CN111999295B - 双光束光阱中重复捕获微球的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种在双光束光阱中重复捕获微球的方法及装置。1）调节单光束光阱与双光束光阱捕获区间位于同一位置，使得微球可在任一光阱模块中完成捕获并可转换，利用成像装置完成对该区域的成像观测；2）起支特定微球，使得微球在单光束光阱中实现捕获，随后降低起支模块并打开双光束光阱，实现捕获并逐渐关闭单光束光阱；3）收集捕获微球，再次打开单光束光阱，使得微球依靠单光束光阱悬浮在空气中，关闭双光束光阱激光，然后升高起支模块，关闭单光束光阱，使得捕获微球降落在起支模块上；4）需要重复捕获微球时，重复上述步骤。本发明克服了传统光阱系统每次捕获微球都不一致的缺陷，保证了光阱系统的测量一致性。

Description

双光束光阱中重复捕获微球的方法及装置

技术领域

本发明涉及在双光束光阱中重复捕获微球的方法及装置，尤其是利用精确起支模块控制起支强度从而实现对单个微球的重复捕获。

背景技术

根据量子理论，光束是一群以光速运动的，既有质量又有动量的光子，当光子入射到介质表面时会产生折射和反射，光子的速度和方向改变，导致其动量矢量的变化，由动量守恒定律就可以推出，当光束照射至微粒，光子的动量变化量与微粒的动量变化量相等，所以光束对微粒存在力学作用，称为光辐射压，光辐射压包括了沿光束传播方向的散射力和总是指向光强较大处的梯度力，在这两个力的作用下，光束能在一定区域内对微粒进行捕捉，令其稳定在某特定位置，该区域称为光阱。

激光聚焦形成的光阱，令微小物体受光压而被束缚在光阱处，由于光阱使用高聚焦的激光来实现对微球非机械接触捕获，不会产生机械损伤，同时光阱的机械部件离捕获对象的距离都远大于捕获对象的尺度，是“遥控”的操作，因而微球几乎不受外界环境影响，从而可以利用光悬浮的微球完成对外界物理量的探测，获得高探测精度。

在传统的双光束光阱系统中，当微球脱离捕获光阱后，其会在环境分子的作用下进行随机运动，同时捕获微球尺寸较小，难以完成对捕获后逃逸微球进行定位与重新捕获，因此光阱系统中每次捕获微球均不相同，而微球之间存在差异性，这将会导致每次捕获均需要对微球的特性进行重新测量，将会在光阱系统的实际使用中带来不便。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提出了一种双光束光阱中重复捕获微球的方法及装置。

一种在双光束光阱中重复捕获微球的方法，步骤如下：

1）在双光束光阱中进行重复捕获前，调节单光束光阱与双光束光阱捕获区间位于同一位置，使得微球可在任一光阱模块中完成捕获并可在两种捕获状态之间转换，将起支模块移动至捕获位置下方数百微米后，利用成像装置完成对该区域的成像观测；

2）精确捕获特定微球，先利用起支模块精确起支特定微球，使得微球在单光束光阱中实现捕获，随后降低起支模块并打开双光束光阱，使得微球在双光束光阱作用下实现捕获并逐渐关闭单光束光阱，实现双光束光阱捕获微球；

3）利用起支模块收集捕获微球，再次打开单光束光阱，使得微球依靠单光束光阱悬浮在空气中，关闭双光束光阱激光，然后升高起支模块，关闭单光束光阱，使得捕获微球降落在起支模块上，此过程中利用成像系统标定该微球；

4）需要重复捕获微球时，根据成像模块中标定的微球，重复上述步骤完成对同一微球的精确捕获。

一种采用所述方法的在双光束光阱中重复捕获微球装置，包括起支模块、单光束光阱捕获模块、双光束光阱捕获模块与成像模块；

所述的单光束光阱与双光束光阱模块，均可实现对微球的捕获并且能够实现微球在两种不同捕获状态间转换；

所述的起支模块用于使待捕获微球脱离起支模块表面实现微球起支；

成像模块用于观察盖玻片表面的微球，依靠成像模块完成单光束光阱与待捕获微球的预对准，同时完成对需重复捕获微球的标定。

所述的起支模块包括位移台、压电陶瓷、压电陶瓷驱动以及固定在压电陶瓷片上的盖玻片，当需要捕获时，打开压电陶瓷驱动产生高频电压输入，完成对压电陶瓷的振动，用于完成对特定微球的振动起支，从而使之脱离玻片表面完成捕获。

所述的单光束光阱捕获模块依次包括激光器、准直透镜、反射镜与物镜，通过构造自下而上传输激光并由物镜聚焦形成高聚焦光斑，该高聚焦光斑作用在微球上的散射力克服重力保持微球的悬浮。

所述的双光束光阱捕获模块依次包括一对激光器与物镜，两束激光相向传输并由物镜聚焦在同一位置，此时两束聚焦激光的散射力相互抵消，依靠梯度力使微球悬浮在空气中，该模块与单光束光阱模块对微球的捕获位置重合，在空间中被捕获的微球可由任意捕获模块捕获并且在这两种状态之间完成转换。

所述的成像模块依次包括物镜与CCD，完成对捕获微球的实时观测与微球降落后的位置标定。

所述的微球为尺寸在纳米到微米量级的光学均匀透明微球。

本发明的有益效果：

本发明具有一般光阱捕获装置所不具有的优势：利用起支模块，可以控制起支微球的高度，使其恰好脱离玻片表面数百微米区间，结合成像观察系统，可以完成单光束光阱对指定微球的精确捕获；由于单光束光阱系统与双光束光阱捕获区间在同一位置，因此在单光束光阱中实现捕获的微球，可以在捕获过程中打开双光束光阱，保持微球悬浮捕获的状态下可以完成微球在两种不同捕获状态间转换；通过成像模块观察掉落微球的逃逸位置，以此完成对该微球的位置标定；基于上述过程，可以完成对单个微球的重复捕获，该方法可以克服传统光阱系统无法重复捕获微球的问题。

附图说明

图1是一种双光束光阱中重复捕获微球的流程示意图。

图2是一种双光束光阱中重复捕获微球实现的一个模块及光路示意图。

图3是一种双光束光阱中重复捕获微球的起支模块示意图。

图4是一种双光束光阱中重复捕获微球的压电陶瓷驱动装置示意图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施方式对本发明做进一步的阐述。

参照图1，双光束光阱中重复捕获微球装置包括起支模块、单光束光阱捕获模块、双光束光阱捕获模块与成像模块：

所述的单光束光阱模块用于完成对微球的初始悬浮，当起支模块将微球振离玻片表面时，可以被单光束光阱捕获。

所述的双光束光阱模块用于完成对微球的再次捕获，当单光束光阱完成对微球的捕获后，可以打开双光束光阱，此时，微球可以仅仅依靠双光束光阱悬浮在空气中，因此可以关闭单光束光阱，实现微球在双光束光阱中的稳定捕获。

所述的起支模块用于完成对微球的起支，通过对压电陶瓷施加频率与幅度可调的振动，完成微球与玻璃基板的脱离，使之可以被光阱捕获。

所述的成像模块用于观测微球的捕获状态，同时也可以用于完成捕获完成后被捕获粒子的标定以实现再次捕获。

参照图2，所述的单光束光阱捕获模块包括激光器1、准直透镜2、准直透镜3、反射镜4以及聚焦物镜5，激光器1发出激光，即初始捕获光束，经第一准直透镜2、第二准直透镜3准直扩束后，经反射镜4进入聚焦物镜5后形成高聚焦光阱，在焦点处对微球5进行捕获。

参照图2，所述的双光束光阱捕获模块包括激光器6、聚焦物镜7、聚焦物镜8以及激光器9，激光器6与激光器9发射出激光，经过聚焦物镜7和聚焦物镜8聚焦后形成水平双光束光阱。

参照图2，所述的成像模块包括物镜11以及CCD12，物镜焦点即为微球捕获位置，则微球可以成像在CCD，据此可以观测微球捕获状态，在微球降落至玻片后也可以观察其位置。

参照图3，所述的起支模块包括玻片、位移台、压电陶瓷与压电陶瓷驱动，其中压电陶瓷驱动能输出驱动信号控制压电陶瓷振动，通过调节驱动信号的频率、振幅与持续时间可以控制压电陶瓷振动强度，从而使该振动恰好使微球脱离玻片表面，实现对微球起支的精确控制。

参照图4，所述的压电陶瓷驱动电路包括直流电源DC1、电阻R2、R5，电容C3、C4，MOSFET管、压电陶瓷与input信号，其主要是通过input信号控制MOSFET管进行高速的开关；从而在压电陶瓷两端形成高频电压振荡，通过控制input的输入信号，可以控制压电陶瓷两端信号的强度、频率与作用时间，由于压电陶瓷随着其两端施加电压从而产生形变，因此高频震荡的电路将会令压电陶瓷形成高频振动，从而使粘附其上的玻片产生巨大的瞬时加速度，该加速度可以导致微球脱离玻片表面。

所述的微球为尺寸在纳米到微米量级的光学均匀透明微球。

一种在双光束光阱中重复捕获微球的应用实施实例，步骤如下：

1）在进行初次捕获前，将单光束与双光束光阱模块的捕获区间调节至同一位置，同时利用位移台控制移动压电陶瓷以及粘附于其上的玻片，控制玻片上的微球略低于光阱捕获位置数百微米，并调节成像模块使之可以观测微球捕获状态；

2）当需要完成捕获时，首先打开单光束光阱激光器，使之形成可捕获区域，然后打开起支模块控制压电陶瓷振动，令小球获取恰好脱离玻片表面的振动强度，使其被单光束光阱捕获；

3）完成单光束捕获后，操控位移台下移压电陶瓷与玻片基板，直到玻片不阻挡双光束光阱光路空间，然后打开双光束光阱，此时微球位于双光束光阱与单光束光阱共同捕获区间，然后可以关闭单光束光阱系统，令微球在双光束光阱中被稳定捕获，完成不同光阱间捕获状态的转换；

4）完成双光束光阱捕获后，需要将微球再次放置在玻片上，具体步骤如下：先打开单光束光阱捕获模块激光，然后关闭双光束光阱捕获模块，在此过程保证微球逐渐被单光束光阱悬浮在空气中，然后调节位移台上移起支模块，令玻片低于捕获位置数十至数百微米，然后逐渐减小单光束光阱激光器光强，使微球逐渐降落至玻片，此过程中，使用成像模块观察微球降落至玻片全过程，并在玻片上标定出已捕获微球位置；

5）待微球降落至玻片后，可以关闭单光束光阱，当需要再次捕获微球时，则可以重复上述四个步骤，完成微球在双光束光阱中的重复捕获。

最后，上述实施方式仅用于说明而不是限制本发明，本领域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，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权利要求的保护范围当中。

Claims (6)

1.一种在双光束光阱中重复捕获微球的方法，其特征是，步骤如下：

1）在双光束光阱捕获模块中进行重复捕获前，调节单光束光阱捕获模块与双光束光阱捕获模块捕获区间位于同一位置，使得微球可在任一光阱捕获模块中完成捕获并可在两种捕获状态之间转换，将起支模块移动至捕获位置下方数百微米后，利用成像模块完成对该区域的成像观测；

2）精确捕获特定微球，先利用起支模块精确起支特定微球，使得微球在单光束光阱捕获模块中实现捕获，随后降低起支模块并打开双光束光阱捕获模块，使得微球在双光束光阱捕获模块作用下实现捕获并逐渐关闭单光束光阱捕获模块，实现双光束光阱捕获模块捕获微球；所述的起支模块包括位移台、压电陶瓷、压电陶瓷驱动以及固定在压电陶瓷上的盖玻片，当需要捕获时，打开压电陶瓷驱动产生高频电压输入，完成对压电陶瓷的振动，用于完成对特定微球的振动起支，从而使特定微球脱离玻片表面；

3）利用起支模块收集捕获微球，再次打开单光束光阱捕获模块，使得微球依靠单光束光阱悬浮在空气中，关闭双光束光阱捕获模块激光，然后升高起支模块，关闭单光束光阱捕获模块，使得捕获微球降落在起支模块上，此过程中利用成像模块标定该微球；

4）需要重复捕获微球时，根据成像模块中标定的微球，重复上述步骤完成对同一微球的精确捕获。

2.一种采用如权利要求1所述方法的在双光束光阱中重复捕获微球装置，其特征是，包括起支模块、单光束光阱捕获模块、双光束光阱捕获模块与成像模块；

所述的单光束光阱捕获模块与双光束光阱捕获模块，均可实现对微球的捕获并且能够实现微球在两种不同捕获状态间转换；

所述的起支模块用于使待捕获微球脱离起支模块表面实现微球起支；

成像模块用于观察盖玻片表面的微球，依靠成像模块完成单光束光阱与待捕获微球的预对准，同时完成对需重复捕获微球的标定。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征是，所述的单光束光阱捕获模块依次包括激光器、准直透镜、反射镜与物镜，通过构造自下而上传输激光并由物镜聚焦形成高聚焦光斑，该高聚焦光斑作用在微球上的散射力克服重力保持微球的悬浮。

4.根据权利要求2所述的装置，其特征是，所述的双光束光阱捕获模块依次包括一对激光器与物镜，两束激光相向传输并由物镜聚焦在同一位置，此时两束聚焦激光的散射力相互抵消，依靠梯度力使微球悬浮在空气中，该模块与单光束光阱捕获模块对微球的捕获位置重合，在空间中被捕获的微球可由任意捕获模块捕获并且在这两种状态之间完成转换。

5.根据权利要求2所述的装置，其特征是，所述的成像模块依次包括物镜与CCD，完成对捕获微球的实时观测与微球降落后的位置标定。

6.根据权利要求2所述的装置，其特征是，所述的微球为尺寸在纳米到微米量级的光学均匀透明微球。

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