚焦物镜10、样品台11、样品池12、照明光源13、第二反射镜14、CCD摄像机15、主机16和显示器17，其中：
第一凸透镜4和第二凸透镜5组成光束耦合器，用于光束的扩充及整形；第一光楔8和第二光楔9采用正交放置，构成偏摆双光楔；
激光源3的出光口对准光束耦合器的入光口，光束耦合器的出光口对准平面第一反射镜6的入光口，平面第一反射镜6的出光口对准双色分光镜7；双色分光镜7与聚焦物镜10之间设有偏摆动双光楔；聚焦物镜10的入光口对准样品池12中捕获目标微粒，第二反射镜14的出光口对准CCD摄像机15，CCD摄像机15连接主机16；光束由激光源3发出，经由光束耦合器扩束整形之后，再经平面第一反射镜6、双色分光镜7、偏摆双光楔及聚焦物镜10会聚照射到样品池12中捕获目标微粒，通过电机驱动第一光楔8、第二光楔9分别绕Y轴和X轴正交偏摆，所述偏摆角度可通过角度传感器测出并控制，从而控制光束的偏转，进而实现目标微粒的移动；通过CCD摄像机15及显示器17可直观的了解微粒的捕获及移动过程。
本发明中，第一光楔8和第二光楔9的楔角可以相同，也可以不同，以实现不同范围和精度的光束偏转要求，满足微粒操纵的个性化控制。
本发明中，第一光楔8和第二光楔9分别绕两个垂直布置的正交轴独立偏摆。双光楔偏转可实现微粒在与XOY面平行的平面内移动，再结合在光轴上移动第一凸透镜4和第二凸透镜5中的一个或在平行于Z轴方向上调节聚焦物镜，可以实现微粒的Z方向的移动，从而实现微粒在三维空间内的移动；第一光楔8和第二光楔9的相对位置为下述方式中任一种：
（1）第一光楔8主截面与XOZ面平行，厚端朝X轴正向，薄端朝X轴负向，绕与OY平行的水平轴偏摆；第二光楔9主截面与YOZ面平行，厚端朝Y轴负向，薄端朝Y轴正向，绕与OX平行的垂直轴偏摆；
（2）第一光楔8主截面与XOZ面平行，厚端朝X轴正向，薄端朝X轴负向，绕与OY平行的水平轴偏摆；第二光楔9主截面与YOZ面平行，厚端朝Y轴正向，薄端朝Y轴负向，绕与OX平行的垂直轴偏摆；
（3）第一光楔8主截面与XOZ面平行，厚端朝X轴负向，薄端朝X轴正向，绕与OY平行的水平轴偏摆；第二光楔9主截面与YOZ面平行，厚端朝Y轴负向，薄端朝Y轴正向，绕与OX平行的垂直轴偏摆；
（4）第一光楔8主截面与XOZ面平行，厚端朝X轴负向，薄端朝X轴正向，绕与OY平行的水平轴偏摆；第二光楔9主截面与YOZ面平行，厚端朝Y轴正向，薄端朝Y轴负向，绕与OX平行的垂直轴偏摆；
（5）第二光楔9主截面与XOZ面平行，厚端朝X轴正向，薄端朝X轴负向，绕与OY平行的水平轴偏摆；第一光楔8主截面与YOZ面平行，厚端朝Y轴负向，薄端朝Y轴正向，绕与OX平行的垂直轴偏摆；
（6）第二光楔9主截面与XOZ面平行，厚端朝X轴正向，薄端朝X轴负向，绕与OY平行的水平轴偏摆；第一光楔8主截面与YOZ面平行，厚端朝Y轴正向，薄端朝Y轴负向，绕与OX平行的垂直轴偏摆；
（7）第二光楔9主截面与XOZ面平行，厚端朝X轴负向，薄端朝X轴正向，绕与OY平行的水平轴偏摆；第一光楔8主截面与YOZ面平行，厚端朝Y轴负向，薄端朝Y轴正向，绕与OX平行的垂直轴偏摆；
（8）第二光楔9主截面与XOZ面平行，厚端朝X轴负向，薄端朝X轴正向，绕与OY平行的水平轴偏摆；第一光楔8主截面与YOZ面平行，厚端朝Y轴正向，薄端朝Y轴负向，绕与OX平行的垂直轴偏摆。
本发明中，光束经过第一个偏摆光楔时可以实现光束在一个方向上移动，光束经过另一个光楔时可以实现光束在另一个方向的移动，即经过正交偏摆双光楔的光束可以实现光束在二维平面的移动。
本发明中，第一光楔8或第二光楔9轴向平面侧外表面通过O型圈压在镜框的轴肩上固定，楔形侧外表面通过相同楔角的楔形挡圈压紧固定，楔形挡圈采用光楔挡圈压紧，光楔挡圈与镜框之间通过螺纹连接。
本发明的有益效果在于：
本发明中，微粒在与XOY面平行的平面内移动时，样品池无需发生移动，即微粒在移动过程中不会受到外界振动的影响，从而使光束牢牢束缚粒子并携其移动；
本发明中，由于偏摆双光楔偏离角与光束的偏离角存在百倍量级的减速比，故通过一般的光楔偏摆机械装置便可以高精度的控制微粒的移动；
本发明中，通过调节两光楔之间的距离或者两光楔与样品池之间的距离，可以扩大光镊在样品池中捕捉的范围；
本发明中，结合在光轴上移动第一凸透镜4和第二凸透镜5中的一个或在平行于Z轴方向上调节聚焦物镜，可以实现微粒的Z方向的移动。再结合双光楔偏转实现微粒在与XOY面平行的平面内移动，从而实现微粒在三维空间内的移动。
附图说明
图1为本发明光镊捕获及移动微粒的原理图；a目标微粒和静止微粒移动之前的状态，b目标微粒和静止微粒移动过程状态，c目标微粒和静止微粒进一步移动状态，d目标微粒和静止微粒融合状态；
图2为本发明利用偏摆双光楔进行微粒光镊移动的系统流程图；
图3为本发明偏摆双光楔的一种正交放置示意图；
图4为本发明单个偏摆双光楔的结构示意图；
图5为光镊技术应用—细胞融合图；a目标微粒和静止微粒移动之前的状态，b目标微粒和静止微粒移动过程状态，c目标微粒和静止微粒开始融合状态，d目标微粒和静止完全融合状态；
图中标号：1—待移动的目标微粒；2—静止微粒；3—激光源；4—第一凸透镜；5—第二凸透镜；6—第一反射镜；7—双色分光镜；8—第一光楔；9—第二光楔；10—聚焦物镜；11—样品台；12—样品池；13—照明光源；14—第二反射镜；15—CCD摄像机；16—主机；17—显示器；18—电机；19—支架；20—读数头；21—编码器；22—镜框。
具体实施方式
下面通过各附图对采用正交偏摆双光楔精确控制微粒的光镊技术做进一步详细说明，但是本发明专利保护范围不限于此。
参见图1，带十字的微粒为光镊捕获的目标微粒1，目标微粒1在光镊的作用下发生移动逐渐向静止微粒2靠近，直至融合
。
参见图2，本发明提供了采用偏摆双光楔精确跟踪及控制微粒移动的新技术，该技术包括：
激光源3，根据光镊原理，光阱的形成需要特定形式的光源，本发明中，激光源3优选Nd：YAG 1064nm的激光源；第一凸透镜4和第二凸透镜5组成光束耦合器，用于光束的扩充及整形；
双色分光镜7优选45度双色分光镜；双色分光镜7的正上方放置两个正交的偏摆第一光楔8、第二光楔9，偏摆第二光楔9的正上方依次放置聚焦物镜10、样品台11，样品池12，样品池的正上方放置照明光源13；双色分光镜7的正下方放置平面第二反射镜14、经平面第二反射镜14的光束射入CCD摄像机15，CCD摄像机15与主机16相连。
参见图2，对于上述利用偏摆双光楔实现对微粒的精确捕获和移动的技术，其具体实现方法是：由激光源3发射的激光束，经过光学耦合器（第一凸透镜4和第二凸透镜5）扩束整形后，经平面第一反射镜6入射到双色分光镜7，并被反射至偏摆双光楔（偏摆双光楔偏摆由各自电机独立驱动，偏摆角度由角度编码器测量及反馈控制），之后光束再到聚焦物镜10，光经过聚焦物镜10聚焦在样品池12中形成光阱。装有微粒或细胞悬浮液的样品池置于样品台11上。光镊对微粒的捕获和操控过程的观察，类似于普通的显微镜。照明光通过聚光镜照明样品池，池中的微粒被捕获和操控的图像经物镜，再经偏摆双光楔后，透过双色分光镜7，被第二反射镜14反射到CCD摄像机15，所采集的影像由显示器17显示。数码摄像头获取的信息通过计算机采集和处理。
参见图2，结合在光轴上移动第一凸透镜4和第二凸透镜5中的一个或在平行于Z轴方向上移动聚焦物镜，也可以实现微粒的三维空间移动。
参见图2，可以调节两正交光楔之间的距离，准确清晰地捕捉到目标微粒。
参见图2，在微粒捕获移动过程中，通过CCD摄像机15、主机16及显示器17可以直观的看到微粒的捕获及移动。
参见图3，偏摆光楔正交布置为前述布置方式的第一种：第一光楔8主截面与XOZ面平行，厚端朝X轴正向，薄端朝X轴负向，绕与OY轴平行的水平轴偏摆；第二光楔9主截面与YOZ平面平行，厚端朝Y轴负向，薄端朝Y轴正向，绕平行于OX轴的垂直轴偏摆。
参见图3，两光楔在直线电机的作用下，分别绕Y轴和X轴偏摆。设入射光束矢量为
，光楔楔角为α，第一光楔8偏摆角为
，第二光楔9偏摆角为，出射光束沿X轴分量与Z轴上的投影之比为垂直张角τ，沿Y轴分量与Z轴上的投影之比为水平张角σ。
第一光楔8的入射光矢量为：
其中，φ为入射光束矢量和Y轴正向之间的夹角，
为入射光束矢量在光楔主截面XOZ内的投影与X轴正向之间的夹角。根据坐标变换原则，经第一光楔8后出射光矢量为：
，令
其中
为光束通过第一光楔8时出射光束相对于入射光束的偏转角， 且
为第一光楔8的等效折射率，
为第一光楔8的入射角,
为第一光楔8的偏摆角。
设通过第二光楔9的出射光束矢量为
为光束通过第一光楔8后与X轴正向的夹角，为光束通过第一光楔8后在YOZ平面内的投影和Z轴正向的夹角，第二光楔9的入射光也可表示为
根据坐标变换得经过第二光楔9的出射光矢量为：
则垂直张角
水平张角
根据上述分析，设第一光楔8的偏摆角
，第二光楔9的偏摆角,光楔楔角
，光楔折射率
；由以上理论可以得出光楔的垂直张角
的变化范围为36083
～36775
，即垂直张角为692
；光楔的水平张角范围为36130
～36448
，即水平张角为318
。
根据
，
及
，
，可以得出两个光楔光束偏转角度对光楔偏摆角的变化率
和
的变化范围分别为3.2×10-3~8.7×10-3rad/rad，1.0×10-3~6.3×10-3rad/rad。
由上可知，通过正交偏摆双光楔偏摆可以实现光楔偏摆角与光束偏摆角百倍数量级的减速比，因此，采用一般的方法控制光楔的偏摆就可实现光束的精确偏转，进而精确捕获到目标微粒。
参见图4，此为单个光楔总体结构示意图，第一光楔8装在镜框22上，镜框装在偏摆轴上，镜框外为支架19，光楔的偏摆由电机18驱动，偏摆角度由编码器21控制及读数头20读出；另一个光楔具有相同的结构，与其正交放置。
参见图5，此为光镊技术在细胞融合这一生命技术领域的应用，目标细胞在光镊的捕获及移动下，跟随光束移动，在结合相关技术实现了细胞的融合；
参见图5，A图待移动的目标微粒1与静止微粒2有一定的距离，在光阱的作用下，微粒1开始随光束向上移动，直至二者接触（B图），在结合其他激光技术即可实现微粒的融合（D图）。
综上：本发明提出了利用偏摆双光楔实现对微粒的精确跟踪及移动的技术，此发明的理论基础是光镊形成对微粒的光学势阱，以及偏摆双光楔可以实现光束的偏转并使光楔机械转角与光束偏离角存在百倍数量级减速比，从而最终实现对微粒的跟踪捕获及精确移动，此发明可应用于生命医学及转基因等科学领域。
Claims (3)
1.一种光镊操作仪，包括激光源(3)、凸透镜(4)、第二凸透镜(5)、平面第一反射镜(6)、双色分光镜(7)、第一光楔(8)、第二光楔(9)、聚焦物镜(10)、样品台(11)、样品池(12)、照明光源(13)、第二反射镜(14)、CCD摄像机(15)、主机(16)和显示器(17)，其特征在于：
第一凸透镜(4)和第二凸透镜(5)组成光束耦合器，用于光束的扩充及整形；第一光楔(8)和第二光楔(9)采用正交放置，构成偏摆双光楔；
激光源(3)的出光口对准光束耦合器的入光口，光束耦合器的出光口对准平面第一反射镜(6)的入光口，平面第一反射镜(6)的出光口对准双色分光镜(7)；双色分光镜(7)与聚焦物镜(10)之间设有偏摆动双光楔；聚焦物镜(10)的入光口对准样品池(12)中捕获目标微粒，第二反射镜(14)的出光口对准CCD摄像机(15)，CCD摄像机(15)连接主机(16)；光束由激光源(3)发出，经由光束耦合器扩束整形之后，再经平面第一反射镜(6)、双色分光镜(7)、偏摆双光楔及聚焦物镜(10)会聚照射到样品池(12)中捕获目标微粒，通过电机驱动第一光楔(8)、第二光楔(9)分别绕Y轴和X轴正交偏摆，所述偏摆角度可通过角度传感器测出并控制，从而控制光束的偏转，进而实现目标微粒的移动；通过CCD摄像机(15)及显示器(17)可直观的了解微粒的捕获及移动过程。
2.根据权利要求1所述的光镊操作仪，其特征在于第一光楔(8)和第二光楔(9)的楔角相同或不相同均可。
3.根据权利要求1所述的光镊操作仪，其特征在于第一光楔(8)和第二光楔(9)分别绕两个垂直布置的正交轴独立偏摆，双光楔偏转可实现微粒在与XOY面平行的平面内移动，再结合在光轴上移动第一凸透镜(4)和第二凸透镜(5)中的一个或在平行于Z轴方向上调节聚焦物镜，可以实现微粒的Z方向的移动，从而实现微粒在三维空间内的移动；第一光楔(8)和第二光楔(9)的相对位置为下述方式中任一种：
（1）第一光楔(8)主截面与XOZ面平行，厚端朝X轴正向，薄端朝X轴负向，绕与OY平行的水平轴偏摆；第二光楔(9)主截面与YOZ面平行，厚端朝Y轴负向，薄端朝Y轴正向，绕与OX平行的垂直轴偏摆；
（2）第一光楔(8)主截面与XOZ面平行，厚端朝X轴正向，薄端朝X轴负向，绕与OY平行的水平轴偏摆；第二光楔(9)主截面与YOZ面平行，厚端朝Y轴正向，薄端朝Y轴负向，绕与OX平行的垂直轴偏摆；
（3）第一光楔(8)主截面与XOZ面平行，厚端朝X轴负向，薄端朝X轴正向，绕与OY平行的水平轴偏摆；第二光楔(9)主截面与YOZ面平行，厚端朝Y轴负向，薄端朝Y轴正向，绕与OX平行的垂直轴偏摆；
（4）第一光楔(8)主截面与XOZ面平行，厚端朝X轴负向，薄端朝X轴正向，绕与OY平行的水平轴偏摆；第二光楔(9)主截面与YOZ面平行，厚端朝Y轴正向，薄端朝Y轴负向，绕与OX平行的垂直轴偏摆；
（5）第二光楔(9)主截面与XOZ面平行，厚端朝X轴正向，薄端朝X轴负向，绕与OY平行的水平轴偏摆；第一光楔(8)主截面与YOZ面平行，厚端朝Y轴负向，薄端朝Y轴正向，绕与OX平行的垂直轴偏摆；
（6）第二光楔(9)主截面与XOZ面平行，厚端朝X轴正向，薄端朝X轴负向，绕与OY平行的水平轴偏摆；第一光楔(8)主截面与YOZ面平行，厚端朝Y轴正向，薄端朝Y轴负向，绕与OX平行的垂直轴偏摆；
（7）第二光楔(9)主截面与XOZ面平行，厚端朝X轴负向，薄端朝X轴正向，绕与OY平行的水平轴偏摆；第一光楔(8)主截面与YOZ面平行，厚端朝Y轴负向，薄端朝Y轴正向，绕与OX平行的垂直轴偏摆；
（8）第二光楔(9)主截面与XOZ面平行，厚端朝X轴负向，薄端朝X轴正向，绕与OY平行的水平轴偏摆；第一光楔(8)主截面与YOZ面平行，厚端朝Y轴正向，薄端朝Y轴负向，绕与OX平行的垂直轴偏摆。
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