CN111261312A - 基于自聚焦透镜对的微型光镊装置及方法 - Google Patents

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刘辰光
刘俭
赵一轩
陈刚
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Abstract

本发明公开的一种基于自聚焦透镜对的微型光镊装置及方法，由两路相同且相对放置的单路微型光镊光路组成，第一路微型光镊光路按照光线传播方向依次为：激光器一、光纤一、光纤耦合器一、自聚焦透镜一，样品；第二路微型光镊光路按照光线传播方向依次为激光器二、光纤二、光纤耦合器二、自聚焦透镜二、样品；两路微型光镊光路同轴且聚焦于同一位置，样品放置于聚焦点处。本发明方便集成于高端显微成像设备中，而且还可以保证光镊的捕获力。

Description

基于自聚焦透镜对的微型光镊装置及方法
技术领域
本发明属于光学操控技术领域，涉及一种基于自聚焦透镜对的微型光镊装置及方法。
背景技术
聚焦激光光束可以像镊子一样“夹”起并操控微观粒子(原子、分子等)和微小物体(细胞、病毒等)，这种被称之为“光学镊子”(Optical Tweezers)的技术在粒子物理和生命科学领域具有重要应用。微型光镊可摆脱传统光镊中光束聚焦元件的空间限制，方便集成于高端显微成像设备中进行细胞分选和操控。
传统光镊中光束聚焦元件的受空间限制，无法集成于高端显微成像设备中进行细胞分选和操控；而且传统的光纤光镊重复性差，柔软易变形，无法保证光镊的捕获力。
因此，提供一种可以方便集成于高端显微成像设备中，而且还可以保证光镊的捕获力的基于自聚焦透镜对的微型光镊装置及方法是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明利用3D打印技术构建个性化微型光镊装置的核心部件光纤耦合器，使用自聚焦透镜产生紧聚焦光束，在光学显微镜下实现对悬浮微粒或细胞的三维操控。利用自聚焦透镜构建微型光镊装置，既可摆脱传统光镊中光束聚焦元件的空间限制，方便集成于高端显微成像设备中进行细胞分选和操控，而且相比于重复性差，柔软易变形的光纤光镊，又能保证光镊的捕获力。
为实现上述目的其具体方案如下：
一种基于自聚焦透镜对的微型光镊装置，由两路相同且相对放置的单路微型光镊光路组成，第一路微型光镊光路按照光线传播方向依次为：激光器一、光纤一、光纤耦合器一、自聚焦透镜一、样品；第二路微型光镊光路按照光线传播方向依次为激光器二、光纤二、光纤耦合器二、自聚焦透镜二、样品；两路微型光镊光路的聚焦点重合，样品放置于聚焦点处。
优选的，两路微型光镊光路同轴，相对180°夹角放置。
优选的，所述光纤耦合器一使得自聚焦透镜一的入射端面与光纤一的输出端面之间的工作距离固定为0.2mm，最大程度地减少激光光束的传输损耗。
优选的，所述光纤耦合器二使得自聚焦透镜二的入射端面与光纤二的输出端面之间的工作距离固定为0.2mm，最大程度地减少激光光束的传输损耗。
优选的，所述样品为悬浮于培养皿中的近球形的待测样品，包括最大直径为微米级或纳米级的单细胞、细胞群或微粒。
优选的，所述自聚焦透镜一和所述自聚焦透镜二的尺寸规格为
Figure BDA0002373774810000021
长3.4mm，相较传统光镊中光束聚焦元件采用尺寸为5mm*5mm*20mm的高数值孔径水镜/油镜，直径更小，长度更短。
优选的，所述光纤耦合器一和所述光纤耦合器二均采用3D打印而成，分别直接连接到激光器一和激光器二的输出光纤端，可轻易移动且尺寸小。
本发明还提供了一种基于自聚焦透镜对的微型光镊装置的实现方法，包括：
激光器一发出的激光光束，通过光纤一输出后，被光纤耦合器一耦合进自聚焦透镜一，形成紧聚焦光束；同时，激光器二发出的激光光束，通过光纤二输出后，被光纤耦合器二耦合进自聚焦透镜二，同样形成紧聚焦光束，两路聚焦光束的聚焦点重合，样品放置于聚焦点处，从而实现对样品的分选和操控。
优选的，所述两路聚焦光束同轴，传播方向间夹角为180°。
优选的，对悬浮于培养皿中的近球形的样品进行分选和操控，包括最大直径为微米级或纳米级的单细胞、细胞群或微粒。
本发明相较现有技术具有以下有益效果：
第一、本发明利用一组自聚焦透镜对构建微型光镊装置，克服了传统光镊中光束聚焦元件为高数值孔径的水镜/油镜，尺寸偏大(大致为5mm*5mm*20mm)，且物镜需要相应的夹持固定装置，装置无法移动且尺寸无法缩小的技术缺陷，既可摆脱传统光镊中光束聚焦元件的空间限制，由于3D打印技术打印的光纤耦合器尺寸小且便于位置调节，光纤和自聚焦透镜则无需调节，直接组装即可；方便集成于高端显微成像设备中进行细胞分选和操控，而且相比于重复性差，柔软易变形的光纤光镊，又能保证光镊的捕获力，极大扩展了其应用范围；
第二、相比于单路光镊光路所需要的昂贵的高数值孔径自聚焦透镜，两路相对放置的微型光镊能够产生两束紧聚焦光束，在同一个聚焦位点重叠，不再依赖于高数值孔径自聚焦透镜，仅使用两个价格低廉的普通自聚焦透镜就能实现对样品的有效操纵。降低装置成本的同时，保证了光镊的捕获力。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的基于自聚焦透镜对的微型光镊装置的结构示意图。
图中，
1为激光器一、2为光纤一、3为光纤耦合器一、4为自聚焦透镜一、5为样品、6为自聚焦透镜二、7为光纤耦合器二、8为光纤二、9为激光器二。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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例，都属于本发明保护的范围。
实施例1
本发明的结构图如图1，一种基于自聚焦透镜对的微型光镊装置，由两路相同且相对放置的单路微型光镊光路组成，第一路微型光镊光路按照光线传播方向依次为：激光器一1、光纤一2、光纤耦合器一3、自聚焦透镜一4，样品5；第二路微型光镊光路按照光线传播方向依次为激光器二9、光纤二8、光纤耦合器二7、自聚焦透镜二6、样品5；两路微型光镊光路共同聚焦于同一点，样品5放置于聚焦点处。
为了进一步优化上述技术方案，两路微型光镊光路同轴，相对180°夹角放置。
为了进一步优化上述技术方案，所述光纤耦合器一3使得自聚焦透镜一4的入射端面与光纤一2的输出端面之间的工作距离固定为0.2mm，最大程度地减少激光光束的传输损耗。
为了进一步优化上述技术方案，所述光纤耦合器二7使得自聚焦透镜二6的入射端面与光纤二8的输出端面之间的工作距离固定为0.2mm，最大程度地减少激光光束的传输损耗。
为了进一步优化上述技术方案，样品5为悬浮于培养皿中的近球形的待测样品，包括最大直径为微米级或纳米级的单细胞、细胞群或微粒。
为了进一步优化上述技术方案，自聚焦透镜一4和自聚焦透镜二6的尺寸规格为
Figure BDA0002373774810000041
长3.4mm。
为了进一步优化上述技术方案，光纤耦合器一3和光纤耦合器二7均采用3D打印而成，分别直接连接到激光器一和激光器二的输出光纤端。
实施例2
一种基于自聚焦透镜对的微型光镊装置的实现方法，包括：激光器一1发出的激光光束，通过光纤一2输出后，被光纤耦合器一3耦合进自聚焦透镜一4，形成紧聚焦光束；同时，激光器二9发出的激光光束，通过光纤二8输出后，被光纤耦合器二7耦合进自聚焦透镜二6，同样形成紧聚焦光束，两路聚焦光束共同聚焦于同一点，样品放置于聚焦点处，从而实现对样品的分选和操控。
为了进一步优化上述技术方案，两路聚焦光束同轴，传播方向间夹角为180°。
为了进一步优化上述技术方案，对悬浮于培养皿中的近球形的样品5进行分选和操控，包括最大直径为微米级或纳米级的单细胞、细胞群或微粒。
以上对本发明所提供的一种基于自聚焦透镜对的微型光镊装置及方法进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

Claims (8)

1.一种基于自聚焦透镜对的微型光镊装置，其特征在于，由两路相同且相对放置的单路微型光镊光路组成，第一路微型光镊光路按照光线传播方向依次为：激光器一(1)、光纤一(2)、光纤耦合器一(3)、自聚焦透镜一(4)，样品(5)；第二路微型光镊光路按照光线传播方向依次为激光器二(9)、光纤二(8)、光纤耦合器二(7)、自聚焦透镜二(6)、样品(5)；两路微型光镊光路的聚焦点重合，样品(5)放置于聚焦点处。
2.根据权利要求1所述的一种基于自聚焦透镜对的微型光镊装置，其特征在于，两路微型光镊光路同轴，相对180°夹角放置。
3.根据权利要求1所述的一种基于自聚焦透镜对的微型光镊装置，其特征在于，所述光纤耦合器一(3)使得自聚焦透镜一(4)的入射端面与光纤一(2)的输出端面之间的工作距离固定为0.2mm。
4.根据权利要求1所述的一种基于自聚焦透镜对的微型光镊装置，其特征在于，所述光纤耦合器二(7)使得自聚焦透镜二(6)的入射端面与光纤二(8)的输出端面之间的工作距离固定为0.2mm。
5.根据权利要求1所述的一种基于自聚焦透镜对的微型光镊装置，其特征在于，所述样品(5)为悬浮于培养皿中的近球形的待测样品，包括最大直径为微米级或纳米级的单细胞、细胞群或微粒。
6.一种基于自聚焦透镜对的微型光镊实现方法，其特征在于，根据权利要求1-5中任一项所述的基于自聚焦透镜对的微型光镊装置的实现方法，包括：
激光器一(1)发出的激光光束，通过光纤一(2)输出后，被光纤耦合器一(3)耦合进自聚焦透镜一(4)，形成紧聚焦光束；同时，激光器二(9)发出的激光光束，通过光纤二(8)输出后，被光纤耦合器二(7)耦合进自聚焦透镜二(6)，同样形成紧聚焦光束，两路聚焦光束的聚焦点重合，样品(5)放置于聚焦点处，从而实现对样品(5)的分选和操控。
7.根据权利要求6所述的一种基于自聚焦透镜对的微型光镊实现方法，其特征在于，所述两路聚焦光束同轴，传播方向间夹角为180°。
8.根据权利要求6所述的一种基于自聚焦透镜对的微型光镊实现方法，其特征在于，对悬浮于培养皿中的近球形的样品(5)进行分选和操控，包括最大直径为微米级或纳米级的单细胞、细胞群或微粒。
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