CN107247329A - 一种基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置和方法，其中该涡旋光摄装置包括激光扩束系统、螺旋相位板、显微物镜和样品池，所述激光扩束系统发出的激光经所述螺旋相位板进入所述显微物镜内，并聚焦在所述样品池中。本发明提供的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置和方法通过激光扩束系统发出的激光通过螺旋相位板上的用于调制的方格区域对激光进行调制，形成具有预定拓扑荷的拉盖尔‑高斯光(涡旋光)，涡旋光进入显微物镜并聚焦在样品池内，形成梯度力光阱，实现三维捕获，本发明克服了高数值孔径条件下光镊装置可观察视场窄、球差大的缺点，并具有局部热效应较低和轴向捕获距离较长等优势，在生物物理学领域有极大的应用价值。

Description

一种基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置和方法

技术领域

本发明涉及一种涡旋光镊装置，特别是一种基于低数值孔径条件的涡旋光镊装置和方法。

背景技术

光镊是光的力学效应的一种应用，激光通过物镜紧聚焦形成梯度力光阱，对细微颗粒进行捕获和操控。自1986年Ashkin等人发明以来，光镊技术得到了广泛的研究，发展了特殊光束光镊、全息光镊、光纤光镊等技术。光镊由于其非接触、低损伤等特点，在生命科学领域具有巨大的应用前景。

传统的单模高斯光束光镊是利用高数值孔径(通常NA>1)的物镜，紧聚焦后产生足够强的梯度力可以克服轴向散射力，从而实现三维方向上的稳定捕获。但高数值孔径物镜的使用带来了许多不利因素，例如可观察视场较小、球差较大、捕获区域局部热效应较高，并且工作距离极短，约为200μm。这些严重制约了光镊技术的应用。

然而，使用低数值孔径物镜的高斯光镊则无法提供足够大的轴向梯度力，容易造成轴向捕获不稳定。目前基于低数值条件下的三维捕获主要有以下技术：引入液体表面张力来平衡散射力；采用双向传播的高斯光束光镊使得轴向散射力相互抵消；将作为捕获光的高斯光束替换为贝塞尔光束或者空心光束，等等。这些技术意义重大，但也存在捕获纵向深度较小、装置较为复杂等一些缺点。

发明内容

本发明旨在克服以上技术的不足，提供一种基于低数值孔径条件下的光镊装置和方法，旨在解决现有光摄在低数值孔径物镜下局部热效过高的缺陷。

为此，本发明提供了一种基于低数值孔径条件的涡旋光摄装置，包括激光扩束系统、螺旋相位板、显微物镜和样品池、反射镜，所述激光扩束系统发出的激光经所述螺旋相位板进入所述显微物镜内，并聚焦在所述样品池中；所述螺旋相位板具有若干个方格区域，所述方格区域分别对应于涡旋光的拓扑荷；所述二向色镜反射的激光通过所述反射镜的反射进入所述显微物镜。

本发明所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，所述螺旋相位板具有1～8个所述方格区域。

本发明所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，还包括一光源和成像机构，所述光源发出的光线射入所述样品池中，并依次经所述显微物镜和二向色镜投射至所述成像机构。

本发明所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，还包括一聚光透镜，所述光源发出的光线经所述聚光透镜汇聚于所述样品池中。

本发明所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，所述成像机构包括一图像传感器，所述光源发出的光线依次经所述聚光透镜、样品池、显微物镜和二向色镜投射至所述图像传感器。

本发明所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，所述成像机构还包括一长通滤波片，所述光源发出光线经所述二向色镜后，通过所述长通滤波片进入所述图像传感器。

本发明所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，所述激光扩束系统包括激光器和若干凸透镜，所述激光器发出的激光依次通过所述凸透镜射向所述螺旋相位板。

本发明所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，所述光源发出的光线为红光，所述激光器发出的光线为绿光，所述二向色镜对所述绿光反射，对所述红光透射。

本发明所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，还包括一平移台，所述样品池设于所述平移台上，所述平移台能带动所述样品池沿三个相互垂直的方向移动。

一种基于低数值孔径条件下的涡旋光摄方法，包括以下步骤：

激光扩束系统发出的激光经过一螺旋相位板，通过所述螺旋相位板上的方格区域调制成涡旋光束；

所述涡旋光束经一二向色镜反射后，通过一显微物镜聚焦在样品池内形成光学势阱。

本发明所述的一种基于低数值孔径条件下的涡旋光摄方法，还包括：

调节所述螺旋相位板与所述激光扩束系统发出的激光之间的轴向距离，以改变所述样品池内的颗粒的转动速度。

本发明的有益效果是：

本发明提供的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置和方法通过激光扩束系统发出的激光通过螺旋相位板上的用于调制的方格区域对激光进行调制，形成具有预定拓扑荷的拉盖尔-高斯光(涡旋光)，涡旋光进入显微物镜并聚焦在样品池内，形成梯度力光阱。在水平方向上由于梯度力的存在，微米颗粒被横向捕获；在竖直方向上，颗粒受到的散射力、梯度力、浮力和重力平衡，从而实现三维捕获，本发明克服了高数值孔径条件下光镊装置可观察视场窄、球差大的缺点，并具有局部热效应较低和轴向捕获距离较长等优势，在生物物理学领域有极大的应用价值。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：

图1是本发明实施例提供的基于低数值孔径条件的涡旋光镊装置结构示意图。

图2是本发明实施例提供的基于低数值孔径条件的涡旋光镊装置的平面波与涡旋光束的干涉示意图。

图3是本发明实施例提供的基于低数值孔径条件的涡旋光镊装置的球面波与涡旋光束的干涉示意图。

图4是本发明实施例提供的基于低数值孔径条件的涡旋光镊装置的稳定三维捕获示意图。

图5是本发明实施例提供的基于低数值孔径条件的涡旋光镊装置的非对称涡旋光束实现样品旋转操控的示意图。

图6本发明实施例提供的基于低数值孔径条件的涡旋光镊方法的流程图。

图中：

1：激光器；2：可调衰减器；3：第一凸透镜；4：第二凸透镜；5：螺旋相位板；6：二向色镜；7：反射镜；8：显微物镜；9：样品池；10：聚光透镜；11：光源；12：长通滤波片；13：图像传感器。

具体实施方式

了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，所描述的实施方式仅仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明。

在本发明的各实施例中，为了便于描述而非限制本发明，本发明专利申请说明书以及权利要求书中使用的术语"连接"并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。"上"、"下"、"下"、"左"、"右"等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。

在本申请中，拉盖尔-高斯光束携带轨道角动量，并具有特殊的光学涡旋结构，在轴上由于相位干涉形成光强为零的奇点，对比高斯光束，可以有效减少轴向散射力。它可以用伴轴亥姆赫兹方程的本征模式表述：

其中为拉盖尔多项式，参数p表示径向指数，l表示拓扑荷，w表示光腰半径。本发明实施例中采用的是p＝0但l不同的单环状拉盖尔高斯光束，通过扩束来匹配螺旋相位板5以及显微物镜8入射孔径大小。捕获样品颗粒所需要的最小光力表示如下：

其中ρ_s是样品颗粒自身的密度，ρ_m是周围液体的密度，d是颗粒直径，g是重力加速度，T是周围液体温度。公式右边代表克服布朗运动所需要的光力。要得到稳定的三维捕获，紧聚焦拉盖尔-高斯光束必须产生足够大的梯度力来克服横向的布朗运动，以及轴向的布朗运动和散射力。

图1是本发明实施例提供的基于低数值孔径条件的涡旋光镊装置结构示意图。如图1所示，该基于低数值孔径条件的涡旋光摄装置包括激光扩束系统、螺旋相位板5、显微物镜8和样品池9，其中，所述显微物镜8可以是低数值孔径显微物镜(NA＝0.40，WD＝5.889mm)。

所述激光扩束系统发出的激光经所述螺旋相位板5进入所述显微物镜8内，并聚焦在所述样品池9中。在本实施方式中，所述螺旋相位板5具有若干个方格区域，所述方格区域分别对应于涡旋光的拓扑荷。具体而言，所述螺旋相位板5具有1～8个所述方格区域，例如1个、2个。5个或者8个，其中，优选为8个方格区域。每个方格区域可分别调制出拓扑荷不同的涡旋光，变化数值为2到16之间。

图1示出的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置还可以包括一反射镜7，所述二向色镜6反射的激光通过所述反射镜7的反射进入所述显微物镜8。

此外，为了便于观察光摄装置的操作情况，该涡旋光摄装置还可以包括一光源11和成像机构，所述光源11发出的光线射入所述样品池9中，并依次经所述显微物镜8和二向色镜6投射至所述成像机构。该光源11可以是LED灯，发出红色的光线。在一些实施方式中，还包括一聚光透镜10，所述光源11发出的光线经所述聚光透镜10汇聚于所述样品池9中。

所述成像机构包括一图像传感器13，图像传感器13可以是CCD(Charge-coupledDevice，电荷耦合元件)。所述光源11发出的光线依次经所述聚光透镜10、样品池9、显微物镜8和二向色镜6投射至所述图像传感器13。所述成像机构还可以包括一长通滤波片12，所述光源11发出光线经所述二向色镜6后，通过所述长通滤波片12进入所述图像传感器13。

所述激光扩束系统包括激光器1、可调衰减器2和第一凸透镜3和第二凸透镜4，所述激光器1发出的激光依次通过所述凸透镜射向所述螺旋相位板5。本实施方式中，激光器1为固定波长为532nm的半导体连续激光器，第一凸透镜3和第二凸透镜4的焦距分别为38.1mm和200mm。

其中，所述光源11发出的光线为红光，所述激光器1发出的光线为绿光，所述二向色镜6对所述绿光反射，对所述红光透射。另外，本实施方式提供的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置还可以包括一平移台，所述样品池9设于所述平移台上，所述平移台能带动所述样品池9沿三个相互垂直的方向移动。

工作时，激光器1出射的532nm绿色激光经过由第一凸透镜3和第二凸透镜4组成的激光扩束系统准直扩束后，穿过螺旋相位板5形成涡旋光。该涡旋光被二向色镜6和反射镜7反射，前进方向由水平变为竖直，进入一个倒置的显微物镜8内并聚焦在样品池9的内部。光源11产生的照明红光通过一个聚光透镜10会聚在样品池9中，并透过二向色镜6最终成像在图像传感器13上。图像传感器13前的550nm长通滤波片12用于进一步滤掉绿光。

激光通过低数值孔径的长焦距物镜聚焦后形成梯度力光场。水平方向由于梯度力的存在，微米颗粒被横向捕获。调整激光功率，使数值方向上散射力、梯度力、浮力和重力平衡，从而实现颗粒三维捕获。控制电动三维平移台，可以使得捕获颗粒沿着xyz三个方向移动。由于涡旋光携带轨道角动量，利用调制出的非对称涡旋光束。本实施例提供的基于低数值孔径条件的涡旋光镊装置可近似为一个简单的机械传动式光学扳手，用于实现被捕获颗粒的精细旋转操控。

通过涡旋光干涉原理，图1示出基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置可以验证生成涡旋光的拓扑荷值和螺旋相位板5的可靠性。图2是本发明实施例提供的基于低数值孔径条件的涡旋光镊装置的平面波与涡旋光束的干涉示意图。在平面波与涡旋光干涉实验中，图像传感器13记录的干涉模式图如图2所示。在平行的干涉条纹中，出现了2条分叉条纹，可以验证此时拓扑荷为2。图3是本发明实施例提供的基于低数值孔径条件的涡旋光镊装置的球面波与涡旋光束的干涉示意图。如图3所示，在球面波与涡旋光干涉实验中，干涉图样呈花瓣状，瓣数为2瓣，因此可以验证对应拓扑荷为2。

本实施例中采用拓扑荷为2的涡旋光进行三维捕获。涡旋光经过二向色镜6(对绿光高反，对红光高透)和反射镜7反射后，传播方向由水平变为垂直，入射到一个放大倍数为20倍的显微物镜(NA＝0.4，WD＝5.889mm)，并聚焦在作为样品池9的比色皿内部形成光学势阱。样品颗粒为分散在水中的直径为8μm、密度稍大于水的聚苯乙烯小球，在光源11发出的照明红光下，通过显微物镜8成像在图像传感器13上。图像传感器13前的550nm长通滤波片12可以有效地过滤掉反射回来的绿光，使所成图像更为清晰。

为避免样品池9的底部对光摄的效果造成影响，在捕获前保持光阱距离底部约有10μm。要找到稳定三维捕获时的平衡功率，先大致调整激光功率，使靠近光阱的样品既不容易被击飞，又不容易沉底。再细调功率，使样品颗粒能够始终保持清晰。

图4是本发明实施例提供的基于低数值孔径条件的涡旋光镊装置的稳定三维捕获示意图。如图4所示，通过控制三维移动平台，使样品池9分别沿x、y、z三个方向移动。图4中，代表光阱位置的白色圆圈中的样品颗粒始终保持成像最为清晰的状态，而周围沉底颗粒相对位置或发生平移(横向)，或变得模糊(轴向)。为方便理解，引入笛卡儿坐标系，单位长度为1μm，并令捕获颗粒初始位置为坐标原点。图4中第一排x轴坐标值分别为0、10、20，说明样品池9沿x方向(横向)移动了两次，每次移动10μm。可见白色圆圈内的颗粒被横向梯度力捕获，相对光阱位置不发生改变，而周围参考颗粒发生平移。第二排同理。第三排z轴坐标值分别为0、30、60，说明样品池9沿z方向(轴向)移动了两次，每次移动30μm。可见白色圆圈内的颗粒受到重力、浮力、散射力和和指向焦点的轴向梯度力平衡，相对光阱位置不发生改变，而周围参考颗粒逐渐偏离捕获平面。综上说明光阱中的颗粒已被稳定三维捕获并且能够在三个方向上进行操控，此时的功率为稳定三维捕获时的平衡功率，本实施例中在物镜前测得平衡功率为3.3mW，并且可以维持数个小时的稳定捕获和三维操作。

另外，本实施方式中，还可以通过移动螺旋相位板5，使激光穿过螺旋相位板5不同调制的方格区域，得到拓扑荷在2-16之间变化的涡旋光，重复上述操作，仍能够实现三维捕获，但三维捕获平衡功率不同。随着拓扑荷的增大，平衡功率也增大，且两者约为线性关系。平衡功率最大值不超过10mW，可见能够有效控制热损伤。

与标准涡旋光束一样，非对称涡旋光的横截面由特定数量的光环组成，且具有轨道角动量，但横向光强分布不均匀，光斑呈月牙形。图5是本发明实施例提供的基于低数值孔径条件的涡旋光镊装置的非对称涡旋光束实现样品旋转操控的示意图。如图5所示，本实施例中，激光轴向与螺旋相位板5调制的方格区域中心的距离不为零，因此产生了拓扑荷为2的非对称涡旋光。两个桥接的聚苯乙烯颗粒在光场的作用下稳定捕获，调整激光轴向使其与螺旋相位板5调制小方格区域中心有一定距离，在非对称涡旋光场中，这两个颗粒产生了旋转。图像传感器13记录的不同时刻的帧示意图表示出了两个颗粒的指向变化，相邻图间隔4s。测得颗粒的平均旋转速度为0.22±0.03μm/s。通过固定拓扑荷，改变激光轴向与螺旋相位板5调制方格区域的距离，颗粒旋转速度也随之改变，在一定范围内随着距离的增加而增大。这说明利用非对称涡旋光，并且通过控制其非对称性状态，可以实现样品的旋转和旋转速度的调控。这是一个实现旋转操控的简单而有效的方法。

图6本发明实施例提供的基于低数值孔径条件的涡旋光镊方法的流程图。如图6所示，该基于低数值孔径条件下的涡旋光摄方法包括步骤S601～S603。

步骤S601：激光扩束系统发出的激光经过一螺旋相位板5，通过所述螺旋相位板5上的方格区域调制成涡旋光束；

步骤S602：所述涡旋光束经一二向色镜6反射后，通过一显微物镜8聚焦在样品池9内形成光学势阱。

步骤S603：调节所述螺旋相位板5与所述激光扩束系统发出的激光之间的轴向距离，以改变所述样品池9内的颗粒的转动速度。

本实施方式提供的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置和方法通过激光扩束系统发出的激光通过螺旋相位板5上的用于调制的方格区域对激光进行调制，形成具有预定拓扑荷的拉盖尔-高斯光(涡旋光)，涡旋光进入显微物镜8并聚焦在样品池9内，形成梯度力光阱。在水平方向上由于梯度力的存在，微米颗粒被横向捕获；在竖直方向上，颗粒受到的散射力、梯度力、浮力和重力平衡，从而实现三维捕获，本发明克服了高数值孔径条件下光镊装置可观察视场窄、球差大的缺点，并具有局部热效应较低和轴向捕获距离较长等优势，在生物物理学领域有极大的应用价值。

在本发明所提供的几个具体实施方式中，应该理解到，所揭露的连接方式和结构，可以通过其它的方式实现。对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化涵括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤，单数不排除复数。第一，第二等词语用来表示名称，而并不表示任何特定的顺序。

以上实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式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，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种基于低数值孔径条件的涡旋光摄装置，其特征在于，包括激光扩束系统、螺旋相位板、显微物镜和样品池、反射镜，所述激光扩束系统发出的激光经所述螺旋相位板进入所述显微物镜内，并聚焦在所述样品池中；所述螺旋相位板具有若干个方格区域，所述方格区域分别对应于涡旋光的拓扑荷；所述二向色镜反射的激光通过所述反射镜的反射进入所述显微物镜。

2.如权利要求1所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，其特征在于：所述螺旋相位板具有1～8个所述方格区域。

3.如权利要求2所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，其特征在于：还包括一光源和成像机构，所述光源发出的光线射入所述样品池中，并依次经所述显微物镜和二向色镜投射至所述成像机构。

4.如权利要求3所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，其特征在于：还包括一聚光透镜，所述光源发出的光线经所述聚光透镜汇聚于所述样品池中。

5.如权利要求4所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，其特征在于：所述成像机构包括一图像传感器，所述光源发出的光线依次经所述聚光透镜、样品池、显微物镜和二向色镜投射至所述图像传感器。

6.如权利要求5所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，其特征在于：所述成像机构还包括一长通滤波片，所述光源发出光线经所述二向色镜后，通过所述长通滤波片进入所述图像传感器。

7.如权利要求5所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，其特征在于：所述激光扩束系统包括激光器和若干凸透镜，所述激光器发出的激光依次通过所述凸透镜射向所述螺旋相位板。

8.如权利要求7所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，其特征在于：所述光源发出的光线为红光，所述激光器发出的光线为绿光，所述二向色镜对所述绿光反射，对所述红光透射。

9.如权利要求1所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，其特征在于：还包括一平移台，所述样品池设于所述平移台上，所述平移台能带动所述样品池沿三个相互垂直的方向移动。

10.一种基于低数值孔径条件下的涡旋光摄方法，其特征在于，包括以下步骤：

激光扩束系统发出的激光经过一螺旋相位板，通过所述螺旋相位板上的方格区域调制成涡旋光束；所述涡旋光束经一二向色镜反射后，通过一显微物镜聚焦在样品池内形成光学势阱；以及

调节所述螺旋相位板与所述激光扩束系统发出的激光之间的轴向距离，以改变所述样品池内的颗粒的转动速度。