CN112858304A - 基于纳米微粒光学成像的光阱电场变化量标定装置及方法 - Google Patents

基于纳米微粒光学成像的光阱电场变化量标定装置及方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种基于纳米微粒光学成像的光阱电场变化量标定装置及方法，通过直观光学成像的方法，测量恒定电场作用下的线纳米粒子平衡位置位移量实现标定，避免错误信号的引入，增加差分标定的可信度。本发明的具体标定方法与装置不仅适用于电场量的标定，对于其他如磁力等的标定同样适用。通过本发明力学量的精确标定，可促进真空光阱传感技术的发展应用。同时本发明的标定装置可以帮助使用者进行感知微粒投送过程以及微粒动力学行为如粒子吸附、掉落等的监测。

Description

基于纳米微粒光学成像的光阱电场变化量标定装置及方法
技术领域
本发明涉及力场量标定标定领域，尤其涉及一种基于纳米微粒光学成像的光阱电场变化量标定装置及方法。
背景技术
光镊技术自上世纪七十年代由阿瑟·阿什金开创以来，作为捕获和操纵中性粒子的通用工具，已在分子生物学、纳米技术和实验物理学等领域得到广泛研究和应用。光镊技术通过激光束悬浮微粒可以简谐振子模型理解，相比传统的振子模型，光镊技术无接触机械耗散；进一步地，与液体或空气介质中的光镊系统不同，在真空中运作的光镊系统可实现悬浮单元与环境的完全隔离。基于上述优势，真空光镊技术在基础物理学如热力学、量子物理和传感领域应用物理学领域科学家对真空光镊开展了大量研究。
在应用真空光阱进行高灵敏度的力学量传感领域，通常将感知微粒通过光镊技术悬浮在真空光阱中，通过测量感知微粒的散射光信号变化来解析微粒受到的力场。通常信号解析首先要做的是建立粒子前向散射光差分信号与粒子在光阱中的位置的关系，建立这种对应关系就是标定的过程。当前对于纳米级的感应粒子的标定方法是通过粒子在力场中自由加速运动位移的测试来实现的，具体来说，首先利用冷却技术将微粒冷却到光阱中心位置，然后关闭捕获光源，粒子在恒定力场中加速运动一段时间后，重新捕获粒子，观察粒子差分信号的变化，实现粒子的力场标定。这种方法要求要求对光源和外部恒定力场的快速精确开关控制，误差来源多，并且测试方法不够直观。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种基于纳米微粒光学成像的光阱电场变化量标定装置及方法，通过力学量的精确标定，将促进真空光阱传感技术的发展应用，且通过微粒的直观成像也能够帮助使用者直观进行微粒的表现和动力学行为检测。
本发明的目的通过如下的技术方案来实现：
一种基于纳米微粒光学成像的光阱电场变化量标定装置，该装置包括第一激光器、第二激光器、真空腔、物镜、电场施加单元、电场量控制单元、分束器、滤波单元、凸透镜、成像仪；
在所述第一激光器的光轴上依次设置所述分束器、所述物镜和电场施加单元；所述真空腔包围所述物镜和电场施加单元，为所述纳米微粒提供真空环境；所述电场施加单元外接所述电场量控制单元，所述电场施加单元能够产生x,y,z三个方向的平行电场；
所述第二激光器与所述第一激光器的光轴垂直，且两个光轴的交点与所述物镜形成的光学势阱的焦点重合；
所述滤波单元、凸透镜、成像仪依次设置在所述分束器的反射光路上，所述滤波单元能够隔离所述第一激光器出射波长并透射所述第二激光器出射波长。
进一步地，所述成像仪放置在黑箱中，为所述成像仪抑制杂光。
进一步地，所述分束器为BS分束器或双色片。
进一步地，所述滤波单元为隔离器或滤波片。
进一步地，所述电场施加单元为两对平行电极板。
一种基于纳米微粒光学成像的光阱电场变化量标定方法，该方法基于上述的装置来实现，该方法具体包括如下步骤：
S1：所述第一激光器出射波长为λ1的捕获激光，透过所述分束器后进入所述真空腔，由所述物镜聚焦形成光学势阱，将所述纳米微粒囚禁于所述光学势阱中；保证所述纳米微粒携带电子；所述第二激光器出射波长为λ2的平顶激光，照射所述光学势阱；
S2：不施加电场，等待微粒冷却后，记录所述成像仪的像面上的散射光分布；
S3：由所述电场量控制单元控制所述电场施加单元为所述纳米微粒施加x方向或y方向的平行电场，分别调节电场量变化，冷却所述纳米微粒，记录所述成像仪的像面上的散射光分布；所述x方向为光阱捕获光的偏振方向，所述第一激光器出射光方向为z方向，垂直于x和z的为y方向；
S4：根据点扩散函数反卷积图像处理得到物体原像，再通过高斯图像处理，计算不同电场量作用下的的纳米微粒质心位置变化；
S5：根据所述纳米微粒质心位置变化与电场量变化函数关系，得到x方向或y方向的标定系数，完成标定。
本发明的有益效果如下：
（1）本发明的方法通过力学量的精确标定，将促进真空光阱传感技术的发展应用。
（2）本发明的装置与现有的真空光镊体系兼容，不干扰其常规功能的实现。
（3）本发明的微粒成像技术可以帮助使用者监控感知微粒投送过程，有助于优化纳米微粒有效捕获效率。
（4）本发明的装置也可以用于微粒的直观成像，帮助使用者直观进行微粒的其他表观和动力学行为监测，如粒子吸附、掉落等。
附图说明
图1为本发明的装置示意图。
图2为本发明方法中电场量随纳米微粒的位移变化的示意图。
图3为本发明的反射光路中物面到像面成像的示意图。
图4为本发明的方法流程图。
图5为一个在物面焦点处直径0.1μm微球经过传输光学系统后成像和点扩散函数反卷积处理后的成像结果图，其中，(a)为物体原像o(x',y')；(b)为成像系统点扩散函数h(x',y')；(c)为物体原像经过成像系统后输出的像i(x',y')；(d)为反卷积输出图像o(x',y')。
图中，第一激光器1、第二激光器2、真空腔3、物镜4、纳米微粒5、电极板6、电场量控制单元7、分束器8、滤波片9、凸透镜10、成像仪11、黑箱12。
具体实施方式
下面根据附图和优选实施例详细描述本发明，本发明的目的和效果将变得更加明白，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明的基于纳米微粒光学成像的光阱电场变化量标定装置，在原有的真空光阱捕获光路系统中，加入一条专门的微粒位置动态成像的光路系统。即，利用一束平行激光束直接照射纳米微粒，引起纳米微粒的散射，利用光阱形成的紧聚焦物镜收集微粒对平行激光束的散射光，将收集后的散射光汇聚成像到成像仪上。在不同的外电场场强下，测量一组微粒冷却后在成像仪的像面上的位置，结合点扩散函数标定质心位置与电场量之间的关系，实现电场量的标定。
如图1所示，作为其中一种实施方式，本发明的装置包括第一激光器1、第二激光器2、真空腔3、物镜4、电场施加单元6、电场量控制单元7、分束器8、滤波单元9、凸透镜10、成像仪11。
在第一激光器1的光轴上依次设置分束器8、物镜4和电场施加单元6；真空腔3包围物镜4和电场施加单元6，为纳米微粒提供真空环境；电场施加单元6外接电场量控制单元7，电场施加单元6能够产生x,y,z三个方向的平行电场，优先选用平行电极板。
所述分束器8优先选用BS分束器或双色片。
第二激光器2与第一激光器1的光轴垂直，且两个光轴的交点与物镜4形成的光学势阱的焦点重合；
滤波单元9、凸透镜10、成像仪11依次设置在所述分束器8的反射光路上，滤波单元9选用隔离器或滤波片，能够隔离第一激光器1出射波长并透射第二激光器2出射波长。
为了抑制杂光，提高成像的信噪比，将所述成像仪11放置在黑箱12中。
在真空光阱中悬浮纳米微粒，并控制投送到光阱中的微粒携带n个电子，也即具有电量q=ne；在不加外电场的情况下，纳米微粒在光阱中的受力模型可以用简单的谐振子模型来，也即为F 1=k∆r，其中k为光阱刚度，∆r为纳米微粒质心相对光阱平衡位置的位移，F 1的方向指向平衡位置。外加电场后，光阱势能改变，微粒的平衡位置随之改变。当纳米微粒受到外界电场力F 2=qE，纳米微粒在光阱中会建立新的平衡位置
Figure 817654DEST_PATH_IMAGE001
由上式可以看到，质心平衡位置∆r0和电场量E的关系仅与纳米微粒电量q和纳米微粒在光阱中的刚度k有关。对于一套真空光阱系统，光阱功率和捕获微球确定后，q和k便不发生变化，因此可以通过改变电场量E和测量质心平衡位置∆r0的方式进行电场量标定。
如图2所示，随着x方向外加电场的增加，微粒在x方向偏离中心位置增加，由于非线性光学效应，光学势阱不是完全高斯型的，微球在光阱中的刚度在微球远离中心位置较小时是接近线性的，在远离光阱中心位置后是非线性的；因此随着电场量变化，质心平衡位置的变化也是先线性后非线性。本发明通过调控外加电场量，测量冷却后的平衡位置实现微粒的电场量标定。电场变化量E可以通过调节电极板两端电压高精度调节实现，电场标定的灵敏度限制在微球位置的探测；基于图1所示的测量装置，微粒位置成像的分辨率受限于约500nm的光学系统的衍射分辨率，与纵向尺寸约
Figure 875740DEST_PATH_IMAGE002
的光阱捕获区域尺寸相当，标定困难。为了提高这种基于光学成像法电场量标定的精度，本发明的标定方法引入图像识别技术：（1）通过光学系统点扩散函数反卷积提高图像分辨率，（2）通过图像二维高斯拟合算法求解质心中心位置。通过测量一系列的变化电场后的微粒冷却后质心位置，建立x轴或y轴方向电场量与微粒位移变化量的关系。
下面介绍利用点扩散函数反卷积图像处理提高分辨率的方法。
本发明的装置中纳米微粒光学成像的部分可以简化为图3所示的成像系统。定义光传输方向为z方向，捕获光的电场振动方向也即偏振方向定义为x方向，与这两个轴垂直的方向定义为y方向。
一个点物的光场可以用一个δ函数表示，这一输入函数通过成像系统的变换，在像平面上产生的输出函数h(x',y')称为点扩散函数。设物面上扩展物体在像面上的亮度为o(x,y)，由于物体可以看作是一系列点物组成，所以o(x,y)可以写作是一系列物点场分布的δ函数组成
Figure 186635DEST_PATH_IMAGE003
其像平面上的每一点处的光强i(x',y')可以看作是物平面上每一处光强o(x,y)在像平面(x',y') 处所形成的的光强的线性叠加，即
Figure 988369DEST_PATH_IMAGE004
h(x,y,x',y')是物平面上(x,y)处单位光强值的物点经过光学系统后在像平面上形成的点扩散函数光强分布。
由于微粒位置满足傍轴条件，其所在物平面任意位置(x,y)上单位光强值的物点，在像平面上所形成的光强分布是相同的，
在数学上，i(x',y')是o(x',y')和h(x',y')两个函数的卷积，可以表示为
Figure 6004DEST_PATH_IMAGE005
也即扩展物体的像的强度分布可以表示为系统点扩散函数和物的几何光学像的强度分布函数的卷积。
因此，如图4所示，本发明的基于纳米微粒光学成像的光阱电场变化量标定方法，具体包括如下步骤：
S1：第一激光器1出射波长为λ1的捕获激光，透过分束器8后进入真空腔3，由物镜4聚焦形成光学势阱，将纳米微粒5囚禁于光学势阱中；保证纳米微粒5携带电子；第二激光器2出射波长为λ2的平顶激光，照射光学势阱；
S2：不施加电场，等待微粒冷却后，记录所述成像仪11的像面上的散射光分布；
S3：由电场量控制单元7控制电场施加单元6为纳米微粒5施加x方向或y方向的平行电场，分别调节电场量变化，冷却纳米微粒5，记录成像仪11的像面上的散射光分布；
S4：根据点扩散函数反卷积图像处理得到物体原像，再通过高斯图像处理，计算不同电场量作用下的的纳米微粒5质心位置变化；
S5：根据纳米微粒5质心位置变化与电场量变化函数关系，得到x方向或y方向的标定系数，完成标定。
下面以一个具体的实施例对本发明的装置和方法进行说明。
在该实施例中，第一激光器出射的捕获激光的波长为1064nm，物镜4的NA=0.8，有效通光孔径D=0.8，镜筒长度200mm，第一激光器出射的平顶激光的波长为532nm，且平顶激光垂直照射光学势阱，纳米微粒为半径0.05μm的二氧化硅微球，透镜的焦距为200mm。系统的放大倍数为100倍，第二激光器发出的光波长为532nm，则系统的分辨率约为500nm。
半径为0.05μm微球的在物面上的光强分布设为
Figure 94046DEST_PATH_IMAGE006
光学系统的放大倍数为100倍，则成像系统上
Figure 266139DEST_PATH_IMAGE007
光学系统的点扩散函数可以测量得到，作为实例，依据经验，可以将成像系统系统的点扩散函数可以简化为σ=0.25*100μm的二维高斯函数，表示为
Figure 996197DEST_PATH_IMAGE008
成像系统得到的信号为
Figure 337180DEST_PATH_IMAGE009
图5给出了模拟一个在物面焦点处半径0.05μm微球经过传输光学系统后成像和点扩散函数反卷积处理后的成像结果。
纳米微球在恒定光场照射下的图像成像后是一个圆形斑点，分辨率约为500nm；根据点扩散函数反卷积可以将分辨率优化到10nm量级；进一步地通过二维高斯拟合得到微粒的质心位置变化，如图5中反卷积输出图像o(x',y')中虚线交点所示。模拟事例中的运算还原100倍放大前的结果。可以看到经过反卷积后的物象与原像几乎一致，从而可以保证本发明的标定精度。
本领域普通技术人员可以理解，以上所述仅为发明的优选实例而已，并不用于限制发明，尽管参照前述实例对发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实例记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在发明的精神和原则之内，所做的修改、等同替换等均应包含在发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于纳米微粒光学成像的光阱电场变化量标定装置，其特征在于，该装置包括第一激光器（1）、第二激光器（2）、真空腔（3）、物镜（4）、电场施加单元（6）、电场量控制单元（7）、分束器（8）、滤波单元（9）、凸透镜（10）、成像仪（11）；
在所述第一激光器（1）的光轴上依次设置所述分束器（8）、所述物镜（4）和电场施加单元（6）；所述真空腔（3）包围所述物镜（4）和电场施加单元（6），为所述纳米微粒提供真空环境；所述电场施加单元（6）外接所述电场量控制单元（7），所述电场施加单元（6）能够产生x,y,z三个方向的平行电场；
所述第二激光器（2）与所述第一激光器（1）的光轴垂直，且两个光轴的交点与所述物镜（4）形成的光学势阱的焦点重合；
所述滤波单元（9）、凸透镜（10）、成像仪（11）依次设置在所述分束器（8）的反射光路上，所述滤波单元（9）能够隔离所述第一激光器（1）出射波长并透射所述第二激光器（2）出射波长。
2.根据权利要求1所述的基于纳米微粒光学成像的光阱电场变化量标定装置，其特征在于，所述成像仪（11）放置在黑箱（12）中，为所述成像仪（11）抑制杂光。
3.根据权利要求1所述的基于纳米微粒光学成像的光阱电场变化量标定装置，其特征在于，所述分束器（8）为BS分束器或双色片。
4.根据权利要求1所述的基于纳米微粒光学成像的光阱电场变化量标定装置，其特征在于，所述滤波单元（9）为隔离器或滤波片。
5.根据权利要求1所述的基于纳米微粒光学成像的光阱电场变化量标定装置，其特征在于，所述电场施加单元（6）为两对平行电极板。
6.一种基于纳米微粒光学成像的光阱电场变化量标定方法，其特征在于，该方法基于权利要求1所述的装置来实现，该方法具体包括如下步骤：
S1：所述第一激光器（1）出射波长为λ1的捕获激光，透过所述分束器（8）后进入所述真空腔（3），由所述物镜（4）聚焦形成光学势阱，将所述纳米微粒（5）囚禁于所述光学势阱中；保证所述纳米微粒（5）携带电子；所述第二激光器（2）出射波长为λ2的平顶激光，照射所述光学势阱；
S2：不施加电场，等待微粒冷却后，记录所述成像仪（11）的像面上的散射光分布；
S3：由所述电场量控制单元（7）控制所述电场施加单元（6）为所述纳米微粒（5）施加x方向或y方向的平行电场，分别调节电场量变化，冷却所述纳米微粒（5），记录所述成像仪（11）的像面上的散射光分布；所述x方向为光阱捕获光的偏振方向，所述第一激光器（1）出射光方向为z方向，垂直于x和z的为y方向；
S4：根据点扩散函数反卷积图像处理得到物体原像，再通过高斯图像处理，计算不同电场量作用下的的纳米微粒（5）质心位置变化；
S5：根据所述纳米微粒（5）质心位置变化与电场量变化函数关系，得到x方向或y方向的标定系数，完成标定。
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