CN109459387A - 一种消除正置光镊高阶衍射光斑捕获多微粒的样品池结构 - Google Patents

一种消除正置光镊高阶衍射光斑捕获多微粒的样品池结构 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种消除正置光镊高阶衍射光斑捕获多微粒的样品池结构。包括由下至上依次叠放的反射片、中间片和盖玻片；反射片的材料为全反射膜材料；中间片的材料为聚苯乙烯薄膜，中间片的中部开设有通孔；反射片和中间片的通孔形成的空腔为样品室。实验时，将被测物放入样品室中，盖上盖玻片；再将所述样品池结构放入正置显微镜的载物台上，通过调整显微物镜与样品池底面之间的距离，通过显微成像系统观察激光衍射环捕获微粒。当正置光镊应用于捕获普通样品池底面的微粒时，由于光衍射效应光镊会同时束缚多个微粒，在样品池底面形成聚集体；本发明使得高阶衍射亮条纹不再能束缚颗粒，避免由光衍射效应引起的微粒聚集，扩大了正置光镊技术的应用领域。

Description

一种消除正置光镊高阶衍射光斑捕获多微粒的样品池结构
技术领域
本发明属于光学技术领域，具体涉及用于正置光镊系统的样品池结构。
背景技术
光具有能量和动量，光的动量是光的基本属性。光镊是由光形成的一种特殊的工具,它充分的体现了光具有动量的基本属性。自1986年，Ashkin发明了光镊，这为光学和生命科学等学科的交叉研究提供了不可替代的工具。
光在传播过程中，遇到障碍物或小孔（窄缝）时，具有离开直线传播路径而绕到障碍物阴影里去的现象。这种现象叫光的衍射，可以分为单缝衍射、圆孔衍射、圆板衍射等。一束激光经过圆形小孔光阑时，光束会发生衍射效应。当Ratio（光阑半径与光腰半径之比）小于2时，不能忽略光衍射效应的影响。光镊技术通常由一束光经过一个高聚焦透镜产生，通常情况下利用具有高数值孔径的物镜作为高聚焦透镜。在光镊系统中，Ratio可以简化为显微物镜出光口与物镜后瞳的比值，显微物镜的出光口为1mm，显微物镜的后瞳直径为6mm，其比值远小于2，所以在光镊系统中会产生光衍射效应，并且不能忽略光衍射效应的影响。由于物镜的数值孔径很高，经过物镜强会聚后的每条激光衍射亮条纹，可以对微米颗粒施加光梯度力，将颗粒束缚于亮条纹中。
光镊通常用于捕获水溶液中的微米颗粒，水溶液一般放置于密封的样品池中。一般的样品池是使用玻璃载玻片作为底面，在载玻片上覆盖一片盖玻片即可构成普通样品池。但是当光镊工作的位置离样品池底面非常近时（即光阱中心与反射片上表面的距离小于3微米），由于激光的衍射亮条纹能够同时束缚很多微米颗粒，严重影响了光镊单独操控单颗粒的性能。例如，衍射光镊捕获很多微粒会影响微小流道内流体的流动，导致在微小流道内容易形成堵塞。
发明内容
为了避免由于光衍射效应作用引起样品池底部的微粒聚集，本发明提出一种消除正置光镊高阶衍射光斑捕获多微粒的样品池结构。
一种消除正置光镊高阶衍射光斑捕获多微粒的样品池结构包括由下至上依次叠放的全反射片61和盖玻片64；
所述全反射片61为激光全反射镜；所述激光全反射镜是在光学玻璃基底上镀一层全反射膜；光学玻璃基底的材质为对可见光波段全透过，光学玻璃基底的厚度为3-6mm；全反射膜的材料对光镊系统的激光波长零度全反射、对可见光波段全透过，全反射膜的厚度为10微米-500微米；
实验时，将样品放在全反射片61上，盖上盖玻片64；再将所述样品池结构放入正置显微镜的载物台7上，通过调整显微物镜5与样品池底面之间的距离，通过显微成像系统观察激光衍射环捕获微粒。
进一步限定的技术方案如下：
一种消除正置光镊高阶衍射光斑捕获多微米颗粒的样品池结构包括由下至上依次叠放的全反射片61、中间片62和盖玻片64；所述中间片62的材料为聚苯乙烯薄膜，中间片62的中部开设有通孔；所述反射片61、中间片62的通孔和盖玻片64形成的空腔为样品室63。如果所使用的样品量小于40微升，不需要中间片；如果使用样品量超过40微升，则需要中间片阻止样品溢出样品池。
由全反射片61、中间片62和盖玻片64构成的样品池结构的总厚度为3-9mm。
所述中间片62的通孔直径为2-15mm；中间片62的厚度为100μm-2mm。
所述反射片61和中间片62之间除通孔的其它部位用凡士林密封。
所述中间片62和盖玻片64之间除通孔的其它部位用凡士林密封，避免样品室63中的液体样品的流出和由于空气的扰动等环境因素对实验的影响。
所述盖玻片64的厚度为170μm。
本发明的有益效果体现在以下方面：
（1）本发明通过改变样品池衬底材料，消除激光衍射高阶亮条纹对微米颗粒的束缚能力，避免正置光镊系统中由于捕获激光衍射效应引起的样品池表面颗粒聚集效应。在普通的样品池中，衍射光斑亮条纹与样品池中的微米颗粒发生动量交换，同时在成像面平面内对多个微米小球施加横向梯度力，将微粒捕获并限制于衍射环亮条纹中。通过改变样品池衬底材料，由于衬底材料对捕获激光的全反射作用，使样品池底部颗粒受到两束强度相等、方向相反的光束的力学作用，使施加在微米颗粒上的纵向合力变为零，因而削弱了衍射光斑在纵向上稳定束缚微粒的能力，从而消除了正置光镊系统的激光衍射亮条纹对多颗粒的捕获和束缚，避免正置光镊系统中由于捕获激光的衍射效应引起的样品池底面颗粒聚集效应，扩大了光镊技术的应用领域。
（2）本发明通过改变样品池衬底材料，方法简易实用，不增加实验装置的体积与实验操作复杂性。
附图说明
图1 为样品池结构示意图。
图2 为样品池局部结构示意图。
图3为实验装置原理图。
图4为正置光镊在本发明样品池中，只在光斑中心捕获单个直径1微米聚苯乙烯颗粒的效果图。实验中样品池衬底为激光全反射镜，未使用样品池中间片。
图5为正置光镊高阶衍射光斑在普通样品池中捕获多个直径1微米聚苯乙烯颗粒效果图。实验中样品池衬底为普通透明载玻片，未使用样品池中间片。
图6为使用全反射镜能够消除正置光镊的激光衍射光斑捕获多微粒的原理图。
图7为正置光镊在本发明样品池中，只在光斑中心捕获直径0.5微米聚苯乙烯颗粒的效果图。实验中样品池衬底为激光全反射镜，使用了样品池中间片。
图8为正置光镊高阶衍射光斑在普通样品池中捕获多个直径0.5微米聚苯乙烯颗粒效果图。实验中样品池衬底为普通透明载玻片，使用了样品池中间片。
图1-3中序号：激光器1、薄透镜2、薄透镜3、二色镜4、显微物镜5、样品池结构6、载物台7、照明光源8、相机9、激光光束10、微米小球11、反射片61、中间片62、样品室63、盖玻片64。
具体实施方式
下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。
实施例1
本实施例1演示本发明样品池结构消除激光衍射光斑对聚苯乙烯颗粒聚集的效果。
一种具有消除正置光镊系统中激光衍射光斑的样品池结构，包括由下至上依次全反射片61和盖玻片64。全反射片61为激光全反射镜，激光全反射镜是在光学玻璃基底上镀一层全反射膜；光学玻璃基底的材质为对可见光波段全透过，光学玻璃基底的厚度为6mm；全反射膜的材料对光镊系统的激光波长零度全反射、对可见光波段全透过，全反射膜的厚度为100微米。盖玻片64的厚度为170μm。
本实施例中，光镊的激光波长为1064nm，因此所选的激光全反射镜对波长1064nm激光零度全反射。样品池结构应用于参见图3的正置光镊，由光镊系统和显微成像系统组成。激光器1出射的激光波长为1064nm，经过扩束后垂直进入显微镜中，其中沿光路由激光器1、第一薄透镜2、第二薄透镜3、二色镜4、显微物镜5、样品池6和载物台7构成光镊系统；沿光路由照明光源8、样品池6、显微物镜5、二色镜4和相机9构成显微成像系统。
实验所使用的液体样品为微米小球悬浮液，微米小球为直径为1微米的聚苯乙烯微球，悬浮液中微粒密度为2×108 cm-3。在全反射片61上滴上20微升的微米小球悬浮液，然后再盖上一个盖玻片64，液体样品在激光反射镜和盖玻片之间形成很薄的液体样品。
实验时，样品池6放置在载物台7。显微物镜5使用的型号为广州明美显微物镜（参数为100倍油浸物镜，数值孔径=1.25）。高斯光束从显微物镜5出射后发生衍射，在样品池底面形成稳定光场，形成衍射光斑，调整显微物镜5与载物台7的距离，将激光的焦点距离样品池的底面调节为2μm，使微粒能够清晰成像。衍射光斑亮条纹对聚苯乙烯微球施加横向梯度力，颗粒向激光中心光斑处运动，最后被稳定束缚于激光中心光斑，通过相机9拍摄微粒被捕获的图案，如图4所示。
如果不使用本发明的样品池，而是使用普通的样品池，激光的衍射光斑会在样品池底面捕获多个微米颗粒，导致颗粒在样品池底部集聚。实验时，普通的样品池为由厚度为2mm的载玻片和盖玻片构成。实验所使用的液体样品为微米小球悬浮液，微米小球为直径为1微米的聚苯乙烯微球，悬浮液中微粒密度为2×108 cm-3。在载玻片上滴上20微升的微米小球悬浮液，然后再盖上一个盖玻片，液体样品在载玻片和盖玻片之间形成很薄的液体样品，而且液体样品密封在样品室中。将普通样品池放入正置荧光显微镜的载物台7上。显微物镜5使用的型号为广州明美显微物镜（参数为100倍油浸物镜, 数值孔径=1.25）。高斯光束从显微物镜5出射后发生衍射，在样品池底面形成衍射光斑。调节显微物镜5与样品池底面之间的距离，使激光焦点与样品池的底面距离为2μm，使微粒能够清晰成像，通过显微成像系统观察激光衍射环捕获微粒。激光衍射光斑的亮条纹与样品池中的微米颗粒发生动量交换，同时对多个直径为1微米的聚苯乙烯微球施加横向梯度力，将颗粒捕获限制于衍射环亮条纹中。由于激光衍射光斑对小球的散射力与样品池底面对小球的支撑力相等，因此微粒能够稳定的被束缚于衍射亮条纹中，其成像图像可以通过相机9拍摄。多个微粒被激光衍射环亮条纹捕获聚集的图像，如图5所示。
本发明能够消除正置光镊高阶衍射光斑诱导微粒聚集，其原理如图6所示。由于衬底为激光反射镜，当高斯光束通过显微物镜入射到样品池底面时发生全反射。由于激光反射镜对激光光束10的全反射作用，在样品池底面的颗粒受到两束强度相等，方向相反的光束的作用。反射光的各级衍射光斑对微米小球11施加散射力F b ，但在方向上与入射激光的衍射光斑施加的散射力F a 方向相反。由于高阶衍射条纹的纵向力很小，入射光和反射光的高阶亮条纹在纵向上无法克服布朗运动随机力，因此高阶的衍射亮条纹无法在纵向上稳定地束缚颗粒。只有中心零级光斑的光强很强，入射光和反射光在纵向方向散射力都很大，可以稳定夹持微粒，所以激光光束经过显微物镜，作用于以全反射片61为衬底的样品池，只能在光斑中心同时捕获少量的微粒，激光的高阶衍射光斑并不能同时捕获很多微粒并有序排列成环，从而抑制了激光衍射光斑同时捕获多个微粒的作用。
本实施例中，如果使用本发明的样品池结构，正置光镊只能在激光光斑中心处捕获一个或者少数微粒；而使用普通样品池，正置光镊的衍射光斑会在样品池底面捕获大量的微粒，导致微粒聚集。通过本发明样品池结构和普通样品池应用于正置光镊系统的实验对比，可以看出本发明的样品池结构能够消除正置光镊系统中激光衍射光斑诱导微粒集聚，有助于扩展光镊技术在界面的应用研究。
实施例2
本实施例1演示使用了样品池中间片62，不影响本发明样品池结构消除激光衍射光斑对聚苯乙烯颗粒聚集的效果。
参见图1，一种消除正置光镊高阶衍射光斑捕获多微粒的样品池结构包括由下至上依次叠放的全反射片61、中间片62和盖玻片64。全反射片61是厚度为6mm的激光全反射镜，同实施例1。参见图2，中间片62的材料为聚苯乙烯薄膜，中间片62的通孔直径为10 mm，中间片62的厚度为1 mm，样品池结构的总厚度为7 mm。反射片61、中间片62的通孔和盖玻片64形成的空腔为样品室63。
实验时所使用的液体样品为微米小球悬浮液，微米小球为直径为0.5微米的聚苯乙烯微球，悬浮液中微粒密度为5×107 cm-3。在中间片62上均匀涂上凡士林，之后将中间片62放置于全反射片61上，按压使两者紧密结合。在样品室63内注入100微升的微米小球悬浮液，然后用凡士林均匀涂于中间片62，再盖上一个盖玻片64，使整个样品室密封。
参见图3，样品池结构应用于同实施例1的正置光镊，由光镊系统和显微成像系统组成。激光器1出射的激光经过扩束后垂直进入显微镜中，其中沿光路由激光器1、第一薄透镜2、第二薄透镜3、二色镜4、显微物镜5、样品池6和载物台7构成光镊系统；沿光路由照明光源8、样品池6、显微物镜5、二色镜4和相机9构成显微成像系统。实验中样品池6放置在载物台7。显微物镜5使用的物镜为奥林巴斯显微物镜（参数为LUMFLN 60XW，60倍水浸物镜, 数值孔径=1.1）。高斯光束从显微物镜5出射后发生衍射，在样品池底面形成稳定的衍射光斑，调整显微物镜5与载物台7的距离，将激光的焦点距离样品池的底面调节为2μm，使微粒能够清晰成像。衍射光斑亮条纹对聚苯乙烯微球施加横向梯度力，微粒向激光中心光斑处运动，最后被稳定束缚于激光中心光斑，通过相机9拍摄微粒被捕获的图像，如图7所示。
如果不使用本发明的样品池，而是使用普通的样品池，激光的衍射光斑会在样品池底面捕获多个微米颗粒，导致颗粒在样品池底部集聚。普通的样品池包括由下至上依次叠放的载玻片、中间片62和盖玻片64。载玻片厚度为2mm，中间片62的厚度为1 mm，普通样品池的总厚度为3 mm。中间片62的材料为聚苯乙烯薄膜，通孔直径为10 mm。
普通样品池实验所使用的液体样品为微米小球悬浮液，微米小球为直径为0.5微米的聚苯乙烯微球，悬浮液中微粒密度为5×107 cm-3。在中间片62上均匀涂上凡士林，之后将中间片62放置于载玻片上，按压使两者紧密结合。在样品室63内注入100微升的微米小球悬浮液，然后用凡士林均匀涂于中间片62，再盖上一个盖玻片64，使整个普通样品室密封。
参见图3，普通样品池所应用的正置光镊，同实施例1，由光镊系统和显微成像系统组成。实验中样品池6放置在载物台7。显微物镜5使用的物镜为奥林巴斯显微物镜（参数为LUMFLN 60XW，60倍水浸物镜, 数值孔径=1.1）。高斯光束从显微物镜5出射后发生衍射，在样品池底面形成稳定光场，形成衍射光斑，调整显微物镜5与载物台7的距离，将激光的焦点距离样品池的底面调节为2μm，使微粒能够清晰成像。通过显微成像系统观察激光衍射环捕获微粒。激光衍射光斑的亮条纹与样品池中的微米颗粒发生动量交换，同时对多个直径为1微米的聚苯乙烯微球施加横向梯度力，将颗粒捕获限制于衍射环亮条纹中。由于激光衍射光斑对小球的散射力与样品池底面对小球的支撑力相等，因此微粒能够稳定的被束缚于衍射亮条纹中，其成像图像可以通过相机9拍摄。普通样品池中，多个微粒被激光衍射环亮条纹捕获聚集的图像，如图8所示。
实施例2中，由于所使用的样品体积100微升大于40微升，因此使用了中间层结构的样品池，以免液体样品溢出样品池。实施例2结果显示，使用了样品池中间片62，不影响本发明样品池结构消除激光衍射光斑对聚苯乙烯颗粒聚集的效果。实施例2的结果再次表明，本发明的样品池结构应用于正置光镊系统中，能够消除激光衍射光斑诱导微粒在样品池底面的聚集。

Claims (7)

1.一种消除正置光镊高阶衍射光斑捕获多微粒的样品池结构，其特征在于：包括由下至上依次叠放的全反射片（61）和盖玻片（64）；
所述全反射片（61）为激光全反射镜；所述激光全反射镜是在光学玻璃基底上镀一层全反射膜；光学玻璃基底的材质为对可见光波段全透过，玻璃基底的厚度为3-6mm；全反射膜的材料对光镊系统的激光波长零度全反射、对可见光波段全透过，全反射膜的厚度为10微米-500微米；
实验时，将样品放在全反射片（61）上，盖上盖玻片（64）；再将所述样品池结构放入正置显微镜的载物台（7）上，通过调整显微物镜（5）与样品池底面之间的距离，通过显微成像系统观察激光衍射环捕获微粒。
2.根据权利要求1所述的一种消除正置光镊高阶衍射光斑捕获多微粒的样品池结构，其特征在于：包括由下至上依次叠放的全反射片（61）、中间片（62）和盖玻片（64）；所述中间片（62）的材料为聚苯乙烯薄膜，中间片（62）的中部开设有通孔；所述反射片（61）、中间片（62）的通孔和盖玻片（64）形成的空腔为样品室（63）。
3.根据权利要求2所述的一种消除正置光镊高阶衍射光斑捕获多微粒的样品池结构，其特征在于：由全反射片（61）、中间片（62）和盖玻片（64）构成的样品池结构的总厚度为3-9mm。
4.根据权利要求2所述的一种消除正置光镊高阶衍射光斑捕获多微粒的样品池结构，其特征在于：所述中间片（62）的通孔直径为2-15mm；中间片（62）的厚度为100μm-2mm。
5.根据权利要求2所述的一种消除正置光镊高阶衍射光斑捕获多微粒的样品池结构，其特征在于：所述反射片（61）和中间片（62）之间除通孔的其它部位用凡士林密封。
6.根据权利要求2所述的一种消除正置光镊高阶衍射光斑捕获多微粒的样品池结构，其特征在于：所述中间片（62）和盖玻片（64）之间除通孔的其它部位用凡士林密封，避免样品室（63）中的液体样品的流出和由于空气的扰动等环境因素对实验的影响。
7.根据权利要求1所述的一种消除正置光镊高阶衍射光斑捕获多微粒的样品池结构，其特征在于：所述盖玻片（64）的厚度为170μm。
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