CN113409980B - 一种动态多焦点光镊的产生装置及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种动态多焦点光镊的产生装置及使用方法，包括光场相位调制系统、光场聚焦系统、照明成像系统以及动态多焦点光镊观察装置；所述光场相位调制系统，用于设计光斑运动轨迹；在所述光场聚焦系统中，激光器发出的激光经过已加载相位图的空间光调制器产生相位调制的光斑，经显微物镜聚焦后捕获样品池中的微粒；所述照明成像系统，用于样品池的照明并成像于显示器；所述动态多焦点光镊观察装置，显示样品池中的微粒被捕获及运动状态。本发明通过光场相位调制系统将相位图加载到空间光调制器上，通过光场聚焦系统将光斑经过显示物镜聚焦在样品池，通过照明成像系统、动态多焦点光镊观察装置使样品池中的微粒，便于实现对粒子的输运观察。

Description

一种动态多焦点光镊的产生装置及使用方法

技术领域

本发明涉及激光应用技术领域，特别是涉及一种动态多焦点光镊的产生装置及使用方法。

背景技术

光镊的发明使光的力学效应走向实际应用，使人们在许多研究中从被动的观察转而成为主动的操控，同时光镊的应用范围也越来越广。光镊对于捕获微小粒子、测量微小作用力及生产微小器件等许多方面都有非常重要的意义。

光镊是一种先进的微操控工具，具有亚接触性、无创伤性、靶向性的特点，因而在捕获及操控微粒方面有着特殊的应用价值。光镊技术本身也由最初的单光束梯度力光阱(常规光镊)发展到光纤光镊，全息光镊，动态全息光镊，等离子体光镊，缝隙波导纳米光镊，扫描等离子体光镊，光子纳米射流光镊，光电纳米光镊等方面，光镊由于其可对多个微小粒子进行复杂的操控在微操控领域取得了快速的发展，在其本身的技术研究受到越来越多关注的同时，也在不断开拓与其他领域技术结合的应用。主要应用方面有：单细胞、病毒和细菌的操控，单个马达蛋白的光学操控，单个DNA分子的直接选择性捕获，活体动物的细胞操纵，利用光子波导组件对多种活细菌进行捕获等。

全息光镊是光学捕获中广泛采用的一种方法，通过空间光调制器来调制光场的偏振态及振幅相位，进而可以在焦平面上产生相位调制的光斑。空间光调制器的接收装置里有很多可以用电或光编址的液晶，利用算法编程可以控制空间光调制器上的液晶分布，并且产生带有衍射信息的三维光势阱，且能够在空间中任意位置处分布。通过在空间光调制器中加载不同的衍射相位图样，激光束经过空间光调制器可以产生动态的相位调制光斑。空间光调制器可以改变激光束的衍射光学信息并重新分配，会有较大的能量损耗，因此全息光镊的缺点是效率比较低。

发明内容

本发明的目的就在于为了解决上述问题而提供一种动态多焦点光镊的产生装置及使用方法。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的：

一种动态多焦点光镊的产生装置，包括光场相位调制系统、光场聚焦系统、照明成像系统以及动态多焦点光镊观察装置；

所述光场相位调制系统包括计算机和空间光调制器，所述光场相位调制系统通过matlab运行出相应的相位图，再通过数据线将生成的多幅相位图加载到所述空间光调制器上，产生动态多焦点光斑；

所述光场聚焦系统包括激光器、可变分束器、空间滤波系统、扩束镜、偏振片、反射镜、空间光调制器、第一透镜、小孔光阑、第二透镜、长波通二向色镜、显微物镜、三维微调节移动平台、样品池，所述光场聚焦系统用于使所述激光器发出的激光经过已加载相位图的所述空间光调制器产生相位调制的光斑，经镜片聚焦后捕获所述样品池中的微粒；

所述照明成像系统包括照明光源、第三透镜、样品池、三维微调节移动平台、显微物镜、长波通二向色镜、滤光片、成像透镜、相机和计算机，所述照明光源和所述第三透镜位于所述样品池上方，所述相机与计算机相连，所述照明成像系统用于照明样品池，并将微粒的运动情况成像于所述相机中；

所述动态多焦点光镊观察装置包括显示器，所述动态多焦点光镊观察装置实时显示样品池中的微粒运动状态。

进一步设置：所述光场相位调制系统激光传播方向依次为：激光器、可变分束器、空间滤波系统、扩束镜、偏振片、反射镜、空间光调制器、第一透镜、小孔光阑、第二透镜、长波通二向色镜、显微物镜、三维微调节移动平台、样品池。

如此设置，使所述激光器产生的激光经过可变分束器、空间滤波系统、扩束镜、偏振片、反射镜、空间光调制器、第一透镜、小孔光阑、第二透镜、长波通二向色镜、显微物镜到达样品池。

进一步设置：所述照明成像系统激光传播方向依次为：第三透镜、照明光源、滤光片、成像透镜、相机、显示器。

如此设置，通过所述照明光源发出的光经所述第三透镜聚焦与所述样品池，再经过所述显微物镜、所述长波通二向色镜、所述滤光片、所述成像透镜以及所述相机，最终成像在所述动态多焦点光镊观察装置上。

进一步设置：所述激光器为532nm波长的激光器，所述空间滤波系统由针孔和非球面透镜组成。

如此设置，便于通过所述激光器产生激光束，经过所述可变分束器调节发出激光的功率，然后通过调节针孔和非球面透镜的位置，使激光通过空间滤波系统的效率提高。

进一步设置：所述空间光调制器为反射型空间光调制器，像素数为1920*1080，像素尺寸为8微米，与计算机相连，所述空间光调制器上入射光与反射光的夹角<10°。

如此设置，使所述空间光调制器对激光进行相位加载调制。

进一步设置：所述第一透镜、所述第二透镜组成4f系统，其焦距分别为f1、f2，空间光调制器到所述第一透镜的距离为f1，所述第一透镜到所述小孔光阑的距离为f1，所述小孔光阑到所述第二透镜的距离为f2，所述第二透镜到所述显微物镜的距离为f2。

如此设置，使所述小孔光阑将需要的光斑进行滤过。

进一步设置：所述长波通二向色镜与激光的入射方向成45°夹角。

如此设置，使所述长波通二向色镜能够反射绿光，透射红光，通过所述显微物镜将激光聚集在所述样品池中。

进一步设置：所述三维微调节移动平台可带动所述样品池前后、左右、上下进行移动。

如此设置，便于通过所述三维微调节移动平台对所述样品池进行移动。

进一步设置：所述成像透镜与所述相机的距离为所述成像透镜的焦距，所述相机为CCD相机。

如此设置，便于通过所述相机将最清晰的成像显示在所述显示器上进行观察。

一种动态多焦点光镊的产生装置的使用方法，包括以下几个步骤：

a、样品池的制备：使用0.5-3μm的均匀微球，选取合适的浓度，使得在观察微粒的捕获与运动时画面清晰，无其他微粒的干扰，对配合的一定浓度的溶液充分的震荡，使微粒在溶液中的分布均匀，使用双面胶把洁净的盖玻片与载玻片粘合在一起，将充分震荡样品溶液滴入盖玻片与载玻片之间的间隙中，然后密封，将样品池放置在三维微调节移动平台上并固定；

b、通过激光器产生的激光经过可变分束器和空间滤波系统后变成平行光束，然后经过偏振片变成线偏振光，经过反射镜反射到达空间光调制器，经过空间光调制器的相位调制和反射后通过4f系统，再经长波通二向色镜反射，进入显微物镜，产生的聚焦光斑捕获和操控样品池内的微球；

c、移动三维微调节移动平台的载物台，使能够在显示器上观察到在样品池中的微粒，选取没有杂质微粒干扰的样品位置，微粒被光镊捕获，同时加载多幅相位图，选择合适的加载速度，使捕获的粒子能够做动态的运动。

与现有技术相比，本发明的有益效果如下：

通过光场相位调制系统将相位图加载到空间光调制器上，产生的光斑经过显示物镜聚焦在样品池中，移动载物台，使能够在显示器观察到样品池中的微粒，选取没有杂质微粒干扰的样品位置，微粒被光镊捕获，同时加载多幅相位图，选择合适的加载速度，使捕获的粒子能够做动态的运动，便于实现对粒子的输运观察。

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是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明所述一种动态多焦点光镊的产生装置的结构示意图；

图2是本发明使用方法的实验示意图；

图3是本发明实施例中的一种相位调制图；

图4是本发明实施例中的一种运动轨迹图。

附图标记说明如下：

1、激光器；2、可变分束器；3、空间滤波系统；4、扩束镜；5、偏振片；6、反射镜；7、空间光调制器；8、第一透镜；9、小孔光阑；10、第二透镜；11、长波通二向色镜；12、显微物镜；13、三维微调节移动平台；14、样品池；15、第三透镜；16、照明光源；17、滤光片；18、成像透镜；19、相机；20、显示器；101、光场相位调制系统；102、光场聚焦系统；103、照明成像系统；104、动态多焦点光镊观察装置。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”等的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以通过具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1-图4所示，一种动态多焦点光镊的产生装置，包括光场相位调制系统101、光场聚焦系统102、照明成像系统103以及动态多焦点光镊观察装置104；

光场相位调制系统101包括计算机和空间光调制器7，光场相位调制系统101通过matlab运行出相应的相位图，再通过数据线将生成的多幅相位图加载到空间光调制器7上，产生动态多焦点光斑；

光场聚焦系统102包括激光器1、可变分束器2、空间滤波系统3、扩束镜4、偏振片5、反射镜6、空间光调制器7、第一透镜8、小孔光阑9、第二透镜10、长波通二向色镜11、显微物镜12、三维微调节移动平台13、样品池14，光场聚焦系统102用于使激光器1发出的激光经过已加载相位图的空间光调制器7产生相位调制的光斑，经镜片聚焦后捕获样品池14中的微粒；

照明成像系统103包括照明光源16、第三透镜15、样品池14、三维微调节移动平台13、显微物镜12、长波通二向色镜11、滤光片17、成像透镜18、相机19和计算机，照明光源16和第三透镜15位于样品池14上方，滤光片17用于滤除激光经样品池14后反射到相机19中的绿光，便于观察，相机19与计算机相连，照明成像系统103用于照明样品池14，并将微粒的运动情况成像于相机19中；

动态多焦点光镊观察装置104包括显示器20，动态多焦点光镊观察装置104实时显示样品池14中的微粒运动状态。

优选的：光场相位调制系统101激光传播方向依次为：激光器1、可变分束器2、空间滤波系统3、扩束镜4、偏振片5、反射镜6、空间光调制器7、第一透镜8、小孔光阑9、第二透镜10、长波通二向色镜11、显微物镜12、三维微调节移动平台13、样品池14，使激光器1产生的激光经过可变分束器2、空间滤波系统3、扩束镜4、偏振片5、反射镜6、空间光调制器7、第一透镜8、小孔光阑9、第二透镜10、长波通二向色镜11、显微物镜12到达样品池14，扩束镜4对激光的扩束，产生平行光出射，偏振片5用于调节激光的偏振方向与空间光调制器7的偏振方向保持一致；照明成像系统103激光传播方向依次为：第三透镜15、照明光源16、滤光片17、成像透镜18、相机19、显示器20，通过照明光源16发出的光经第三透镜15聚焦与样品池14，再经过显微物镜12、长波通二向色镜11、滤光片17、成像透镜18以及相机19，最终成像在动态多焦点光镊观察装置104上；激光器1为532nm波长的激光器，空间滤波系统3由针孔和非球面透镜组成，便于通过激光器1产生激光束，经过可变分束器2调节发出激光的功率，然后通过调节针孔和非球面透镜的位置，使激光通过空间滤波系统3的效率提高；空间光调制器7为反射型空间光调制器，品牌Holoeye pluto，像素数为1920*1080，像素尺寸为8微米，与计算机相连，空间光调制器7上入射光与反射光的夹角<10°，使空间光调制器7对激光进行相位加载调制；第一透镜8、第二透镜10组成4f系统，其焦距分别为f1、f2，空间光调制器7到第一透镜8的距离为f1，第一透镜8到小孔光阑9的距离为f1，小孔光阑9到第二透镜10的距离为f2，第二透镜10到显微物镜12的距离为f2，使小孔光阑9将需要的光斑进行滤过；长波通二向色镜11与激光的入射方向成45°夹角，使长波通二向色镜11能够反射绿光，透射红光，通过显微物镜12将激光聚集在样品池14中；三维微调节移动平台13可带动样品池14前后、左右、上下进行移动，便于通过三维微调节移动平台13对样品池14进行移动；成像透镜18与相机19的距离为成像透镜18的焦距，相机19为CCD相机，便于通过相机19将最清晰的成像显示在显示器20上进行观察。

一种动态多焦点光镊的产生装置的使用方法，包括以下几个步骤：

a、样品池14的制备：使用0.5-3μm的均匀微球，选取合适的浓度，使得在观察微粒的捕获与运动时画面清晰，无其他微粒的干扰，对配合的一定浓度的溶液充分的震荡，使微粒在溶液中的分布均匀，使用双面胶把洁净的盖玻片与载玻片粘合在一起，将充分震荡样品溶液滴入盖玻片与载玻片之间的间隙中，然后密封，将样品池14放置在三维微调节移动平台13上并固定；

b、通过激光器1产生的激光经过可变分束器2和空间滤波系统3后变成平行光束，然后经过偏振片5变成线偏振光，经过反射镜6反射到达空间光调制器7，经过空间光调制器7的相位调制和反射后通过4f系统，再经长波通二向色镜11反射，进入显微物镜12，产生的聚焦光斑捕获和操控样品池14内的微球；

c、移动三维微调节移动平台13的载物台，使能够在显示器20上观察到在样品池14中的微粒，选取没有杂质微粒干扰的样品位置，微粒被光镊捕获，同时加载多幅相位图，选择合适的加载速度，使捕获的粒子能够做动态的运动。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。

Claims (4)

1.一种动态多焦点光镊的产生装置，其特征在于：包括光场相位调制系统(101)、光场聚焦系统(102)、照明成像系统(103)以及动态多焦点光镊观察装置(104)；

所述光场相位调制系统(101)包括计算机和空间光调制器(7)，所述光场相位调制系统(101)通过matlab运行出相应的相位图，再通过数据线将生成的多幅相位图加载到所述空间光调制器(7)上，产生动态多焦点光斑；

所述光场聚焦系统(102)包括激光器(1)、可变分束器(2)、空间滤波系统(3)、扩束镜(4)、偏振片(5)、反射镜(6)、空间光调制器(7)、第一透镜(8)、小孔光阑(9)、第二透镜(10)、长波通二向色镜(11)、显微物镜(12)、三维微调节移动平台(13)、样品池(14)，所述光场聚焦系统(102)用于使所述激光器(1)发出的激光经过已加载相位图的所述空间光调制器(7)产生相位调制的光斑，经镜片聚焦后捕获所述样品池(14)中的微粒；

所述光场相位调制系统(101)激光传播方向依次为：激光器(1)、可变分束器(2)、空间滤波系统(3)、扩束镜(4)、偏振片(5)、反射镜(6)、空间光调制器(7)、第一透镜(8)、小孔光阑(9)、第二透镜(10)、长波通二向色镜(11)、显微物镜(12)、三维微调节移动平台(13)、样品池(14)；

所述激光器(1)为532nm波长的激光器，所述空间滤波系统(3)由针孔和非球面透镜组成；

所述空间光调制器(7)为反射型空间光调制器，像素数为1920*1080，像素尺寸为8微米，与计算机相连，所述空间光调制器(7)上入射光与反射光的夹角<10°；

所述第一透镜(8)、所述第二透镜(10)组成4f系统，其焦距分别为f1、f2，空间光调制器(7)到所述第一透镜(8)的距离为f1，所述第一透镜(8)到所述小孔光阑(9)的距离为f1，所述小孔光阑(9)到所述第二透镜(10)的距离为f2，所述第二透镜(10)到所述显微物镜(12)的距离为f2；

所述长波通二向色镜(11)与激光的入射方向成45°夹角；

所述三维微调节移动平台(13)可带动所述样品池(14)前后、左右、上下进行移动；

所述照明成像系统(103)包括照明光源(16)、第三透镜(15)、样品池(14)、三维微调节移动平台(13)、显微物镜(12)、长波通二向色镜(11)、滤光片(17)、成像透镜(18)、相机(19)和计算机，所述照明光源(16)和所述第三透镜(15)位于所述样品池(14)上方，所述相机(19)与计算机相连，所述照明成像系统(103)用于照明样品池(14)，并将微粒的运动情况成像于所述相机(19)中；

所述动态多焦点光镊观察装置(104)包括显示器(20)，所述动态多焦点光镊观察装置(104)实时显示样品池(14)中的微粒运动状态。

2.根据权利要求1所述的一种动态多焦点光镊的产生装置，其特征在于：所述照明成像系统(103)激光传播方向依次为：第三透镜(15)、照明光源(16)、滤光片(17)、成像透镜(18)、相机(19)、显示器(20)。

3.根据权利要求1所述的一种动态多焦点光镊的产生装置，其特征在于：所述成像透镜(18)与所述相机(19)的距离为所述成像透镜(18)的焦距，所述相机(19)为CCD相机。

4.根据权利要求1-3任一所述的一种动态多焦点光镊的产生装置的使用方法，其特征在于：包括以下几个步骤：

a、样品池(14)的制备：使用0.5-3μm的均匀微球，选取合适的浓度，使得在观察微粒的捕获与运动时画面清晰，无其他微粒的干扰，对配合的一定浓度的溶液充分的震荡，使微粒在溶液中的分布均匀，使用双面胶把洁净的盖玻片与载玻片粘合在一起，将充分震荡样品溶液滴入盖玻片与载玻片之间的间隙中，然后密封，将样品池(14)放置在三维微调节移动平台(13)上并固定；

b、通过激光器(1)产生的激光经过可变分束器(2)和空间滤波系统(3)后变成平行光束，然后经过偏振片(5)变成线偏振光，经过反射镜(6)反射到达空间光调制器(7)，经过空间光调制器(7)的相位调制和反射后通过4f系统，再经长波通二向色镜(11)反射，进入显微物镜(12)，产生的聚焦光斑捕获和操控样品池(14)内的微球；

c、移动三维微调节移动平台(13)的载物台，使能够在显示器(20)上观察到在样品池(14)中的微粒，选取没有杂质微粒干扰的样品位置，微粒被光镊捕获，同时加载多幅相位图，选择合适的加载速度，使捕获的粒子能够做动态的运动。

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