CN106908946B - 一种简化的双光束光镊系统 - Google Patents

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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、第一望远系统、用于调整入射光束的偏振方向的半波片、加载有相位图信息的空间光调制器、第二望远系统、显微物镜、样品池、反射镜、连接杆、微位移台；所述光束经过半波片后到达空间光调制器，经过空间光调制器的相位编码、波前调制，然后依次经过第二望远镜系统、显微物镜到达所述样品池。本发明大大简化了双光束光镊系统的结构，并且拓展了光镊的适用范围。

Description

一种简化的双光束光镊系统
技术领域
本发明涉及应用光学技术领域、纳米技术领域、以及生物和物理领域，具体涉及一种简化的双光束光镊系统。
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势阱，即光镊来俘获粒子的。光镊是光与物质相互作用的结果，光镊技术利用光的辐射压力实现了对微小细胞等的操作，从开始的对微米级细胞操作到目前能够对亚纳米级细胞进行精密操作。
周金华等人的专利文献《一种俘获及探测复用的扫描光镊系统，公开号为CN102540447A》中，通过利用扫描转镜和针对激光45度全反射的二色镜使光束光斑大小与物镜后瞳一致，最后经高数值孔径物镜聚焦，形成了光镊。但是该系统中存在无法屏蔽系统噪声和粒子布朗运动噪声等问题，功能也较为单一，为实际操作带来了一些局限性，大大缩小了光镊系统的适用范围。在陆璇辉等人的专利文献《一种基于平面光波导的多光束光镊，公开号为CN102445732A》中，利用光纤耦合器在捕获平面上产生多光点阵列实现了对多个微粒进行操作，实现了多光束光势阱。但是该系统需要对多个光束进行耦合后进行分束，最后通过反射镜和透镜准直后对微粒进行操作，结构过于复杂。
发明内容
为了减小光镊系统噪声，并克服现有的多光束光镊系统过于复杂的缺点，本发明提出了一种简化的双光束光镊系统。利用空间光调制器，实现对光束的波前调制和相位编码，利用反射镜并辅以连接杆和微位移台实现对两个光势阱的相对位置的调节，使得系统结构极其简单，并且双光镊的结构可以有效屏蔽粒子的布朗运动，提高实验精度。
一种简化的双光束光镊系统，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、空间光调制器、第二望远镜系统、显微物镜、样品池、反射镜、连接杆、微位移台；
所述半波片用于调整入射光束的偏振方向；
所述空间光调制器上设有加载有相位图信息的调制区域；
所述光束经过半波片后到达空间光调制器，经过空间光调制器的相位编码、波前调制，然依次后经过第二望远系统、显微物镜到达所述样品池。
作为优选，所述激光器、第一望远镜系统之间设有光隔离器。光隔离器只允许光束单向通过，避免反射以光及散射光对激光器产生影响。
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，所述经第一望远镜系统扩束的光束平行度更好、直径更大、发散角更小。使得光束横截面分布更均匀。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，形成更大的捕获力。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，可以满足抓获生物微粒要求。
本发明中激光输出光束为偏振光，通过半波片调整偏振光的方向。
作为优选，所述半波片可绕光轴旋转，通过旋转半波片，调整出射光偏振方向为空间光调制器的敏感方向。
作为优选，所述空间光调制器调制波长范围为620纳米到1550纳米。
相对于现有技术，本发明具有以下有益的技术效果：
1、本发明可以利用单个激光光源形成的相对距离可以调控的双光势阱，有效屏蔽系统噪声；
2、本发明的双光束光镊结构简单，搭建方便，并且测试精度高。
因此，该技术方案与原有技术相比，能够精简系统结构，拓展光镊的应用范围，提高实验精度，增大适用范围。
附图说明
图1本发明系统结构图；
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、第二望远镜系统；7、显微物镜；8、样品池；9、反射镜；10、连接杆；11、微位移台
图2空间光调制器相位截面图
图3聚焦光斑示意图，12、第一聚焦光斑；13、第二聚焦光斑；14、第二聚焦光斑被反射镜9反射后形成的虚像
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：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、第二望远镜系统；7、显微物镜；8、样品池；9、反射镜；10、连接杆；11、微位移台
其中，激光器为1064纳米大功率连续激光器，最低输出功率为300mW，在保证双势阱产生的同时，能够提供足够大的捕获力，从而保证实验的精确度。本实施例中可选用Coherent公司的Compass 1064-4000M激光器。
激光器1与第一望远系统3之间设置有光隔离器2，用于防止反射光或散射光对激光器1输出光束产生影响。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，有利于光束汇聚形成更小的光斑。
第一望远镜系统3、第二望远镜系统6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，使得从半波片4出射的光的偏振方向为空间光调制器5的敏感方向。
空间光调制器5上加载有具体的相位信息。通过半波片4之后光束被空间光调制器5上的相位图编码进行波前编码。被编码后的光束通过第二望远镜系统6、经过显微物镜7，将空间光调制器5的位相图形成像在样品池8中，形成沿光轴方向前后分布的两个聚焦光斑。反射镜9放置在两个聚焦光斑之间，并对其中一个聚焦光斑成虚像。通过调整反射镜的横向位置，来调节聚焦光斑和另一个聚焦光斑虚像的相对位置，从而形成双光势阱，来对对样品池8中的微粒进行捕获、操控。
为了形成前后分布的两个聚焦光斑，空间光调制5的相位图2需要经过事先计算。相关计算可以根据文献《Isotropic Diffraction-Limited Focusing Using a SingleObjective Lens》(E.Mudry et al.，Physics Review Letters 105，203903)所提供方法完成。
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，光转换效率为82％。该SLM中液晶是受直接而精确的电压控制，并能调制光束的波前。
本实施例中显微物镜7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一种简化的双光束光镊系统进行进一步说明，但本发明并不限于此。
激光器1产生波长为1064纳米的光束，入射到光隔离器2中。光束只能在光隔离器2中单方向传播，且经过光隔离器2后光束直径大小为2毫米。
从光隔离器2出射的光束进入到第一望远系统3。经过第一望远系统3对光束进行扩束、准直、压发散角，使得出射光束平行度更好，光能分布更均匀。本实施例中第一望远系统3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。
激光器1出射光束为偏振光。由于空间光调制器5只对特定的偏振光敏感，因此通过旋转半波片4可以调节光束的偏振方向，从而使经过半波片4的出射光束的偏振方向与空间光调制器5敏感方向一致。空间光调制器5对光束进行波前调制和相位编码，空间光调制器5上加载相位图信息截面图如图2所示。
经过空间光调制器5的光束，通过第二望远系统6和显微物镜7在样品池8附近形成两个聚焦：第一聚焦光斑12和第二聚焦光斑13，如图3所示。本实施例中第二望远系统6放大倍率为1，之后，光束直径仍为5毫米，显微物镜NA＝1.4，放大倍率为100倍。
全反射镜9置于左侧第一聚焦光斑12和右侧第二聚焦光斑13之间，全反射镜9的反射面朝向右侧，即朝向第二聚焦光斑13，从而在全反射镜的左侧形成第二聚焦光斑被反射镜9反射后形成的虚像14。第一聚焦光斑12和第二聚焦光斑被反射镜9反射后形成的虚像14形成两个光势阱。
本实施例中，全反射镜9后配有连接杆10和微位移台11，便于调节全反射镜9轴向位置，相应的虚像14的位置会随之改变。当全反射镜9向右移动时，第一聚焦光斑12和第二聚焦光斑被反射镜9反射后形成的虚像14之间的距离增加；当全反射镜9向左移动时，第一聚焦光斑12和第二聚焦光斑被反射镜9反射后形成的虚像14之间的距离减小，可以实现双光束光镊相对位置的调控。
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)

1.一种简化的双光束光镊系统，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、空间光调制器、第二望远镜系统、显微物镜、样品池、反射镜、连接杆、微位移台；
所述半波片用于调整入射光束的偏振方向；
所述空间光调制器上设有加载有相位图信息的调制区域用于调制入射光束在样品池附近形成第一聚焦光斑和第二聚焦光斑；
所述反射镜位于第一聚焦光斑和第二聚焦光斑之间；
所述光束经过半波片后到达空间光调制器，经过空间光调制器的相位编码、波前调制，然依次后经过第二望远系统、显微物镜到达所述样品池；
所述连接杆位于反射镜和微位移台中间，用于连接反射镜与微位移台。
2.根据权利要求1所述的一种简化的双光束光镊系统，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所述的一种简化的双光束光镊系统，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背向设置且共焦的凸透镜。
4.根据权利要求1所述的一种简化的双光束光镊系统，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所述的一种简化的双光束光镊系统，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所述的一种简化的双光束光镊系统，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所述的一种简化的双光束光镊系统，其特征在于：所述半波片可绕光轴旋转，通过旋转半波片，调整出射光偏振方向为空间光调制器的敏感方向。
8.根据权利要求1所述的一种简化的双光束光镊系统，其特征在于：所述空间光调制器调制波长范围为620纳米到1550纳米。
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