CN105629454B - 一种基于空间光调制器的双光束光镊系统 - Google Patents

一种基于空间光调制器的双光束光镊系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于空间光调制器的双光束光镊系统，包括按照光路依次设置的激光器、第一望远镜系统、用于调整接收的光束中水平偏振光和垂直偏振光的比例半波片、用将接收的光束反射至空间光调制器上对应的一个调制区域第一反射镜、加载有不同相位图信息的两个调制区域空间光调制器、四分之一波片、聚焦透镜、第二反射镜、第二望远镜系统、物镜和样品台；所述光束经一次相位调制后经过所述四分之一波片、会聚透镜后被第二反射镜反射，再次通过会聚透镜、四分之一波片后，到达空间光调制器的另外一个对应的调制区域，然后依次经过第二望远镜系统、物镜到达所述样品台。本发明大大拓展了光镊的应用范围，提高了实验精度。

Description

一种基于空间光调制器的双光束光镊系统
技术领域
本发明涉及光学仪器领域、微纳操作领域和分子生物学领域，具体涉及一种基于空间光调制器的双光束光镊系统。
背景技术
聚焦光束中，光束的梯度力和散射力会相互作用形成一个光势阱，当梯度力大于散射力的时候，这个梯度力势阱可以稳定的束缚米氏散射和瑞利散射范围的粒子，即光镊。为了产生足够的梯度力，通常采用大数值孔径的光学显微物镜将能量较高的激光束聚焦。为了消除光镊的系统噪声以及信号漂移，大多数光镊系统采用双光镊的设计来屏蔽环境噪音和布朗运动。采用差分探测的方法，隔离掉两个光镊的共同噪声，提高系统的稳定性。由于双光束光镊可以实现无接触的操控，同时有较高的稳定性，因此在分子生物学、化学以及微纳加工等领域有着广泛的应用前景。
现有的双光束光镊，大多采用机械结构实现双光束的操控。在第83期的《Reviewof Scientific Instruments》中，美国耶鲁大学的Yongli Zhang教授等人发表了《Combined versatile high-resolution optical tweezers and single-moleculefluorescence microscopy》的文章。虽然文章中采用一对扫描振镜和一对偏振分束镜的组合实现了双光束的操控，但这种结构利用扫描振镜的旋转实现光束的移动，会引入机械振动并且定位精度和速度都不高，无法实现高精度的操控。引入空间光调制器取代扫描振镜，实现光束的操控可以有效解决上述问题。在凌林等人的专利文献《三维光镊系统，公开号为CN102023379A》中利用空间光调制器，通过对激光波前的调制，实现了三维分布的光势阱。然而该系统存在以下缺陷：首先，虽然该系统通过光栅可以形成多个光势阱，但这种方法并不能调节单个光势阱的相对强度。这导致该结构的多光束光镊在某一时刻只能操控同一尺寸、同一折射率的微纳结构，大大限制了多光束光镊的应用范围；其次，这种结构的光镊利用空间光调制器只能对所有的光束进行相同的相位编码，无法对单个光束进行独立的调制；最后，采用光栅实现多光束的这种结构，由于每一个光束都来自相同的光源，实验过程中容易产生干涉现象，会影响最终的光势阱位置和相对强度，干扰实验精度。
发明内容
本发明针对之前空间光调制器应该在多光束光镊中无法对单个光束进行操控、精度较低、灵活性较差、没有通用性等诸多问题，提出了一种新型的基于空间光调职器的双光束光镊系统。该结构较为简单、紧凑，结合半玻片和空间光调制器可以实现双光束光镊中单个光束的波前编码和强度调制。
本发明可以利用单个激光光源，实现两个不同的光势阱，即光镊。此外，通过简单的增加器件，可以将双光束光镊拓展为多光束光镊，实现多光束光镊中每一个光镊的单独操控，大大提高多光束光镊的应用范围。
一种基于空间光调制器的双光束光镊，包括按照光路依次设置的激光器、第一望远镜系统、半波片、第一反射镜、空间光调制器、四分之一波片、聚焦透镜、第二反射镜、第二望远镜系统、物镜和样品台；
所述半波片用于调整接收的光束中水平偏振光和垂直偏振光的比例；
所述空间光调制器上设有加载有不同相位图信息的两个调制区域；
所述第一反射镜用将接收的光束反射至空间光调制器上对应的一个调制区域，实现一次相位调制；
所述光束经一次相位调制后经过所述四分之一波片、会聚透镜后被第二反射镜反射，再次通过会聚透镜、四分之一波片后，到达空间光调制器的另外一个对应的调制区域，然后依次经过第二望远镜系统、物镜到达所述样品台。
作为优选，所述激光器、第一望远镜系统之间设有光隔离器。本技术方案中，所述光隔离器能够使得激光器输出的激光只能单向通过，避免望远镜系统的反射光或散射光对激光器的影响。
作为优选，第一望远镜系统、第二望远镜系统均包括两个凸面向背设置且共焦的凸透镜。本发明中，所述第一望远镜系统扩束后激光束直径变大，发散角较小，在垂直于光轴方向的横截面内光强分布更均匀，更接近于平行光，有利于光束会聚形成更小的光斑。第二望远镜系统同样也会起到扩束准直的作用。
作为优选，所述激光器为红外波段激光器，平均输出功率为400mW或400mW以上。采用该技术方案，可以保证双光势阱在工作过程中，形成足够大的捕获力。作为进一步优选，所述激光器输出激光波长为1064纳米，平均输出功率为500mW，可以满足生物样品的测试。
本发明中激光出射光束为偏振光，是水平偏振光和垂直偏振光的混合。通过旋转半波片可以调整水平偏振光和垂直偏振光的相对比例。作为优选，所述半波片可绕光轴旋转。可根据需要调整半波片的旋转角度。
作为优选，所述空间光调制器调制波长范围为500纳米到1800纳米。
本发明中，所述空间光调制器用于对输入光束的相位、波前进行调制，从而对单光束进行分束，并且使得分束后的光携载不同的相位信息。空间光调制器只对水平偏振光敏感，只会调节入射光束中水平偏振光的波前。所以，通过利用第一反射镜将光束反射至空间光调制器其中一个对应的相位图区域，首先完成对半波片输出的水平偏振光进行相位调整；使得水平偏振光的传输方向与垂直偏振光的传输有微小的倾斜角度，可以在最终的样品表面形成两个分离的光势阱。从空间光调制器出射的光束经过两次四分之一波片，产生了半波的相位延迟，原来的水平偏振光的偏振方向变为垂直偏振方向，不会被空间光调制器上相位图形的影响；原来的垂直偏振光的偏振方向变为水平偏振方向，被空间光调制器另外一个对应的相位图形所作用，完成最终的光束调制。
相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：
1、利用本发明的双光束光镊可以实现对单个光势阱的相对强度的调制，使得不同的光势阱可以捕获不同材料、不同尺寸的微粒；
2、利用本发明的双光束光镊可以实现对单个光势阱的相位调控，从而使得不同的光势阱形成不同形状的聚焦光斑，进而捕获不同折射率的微球；
3、本发明通过水平偏振和垂直偏振两束光形成光势阱，避免采用光栅实现多光束时产生的干涉现象。
因此，该技术方案与原有技术相比，能够拓展光镊的应用范围，提高实验精度。
附图说明
图1本发明的一个实施例的光路图；
其中：1、激光器；2、光隔离器；3、第一望远镜系统；4、半波片；5、空间光调制器；6、第一反射镜；7、四分之一波片；8、聚透镜；9、第二反射镜；10、第二望远镜系统；11、显微物镜；12、样品台；
图2为实施例中空间光调制器左侧和右侧的相位示意图，可以在左侧和右侧分别施加不同的相位；
图3为实施例中空间光调制器左侧相位图的截面图；
图4为实施例中被空间光调制器右侧的相位图；
图5为实施例在物镜的后焦面上形成空心聚焦光斑。
具体实施方式
下面结合附图说明本发明，但本发明并不限于此。
如图1所示是本发明一个实施例的双光束的光路图。该实施例的双光束光镊系统包括：激光器1，光隔离器2，第一远镜系统3，半波片4，空间光调制器5，第一反射镜6、，四分之一波片7，会聚透镜8，第二反射镜9，第二望远镜系统10，显微物镜11，样品台12。
其中，激光器1为1064纳米大功率连续激光器，平均输出功率为500mW，可以保证双光势阱在工作过程中，形成足够大的捕获力。本实施例中可选用Coherent公司的Compass1064-4000M激光器。
激光器1出射的激光需经过光隔离器2，避免第一望远镜系统3的反射光或散射光对激光器1的影响。本实施例中可选用Isowave公司的I-106-2-FR型光隔离器。
通过光隔离器2的激光经过第一望远镜系统3扩束，扩束后的激光经过一个半波片4。扩束后激光束直径变大，发散角较小，在垂直于光轴方向的横截面内光强分布更均匀，更接近于平行光，有利于光束会聚形成更小的光斑。第一望远镜系统3、第二望远镜系统10均由两块共焦的凸透镜组成，两个凸透镜凸面向背设置。半波片4可以绕光轴旋转，用于旋转入射激光的偏振方向，调整光束中水平偏振光和垂直偏振光的相对分量。
空间光调制器5左右两侧分别加载有不同的相位图信息。通过半波片4之后光束被第一反射镜6反射到空间光调制器5的左侧部分，如图2所示，被空间光调制器5左侧的相位图编码。之后光束通过四分之一波片7、会聚透镜8后被第二反射镜9反射。反射后的光束依次通过会聚透镜8、四分之一波片7后，到达空间光调制器5的右侧，如图2所示，被空间光调制器5右侧的相位图编码。被两次编码后的光束通过第二望远镜系统10、经过显微物镜11，将空间光调制器5左侧和右侧的图形成像到显微物镜11的后焦面上。光束的垂直偏振分量和水平偏振分量的波前分别被空间光调制器左侧和右侧的相位图调制，会在显微物镜11的后焦面上形成两个光势阱，对样品台12上的微粒进行捕获、操控。
空间光调制器左侧和右侧的相位图需要经过事先计算，从而实现对垂直偏振分量和水平偏振分量的分别调制。可以根据“Eric R.Dufresne1,Gabriel C.Spalding,MatthewT.Dearing,Steven A.Sheets and David G.Grier,Computer-generated holographicoptical tweezer arrays,Review of Scientific Instruments Volume 72,Number 3,March 2001”以及参考文献“Jennifer E.Curtis,Brian A.Koss,David G.Grier,OpticsCommunications 207(2002)169-175”中对相位图的计算方法进行计算。
本实施例中，空间光调制器5可选用滨松公司的X10468-08型号的LCOS-SLM空间光调制器，调制波长范围620纳米到1550纳米。该空间光调制器只改变光的相位，相位调制随着液晶的排列方式而变化。通过CMOS背板和PC输出的DVI信号，液晶的排列的控制精度可以达到单像素。
本实施例中显微物镜11可以选用蔡司公司的420792-9900-000的浸油物镜，数值孔径为1.4，放大倍率为100倍。
实施例
下面结合实施例来对本发明所提出的双光束光镊系统进行进一步说明，但本发明并不限于此。
波长为1064纳米的激光光束从激光器1出射，进入到光隔离器2中。光隔离器2只允许激光沿光轴正方向，即图1中箭头所指方向单向通过，出射光束直径为2毫米。
经过光隔离器2后的光束入射到第一望远镜系统3。第一望远镜系统3会将光束准直、扩束，减小光束的发散角，使得光能在垂直于光轴的截面分布更加均匀。本实施例中第一望远系统放大倍率为2.5倍。经过扩束准直后的激光光束直径为5毫米。
激光出射光束为偏振光，是水平偏振光和垂直偏振光的混合。通过旋转半波片4可以调整水平偏振光和垂直偏振光的相对比例，从而调节最终两个光势阱的相对强度。本实施例中水平偏振光和垂直偏振光的强度比例为70％:30％。调整后的光束经过第一反射镜6入射到空间光调制器5的左侧。
由于空间光调制器5只对水平偏振光敏感，只会调节入射光束中水平偏振光的波前。空间光调制器左侧相位图为0～π连续线性变化的相位，如图3所示为空间光调制器左侧相位图的截面图。该相位只会作用在水平偏振光上，改变占据总能量70％的水平偏振光的波前，使得水平偏振光的传输方向与垂直偏振光的传输有微小(<0.34度)的倾斜角度，可以在最终的样品表面形成两个分离的光势阱。
从空间光调制器5左侧出射的光束经过四分之一波片7被会聚透镜8会聚在第二反射镜9表面。光束随后被第二反射镜9反射，再一次通过会聚透镜8和四分之一波片7，出射在空间光调制器5的右侧。
由于光束经过了两次四分之一波片，因此水平偏振光和垂直偏振光的都产生了半波的相位延迟，即π/2的相位延迟。在这种情况下，原来占总能量70％的水平偏振光的偏振方向变为垂直偏振方向，不会被空间光调制器右侧相位图形所影响。而占总能量30％的垂直偏振光的偏振方向变为水平偏振方向，被空间光调制器右侧的相位图形所作用。相位图形如图4所示，为0～2π涡旋相位，因此占总能量30％的光束将会在物镜11的后焦面上形成如图5所示的空心聚焦光斑，具体理论计算可参考文献“B.Richards,and E.Wolf,"Electromagnetic Diffraction in Optical Systems.2.Structure of the Image Fieldin an Aplanatic System,"Proc R Soc Lon Ser-A 253,358-379(1959)”。空心聚焦光斑的光势阱可以捕获折射率比周围介质低的粒子。
分别经过空间光调制器左侧和右侧调制后的光束经过放大倍率为1的第二望远镜系统10，之后光束直径仍为5毫米，大于显微物镜11的入瞳直径(4.65毫米)。最终成像在显微物镜11的后焦面上，形成一个实心、一个空心，并且相互分离的聚焦光斑，从而捕获样品台12上的微粒。
通过调整半波片4，可以调节水平偏振光和垂直偏振光的相对强度，从而获得相对强度不同的双光势阱。而通过调整空间光调制器5左侧和右侧的相位图，可以对水平偏振光和垂直偏振光进行分别的波前调制，不仅可以改变它们的传输方向，还可以获得不同形状的聚焦光斑，捕获不同折射率的粒子。
最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于空间光调制器的双光束光镊系统，其特征在于：包括按照光路依次设置的激光器、第一望远镜系统、半波片、第一反射镜、空间光调制器、四分之一波片、会聚透镜、第二反射镜、第二望远镜系统、物镜和样品台；
所述半波片用于调整接收的光束中水平偏振光和垂直偏振光的比例；
所述空间光调制器上设有加载有不同相位图信息的两个调制区域；
所述第一反射镜将接收的光束反射至空间光调制器上对应的一个调制区域，实现一次相位调制；
所述光束经一次相位调制后经过所述四分之一波片、会聚透镜后被第二反射镜反射，再次通过会聚透镜、四分之一波片后，到达空间光调制器的另外一个对应的调制区域，然后依次经过第二望远镜系统、物镜到达所述样品台。
2.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的双光束光镊系统，其特征在于：所述激光器、第一望远镜系统之间设有光隔离器。
3.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的双光束光镊系统，其特征在于：第一望远镜系统、第二望远镜系统均包括两个凸面相背设置且共焦的凸透镜。
4.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的双光束光镊系统，其特征在于：所述激光器为红外波段激光器。
5.根据权利要求4所述的基于空间光调制器的双光束光镊系统，其特征在于：所述激光器的平均输出功率为400mW以上。
6.根据权利要求5所述的基于空间光调制器的双光束光镊系统，其特征在于：所述激光器输出激光波长为1064纳米，平均输出功率为500mW。
7.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的双光束光镊系统，其特征在于：所述半波片可绕光轴旋转，通过旋转改变接收的光束的方向，调整光束中水平偏振光和垂直偏振光分量的比例。
8.根据权利要求1所述的基于空间光调制器的双光束光镊系统，其特征在于：所述空间光调制器调制波长范围为500纳米到1800纳米。
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