CN106908945B - 一种基于光调制器的双光束光镊 - Google Patents

一种基于光调制器的双光束光镊 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于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、用于调整接收的光束的偏振方向的第一半波片、包括声光调制器模块或电光调制器模块在内的对光束进行分束的光调制器、望远镜系统、显微物镜、样品台；所述光束经过光调制器后，依次通过所述望远镜系统、显微物镜到达样品台；本发明大大拓展了光镊的精度，提高了实验效率。

Description

一种基于光调制器的双光束光镊
技术领域
本发明涉及微纳操作领域、分子生物学领域和声光调制与电光调制的应用，具体涉及一种基于光调制器的双光束光镊系统。
背景技术
通过散射力和辐射压力相互作用形成一种可以捕获光场范围内微粒的光势阱的装置，称为光镊。光镊可以实现对微粒的非接触式操控，不会给操控对象造成机械损伤，这使得光镊在生物学研究特别是单细胞单分子研究领域应用中具有相当的优势。
在朱思伟、步敬等人的专利《一种基于动态光镊的细胞分选表征方法及其系统中，申请号为CN200910071098.9》中采用的光镊为单光束光镊。单光束光镊每次仅能操纵一个微小物质，效率低，且此类光镊系统无法屏蔽环境噪音和探测微粒的布朗运动。在李安虎、兰强强的专利《一种光镊操作仪，公开号为CN103676126A》中，利用偏摆双光楔，从而调节光势阱的二维移动。光镊调节光势阱在样品台生成的位置通过调节两个光楔的旋转角度，旋转由电机控制；为确保调节的准确性，调节光楔的角度与光束的偏离角度存在百倍量级的减速比，因此光镊的扫描速度低，响应速度比较慢，对操作带来的改变无法及时的响应，无法满足高要求的操作。
发明内容
本文提出了一种新型的基于光调制器的双光束光镊系统。该结构较为简单、扫描速度快，结合半波片和光调制器，可以利用单个激光光源，实现两个光势阱，并对光势阱的位置进行操控。
一种基于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、第一半波片、光调制器、望远镜系统、显微物镜、样品台；
所述光调制器包括：声光调制器模块或电光调制器模块，用于对光束进行分束；
所述声光调制模块包括：声光调制器；
所述电光调制模块包括：第一分束镜、第一反射镜、电光调制器、第二反射镜、第三反射镜、第二半波片、偏振分束镜、第二分束镜、第四反射镜；
所述光束经过所述光调制器后，依次通过所述望远镜系统、显微物镜到达样品台；
所述第一半波片用于调整接收的光束的偏振方向。
作为优选，所述激光器、望远镜系统之间设有光隔离器。
作为优选，所述望远镜系统和显微物镜之间设有四分之一波片。
作为优选，望远镜系统包括两个凸面向背设置且共焦的凸透镜。
作为优选，所述激光器为红外波段激光器。
作为优选，所述激光器的平均输出功率为400mW或400mW以上。
作为优选，所述激光器为连续激光器，输出激光波长为1064纳米，平均输出功率为500mW。
作为优选，所述半波片可绕光轴旋转。通过旋转，调整出射光偏振方向为光调制器的敏感方向。
本发明中，所述光调制器将使用光调制器和辅助元件对输入光束的相位进行调制并且达到分束的效果，出射的两束光将用于在样品上形成光镊。
相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：
1、本发明可以通过一束激光形成两个光势阱，避免单光束光镊测试过程中的系统噪声以及信号漂移。
2、利用声光和电光调制器，可以实现很高的响应速度。
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，提高实验精度和效率。
附图说明
图1是本发明的系统结构图，其中：1、激光器；2、光隔离器；3、第一半波片；4、光调制器；5、望远镜系统；6、四分之一波片；7、显微物镜；8、样品台。
图2是电光调制器模块光路图，其中：9、第一分束镜；10、第一反射镜；11、电光调制器；12、第二反射镜；13、第三反射镜；14、第二半波片；15、 偏振分束镜；16、第二分束镜；17、第四反射镜。
图3是声光调制器模块的示意图，包括18、声光调制器。
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所示是本发明的系统结构图。该实施例的双光束光镊系统包括：
1、激光器，2、光隔离器，3、第一半波片，4、光调制器，5、望远镜系统，6、四分之一波片，7、显微物镜，8、样品台。
其中，激光器为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，避免望远系统的反射光或散射光对激光器的影响。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的激光经过第一半波片3。第一半波片3用于旋转入射激光的偏振方向，使得出射光的偏振方向为光调制器调制的敏感方向。
第一半波片3出射光入射到光调制器4中，被光调制器4调制，分成两束光；出射光经过望远镜系统5会聚后，入射四分之一波片6。四分之一波片6用于调整光束的偏振状态，使得出射光束为圆偏振光，使光镊对微粒进行更有效的捕获。
四分之一波片6出射的光束被物镜会聚，在物镜的后焦面上形成两个光势阱，对样品台8上的微粒进行捕获和操控。
本实施例中显微物镜8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。
以下结合附图来对本发明所提出的基于光调制器的双光束光镊系统进行进一步说明。
实施例1
本实施例为采用电光调制器模块的光调制器双光束光镊，其中电光调制器模块如图2所示，它包括：9.第一分束镜、10.第一反射镜、11.电光调制器、12.第二反射镜、13.第三反射镜、14.第二半波片、15.偏振分束镜、16.第二分束镜和17.第四反射镜。
经第一半波片3调节的偏振光入射到电光调制器模块中的第一分束镜9；通过第一分束镜9的入射光束将分成互相垂直的两束光。其中与入射光束方向相同的出射光束将进入至电光调制器11，之后再进入到第二分束镜16；与入射光束方向垂直的出射光束通过第一反射镜10和第四反射镜17反射后，也进入第二分束镜16。
电光调制器11根据输入电压的正负和强度可对光束相位进行-π到π的变化，相位具体计算方法见田芊、廖延彪、孙利群编著的《工程光学》第347、348页(清华大学出版社，2006年出版)。
进入第二分束镜16的光束满足干涉条件，在第二分束镜16的胶合面发生干涉，并分束成两束出射光束。可以通过调节电光调制器11的输入电压，改变第二分束镜上两束入射光的相对位相。根据干涉条件，当位相发生改变时，出射光的振幅(即能量)也发生变化。根据能量守恒条件，在不考虑能量损失的前提下，两束出射光的能量之和应等于入射光能量。因此，当一束干涉光能量增加时，另一束即相当减弱。这样即实现了对这两束出射光束的相对强度的进行调制。
第二分束镜16的两束出射光束中方向与入射到第二分束镜16的光束方向相同的出射光束直接入射至偏振分束镜15中心，不改变方向透射而出；而与方向与入射到第二分束镜16的光束方向相垂直的出射光束由第二反射镜12和第三反射镜13发生两次反射，进而通过第二半波片14旋转光偏振方向90度，再入射到偏振分束镜15内，在偏振分束镜15的胶合面上反射而出。为了让透射和反射的两束光形成一个张角，将偏振分束镜15如图3所示倾斜5度放置。
经由偏振分束镜15出射的两束光，经过望远镜系统5会聚穿过四分之一波片6将最终成像在显微物镜7的后焦面上，形成两个实心，并且相互分离的聚焦光斑，从而捕获样品台上的微粒。
此外通过调整电光调制器11附加在上光束的相位，可以调整偏振分束镜透射光和反射光的相对强度，并可拓展为仅有透射光、没有反射光的情况，实现单光势阱系统。
实施例2
与实施例1不同，电光调整模块可由声光调制器代替，可以使整个光路 更加简单，图3为声光调制器模块的示意图。
经第一半波片3调节的偏振光入射到声光调制器模块中。声光调制器18的声光介质在超声场的作用下，变为一个等效相位光栅，通过声光调制器18的光束将发生衍射生成0级和1级衍射光；衍射光间的夹角为2θB，sinθB＝λ/λS，其中λ是光波波长，λS是声波波长；而0级衍射光强度为I0＝Iicos2[π(Δn)L/λ]，1级衍射光的强度为I0＝Iisin2[π(Δn)L/λ]，其中Ii为入射光的强度，L为声光晶体的厚度，Δn为声光介质中声致折射率的变化，且对于同一频率的声波，声波的强度越大，Δn越小。因此，可以通过增加声音的强度增强0级衍射光强度，并减小1级衍射光强度，从而改变两者的相对强度，使得两束光可以捕获不同折射率的粒子。为保证0级衍射光与入射到声光调制器的光束方向一致，声光调制器18倾斜θB度放置。
声光调制器18的出射光经过望远镜系统5会聚穿过四分之一波片6将最终成像在显微物镜7的后焦面上，形成两个实心，并且相互分离的聚焦光斑，从而捕获样品台8上的微粒。
与实施例1相比声光调制器18无需分束镜即可将光分成两束，且相比于基于电光调制的双光束光镊其结构更为简单。
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)

1.一种基于光调制器的双光束光镊系统，其特征在于：按照光路依次设置的激光器、第一半波片、光调制器、望远镜系统、显微物镜、样品台；
所述光调制器为电光调制器模块，用于对光束进行分束；
所述电光调制器模块包括：第一分束镜、第一反射镜、电光调制器、第二反射镜、第三反射镜、第二半波片、偏振分束镜、第二分束镜、第四反射镜；其中，所述偏振分束镜相对于入射光倾斜5°设置；
所述光束经第一半波片后，进入电光调制器模块，所述光束在电光调制器模块中的光路为：射入第一分束镜，分为相互垂直的两束光；所述第一分束镜分束获得的、与入射光相互垂直的光束，通过第一反射镜、第四反射镜的作用，进入第二分束镜；与入射光同向的光进入电光调制器，再进入第二分束镜，在第二分束镜的作用下再次分为相互垂直的两束光，其中与入射光同向的一束光射至偏振分束镜中心，不改变方向直接透射而出，与入射光垂直的一束光分别经第二反射镜、第三反射镜的两次反射，再通过第二半波片旋转光偏振方向90°，最终射至偏振分束镜内；所述光束经过所述光调制器后，依次通过所述望远镜系统、显微物镜到达样品台；
所述第一半波片用于调整接收的光束的偏振方向。
2.根据权利要求1所述的基于光调制器的双光束光镊系统，其特征在于：所述激光器、望远镜系统之间设有光隔离器。
3.根据权利要求1所述的基于光调制器的双光束光镊系统，其特征在于：所述望远镜系统和显微物镜之间设有四分之一波片。
4.根据权利要求1所述的基于光调制器的双光束光镊系统，其特征在于：望远镜系统包括两个凸面相背设置且共焦的凸透镜。
5.根据权利要求1所述的基于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。
6.根据权利要求5所述的基于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。
7.根据权利要求6所述的基于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。
8.根据权利要求1所述的基于光调制器的双光束光镊系统，其特征在于：所述第一半波片可绕光轴旋转，通过旋转，可调整出射光偏振方向为光调制器调制的敏感方向。
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