CN104793329A - 一种飞秒激光旋转操控光镊的装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种飞秒激光旋转操控光镊的装置及方法，涉及光学操控光镊技术领域。目的在于能够对操作对象实现高精度、非接触、无损伤的旋转操控。飞秒激光器输出的种子光经过光阑、衰减片、全反射平面镜和涡旋光栅后分为一级衍射光和零级光束，一级衍射光和零级光束经两路全反射平面镜反射后通过分束器同轴叠加获得携带涡旋信息的光束，该光束经反射镜反射进入显微镜中，使其光轴与显微镜成像光路的光轴完全重合，在显微镜中，飞秒脉冲旋转臂与显微镜成像光路逆向传播，经高倍物镜紧聚焦，会聚成半径小于1微米的光斑，形成光学势阱，将目标微粒移至光学势阱中，实现对目标微粒的稳定捕获和旋转操纵。本发明适用于对粒子、细胞的稳定捕获以及旋转操控。

Description

一种飞秒激光旋转操控光镊的装置及方法

技术领域

本发明涉及光学操控光镊技术领域。

背景技术

自光镊技术出现后，光镊由于具有非接触、无损伤操纵微纳尺度粒子的特性，因此被广泛地应用于生命科学、医学、物理、材料和纳米科学，被认为是最理想的单分子、单细胞、微粒、微纳器件操作技术。

光镊技术多采用连续激光和长脉冲激光，与连续激光和长脉冲激光相比，飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度、极高的峰值功率和时间和空间分辨率，并可以高精度地控制作用能量。2001年天津大学提出了飞秒激光光镊的概念，与连续光光镊相比较，飞秒光镊中作用在粒子上的光学梯度力是脉冲式的。飞秒激光脉冲所产生的横向光学力和轴向光学力能抵消由于布朗运动引起的微粒中心偏移的影响，可实现对微粒的稳定束缚。目前以高重复率飞秒激光为光源可以对血红细胞、白细胞、病毒、聚苯乙烯微球等实现稳定捕获，如专利ZL200420085210.7。目前光镊技术的操控对象广泛，从透明的电介质小球、细胞、到不透明的材料如金属微粒均可以实现直接操控，如专利ZL 200610078632.5。高斯光束是传统的光镊光源，高斯光束聚焦后形成的光阱的最佳工作区域在光束焦点附近，近年来许多学者在不断的探索使用各种各样的激光光源、设计不同的光路以实现对多种微粒和细胞的光学操控，但是多数技术都局限于对微粒的捕获和定向移动，限制了应用范围；同时，传统的光镊技术是通过提高入射激光功率来提高光镊的捕获力，捕获力提高的同时会对样品造成无法挽回的热损伤。

发明内容

本发明提出了一种飞秒激光旋转操控光镊的装置及方法，目的在于能够对操作对象实现高精度、非接触、无损伤的旋转操控。

一种飞秒激光旋转操控光镊的装置包括飞秒脉冲激光器、光阑、衰减片、第一800nm全反射平面镜、涡旋光栅、第二800nm全反射平面镜、第三800nm全反射平面镜、第四800nm全反射平面镜、分束器、第五800nm全反射平面镜、显微镜和载物台，

所述飞秒脉冲激光器发射的脉冲激光经光阑入射至衰减片，衰减片对脉冲激光进行光强衰减后将脉冲激光入射至第一800nm全反射平面镜，第一800nm全反射平面镜将脉冲激光全反射至涡旋光栅5，

涡旋光栅将脉冲激光分为一级衍射光和零级光束，

一级衍射光经第二800nm全反射平面镜和第三800nm全反射平面镜全反射至分束器，

零级光束经经第四800nm全反射平面镜8全反射至分束器，

一级衍射光和零级光束经分束器合束为干涉激光，

干涉激光经第五800nm全反射平面镜反射至显微镜的物镜，且干涉激光的光轴与显微镜的成像光路的光轴重合，干涉激光经显微镜的物镜入射至载物台上。

一种飞秒激光旋转操控光镊的方法是通过以下方式实现的：

采用掺钛蓝宝石飞秒脉冲激光器产生飞秒脉冲激光，该脉冲激光经光阑后入射至衰减片进行光强衰减，光强衰减后的脉冲激光经800nm全反射平面镜全反射后入射至涡旋光栅，涡旋光栅将该脉冲激光分为一级衍射光和零级光束，一级衍射光和零级光束分别经两路800nm全反射平面镜全反射至分束器，分束器将一级衍射光和零级光束进行合束，组成干涉光路，从分束器出射的光束形成旋转臂，该干涉光路通过显微镜入射至载物台上，在显微镜中，飞秒脉冲旋转臂与显微镜成像光路逆向传播，经高倍的物镜紧聚焦，会聚成半径小于1微米的光斑，形成光学势阱，从而实现旋转操控光镊。

有益效果：本发明所提出的飞秒激光旋转操控光镊装置及方法是以飞秒激光显微操作为核心，将飞秒激光器输出的种子光经过光阑、衰减片、全反射平面镜和涡旋光栅后分为一级衍射光和零级光束，所述一级衍射光为涡旋飞秒激光束，一级衍射光和零级光束经两路全反射平面镜反射后通过分束器同轴叠加获得携带涡旋信息的光束，该光束经反射镜反射进入显微镜中，使其光轴与显微镜成像光路的光轴完全重合，在显微镜中，飞秒脉冲旋转臂与显微镜成像光路逆向传播，经高倍物镜紧聚焦，会聚成半径小于1微米的光斑，形成光学势阱，将目标微粒移至光学势阱中，实现对目标微粒的稳定捕获和旋转操纵，高重复率飞秒激光对粒子、细胞的稳定捕获以及旋转操控，对粒子的性质没有要求。能够更好的实现高精度、非接触、无损伤操控，为微机械马达等微纳器件操作的集成提供可能，可以广泛应用于微控制和生命领域。。

附图说明

图1为本发明所述的飞秒激光旋转操控光镊装置的结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式所述的一种飞秒激光旋转操控光镊的装置包括飞秒脉冲激光器1、光阑2、衰减片3、第一800nm全反射平面镜4、涡旋光栅5、第二800nm全反射平面镜6、第三800nm全反射平面镜7、第四800nm全反射平面镜8、分束器10、第五800nm全反射平面镜11、显微镜12和载物台13，

所述飞秒脉冲激光器1发射的脉冲激光经光阑2入射至衰减片3，衰减片3对脉冲激光进行光强衰减后将脉冲激光入射至第一800nm全反射平面镜4，第一800nm全反射平面镜4将脉冲激光全反射至涡旋光栅5，

涡旋光栅5将脉冲激光分为一级衍射光和零级光束，

一级衍射光经第二800nm全反射平面镜6和第三800nm全反射平面镜7全反射至分束器10，

零级光束经经第四800nm全反射平面镜8全反射至分束器10，

一级衍射光和零级光束经分束器10合束为干涉激光，

干涉光经第五800nm全反射平面镜11入射至显微镜12的物镜，且干涉激光的光轴与显微镜的成像光路的光轴重合，干涉激光经显微镜12的物镜入射至载物台13上。

本实施方式所述的飞秒激光旋转操控光镊装置是以飞秒激光显微操作为核心，将飞秒激光器输出的种子光经过光阑2、衰减片3、全反射平面镜和涡旋光栅后分为一级衍射光和零级光束，所述一级衍射光为涡旋飞秒激光束，一级衍射光和零级光束经两路全反射平面镜反射后通过分束器同轴叠加获得携带涡旋信息的光束，该光束经反射镜反射进入显微镜中，使其光轴与显微镜成像光路的光轴完全重合，在显微镜中，飞秒脉冲旋转臂与显微镜成像光路逆向传播，经高倍物镜紧聚焦，会聚成半径小于1微米的光斑，形成光学势阱，将目标微粒移至光学势阱中，实现对目标微粒的稳定捕获和旋转操纵。

本实施方式中，通过涡旋光栅产生携带有涡旋信息的光束，由于涡旋光束具有独特的光强分布，捕获光具有高于高斯捕获光束的轴向捕获能力。相对于使用高斯光束光镊，涡旋光束的施工可以在较小的入射激光功率调节下能够达到与高斯光束同样的轴向捕获力，能够更好的避免对被操控对象造成的热损伤。

涡旋光束光场分布不均匀通常携带轨道角动量，与普通高斯型激光光镊技术相比，携带轨道角动量的光束能够稳定捕获并旋转操控粒子，本方法和装置提出的将涡旋光束和平面光波通过干涉的方法获得的螺旋臂可以选择操控粒子，并且对粒子的性质没有要求，为微机械马达等微纳器件操作的集成提供可能。易于实现高精度、非接触、无损伤操控，因而特别适合于生命科学领域研究。

具体实施方式二、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种飞秒激光旋转操控光镊的装置的区别在于，所述飞秒脉冲激光器1为掺钛蓝宝石飞秒激光器，发射的脉冲激光重复频率大于70兆赫兹，脉冲宽度为120飞秒。

本实施方式中采用飞秒激光作为光镊装置的光源，由于飞秒激光具有高时间及空间分辨特性，为提高光镊的捕获力提供了保障。飞秒激光技术结合时间分辨光谱技术，还可进行对生物体超快生物过程研究、双光子荧光动力学等研究。飞秒激光的高时间及空间分辨特性还可以实现对细胞无创局部改性操作。

具体实施方式三、本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种飞秒激光旋转操控光镊的装置的区别在于，所述载物台13为三维微位移平台。

本实施方式所述的载物台13通过三维线性激励源高精度控制，控制精度为50nm。

具体实施方式四、结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一至三任一项所述的一种飞秒激光旋转操控光镊的装置的区别在于，它还包括CCD探测器16，所述CCD探测器16用于将第五800nm全反射平面镜11和显微镜12之间的光束的光学影像转换为数字信号并显示。

本实施方式中增加了CCD探测器16，能够对干涉光路进行实时监测，并可观察到光镊操控微粒的全过程。

具体实施方式五、结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式四所述的一种飞秒激光旋转操控光镊的装置的区别在于，它还包括上位机，所述上位机15包括：

用于接收CCD探测器16发送的光路探测信号的探测信号接收模块；

用于将光路探测信号转换为数据信息和波形图的信号转换模块；

用于对数据信息和波形图进行显示的显示模块。

本实施方式中，通过上位机15能够将CCD探测器16所探测的信号实时并完整的显示出来，使技术人员能够清晰地了解光路情况。

具体实施方式六、本具体实施方式与具体实施方式五所述的一种飞秒激光旋转操控光镊的装置的区别在于，所述上位机15还包括用于控制载物台13进行三维移动的载物台控制模块。

本实施方式中，通过上位机15控制载物台13进行三维移动，使技术人员在对光路情况进行观察的同时通过上位机15调整载物台13的位置，能够更加准确的进行观察。

具体实施方式七、结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种飞秒激光旋转操控光镊的装置的区别在于，它还包括照明电路，所述照明电路包括电源19、开关20和照明灯18，电源19、开关20和照明灯18依次连接构成回路，照明灯18位于载物台13的正下方。

具体实施方式八、结合图1说明本具体实施方式，本具体实施方式与具体实施方式一所述的一种飞秒激光旋转操控光镊的装置的区别在于，它还包括玻璃片9，所述玻璃片9可以放置在一级衍射光或零级光束中的一束光路中，用于改变光路的长度，旋转臂将围绕光轴旋转。

本实施方式中增加了照明电路，技术人员在通过目镜对载物台13上的目标微粒进行观察时，使载物台13上的光线更加明亮，使观察的结果更加可靠。

具体实施方式九、本具体实施方式所述的一种飞秒激光旋转操控光镊方法是通过以下方式实现的：

采用掺钛蓝宝石飞秒脉冲激光器产生飞秒脉冲激光，该脉冲激光经光阑后入射至衰减片进行光强衰减，光强衰减后的脉冲激光经800nm全反射平面镜全反射后入射至涡旋光栅，涡旋光栅将该脉冲激光分为一级衍射光和零级光束，一级衍射光和零级光束分别经两路800nm全反射平面镜全反射至分束器，分束器将一级衍射光和零级光束进行合束，组成干涉光路，从分束器出射的光束形成旋转臂，该干涉光路通过显微镜入射至载物台上，在显微镜中，飞秒脉冲旋转臂与显微镜成像光路逆向传播，经高倍的物镜紧聚焦，会聚成半径小于1微米的光斑，形成光学势阱，从而实现旋转操控光镊。

本实施方式所述的飞秒激光旋转操控光镊方法能够实现高重复率飞秒激光对粒子、细胞的稳定捕获以及旋转操控，对粒子的性质没有要求。能够更好的实现高精度、非接触、无损伤操控，为微机械马达等微纳器件操作的集成提供可能，可以广泛应用于微控制和生命领域。

Claims (8)

1.一种飞秒激光旋转操控光镊的装置，其特征在于，它包括飞秒脉冲激光器(1)、光阑(2)、衰减片(3)、第一800nm全反射平面镜(4)、涡旋光栅(5)、第二800nm全反射平面镜(6)、第三800nm全反射平面镜(7)、第四800nm全反射平面镜(8)、分束器(10)、第五800nm全反射平面镜(11)、显微镜(12)和载物台(13)，

所述飞秒脉冲激光器(1)发射的脉冲激光经光阑(2)入射至衰减片(3)，衰减片(3)对脉冲激光进行光强衰减后将脉冲激光入射至第一800nm全反射平面镜(4)，第一800nm全反射平面镜(4)将脉冲激光全反射至涡旋光栅(5)，

涡旋光栅(5)将脉冲激光分为一级衍射光和零级光束，

一级衍射光经第二800nm全反射平面镜(6)和第三800nm全反射平面镜(7)全反射至分束器(10)，

零级光束经经第四800nm全反射平面镜(8)全反射至分束器(10)，

一级衍射光和零级光束经分束器(10)合束为干涉激光并形成旋转臂，

干涉激光经第五800nm全反射平面镜(11)反射至显微镜(12)的物镜，且干涉激光的光轴与显微镜的成像光路的光轴重合，干涉激光经显微镜(12)的物镜入射至载物台(13)上。

2.根据权利要求1所述的一种飞秒激光旋转操控光镊的装置，其特征在于，所述飞秒脉冲激光器(1)为掺钛蓝宝石飞秒激光器，发射的脉冲激光重复频率大于70兆赫兹，脉冲宽度为120飞秒。

3.根据权利要求1所述的一种飞秒激光旋转操控光镊的装置，其特征在于，所述载物台(13)为三维微位移平台。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种飞秒激光旋转操控光镊的装置，其特征在于，它还包括CCD探测器(16)，所述CCD探测器(16)用于将第五800nm全反射平面镜(11)和显微镜(12)之间的光束的光学影像转换为数字信号并显示。

5.根据权利要求4所述的一种飞秒激光旋转操控光镊的装置，其特征在于，它还包括上位机，所述上位机(15)包括：

用于接收CCD探测器(16)发送的光路探测信号的探测信号接收模块；

用于将光路探测信号转换为数据信息和波形图的信号转换模块；

用于对数据信息和波形图进行显示的显示模块。

6.根据权利要求5所述的一种飞秒激光旋转操控光镊的装置，其特征在于，所述上位机(15)还包括用于控制载物台(13)进行三维移动的载物台控制模块。

7.根据权利要求1所述的一种飞秒激光旋转操控光镊的装置，其特征在于，它还包括照明电路，所述照明电路包括电源(19)、开关(20)和照明灯(18)，电源(19)、开关(20)和照明灯(18)依次连接构成回路，照明灯(18)位于载物台(13)的正下方。

8.一种飞秒激光旋转操控光镊方法，其特征在于，它是通过以下方式实现的：

采用掺钛蓝宝石飞秒脉冲激光器产生飞秒脉冲激光，该脉冲激光经光阑后入射至衰减片进行光强衰减，光强衰减后的脉冲激光经800nm全反射平面镜全反射后入射至涡旋光栅，涡旋光栅将该脉冲激光分为一级衍射光和零级光束，一级衍射光和零级光束分别经两路800nm全反射平面镜全反射至分束器，分束器将一级衍射光和零级光束进行合束，组成干涉光路，从分束器出射的光束形成旋转臂，该干涉光路通过显微镜入射至载物台上，在显微镜中，飞秒脉冲旋转臂与显微镜成像光路逆向传播，经高倍的物镜紧聚焦，会聚成半径小于1微米的光斑，形成光学势阱，从而实现旋转操控光镊。