CN114220585A - 基于自适应光学的双光束操纵系统及样品操作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于自适应光学的双光束操纵系统，包括按照光路依次设置的激光器、用于调整水平偏振光比例的半波片、第一光学4F系统、第一反射镜、加载有两个不同相位图信息区域的空间光调制器、四分之一波片、聚焦透镜、第二反射镜、第二光学4F系统、第三反射镜、第三光学4F系统、二向色镜、物镜、样本台和成像单元；本发明利用爬山法改变Zernike系数，并通过改变空间光调制器的波前编码将波前调整为理想波前，实现对样本的深度操作或对高相差样本操作的目的，本发明扩大了光镊的操作样本范围，可以对厚度厚的样本进行操作，并且适用于像差大的样品操作。

Description

基于自适应光学的双光束操纵系统及样品操作方法

技术领域

本发明涉及光学仪器领域、微纳操作领域、分子生物学领域以及自适应光学领域，具体涉及基于自适应光学的双光束操纵系统。

背景技术

光镊是基于光与物质之间动量传递产生的一种对微纳颗粒捕获和操纵的方法。由于光镊操控微粒具有无机械接触和低损伤的优点，光镊被广泛应用于生物分子学领域的研究。

专利文献《一种基于空间光调制器的双光束光镊系统》(公开号为CN105629454A)，通过半波片和空间光调制器可以实现双光束光镊中单个光束的波前编码和强度调制，大大提供高了多光束光镊的应用。但是该光镊系统存在不能对样本进行深度操作且不适用于具有高像差样本等问题，使得实际操作具有一定的局限性，而且限制了光镊的使用范围。

发明内容

本发明针对目前光镊系统不适用于深度操作、在高像差样本中使用受限等问题，提出了基于自适应光学的双光束操纵系统，利用空间光调制器，对样品的波前差进行补偿，实现对样本的深度操作和高像差样本的操纵。

一种基于自适应光学的双光束操纵系统，包括：

按照光路依次设置的激光器、用于调整入射光的偏振方向的半波片、第一光学4F系统、第一反射镜、加载有两个不同相位图信息的调制区域的空间光调制器、四分之一波片、聚焦透镜、第二反射镜、第二光学4F系统、第三反射镜、第三光学4F系统、用于透过入射光束反射照明光束的二向色镜、物镜、样本台和成像单元；

激光器输出的光束经过所述半波片对水平偏振光的相对比例进行调节,第一光学4F系统后被所述第一反射镜反射到所述空间光调制器的对应加载向左倾斜相位图的第一调制区域，对半波片输出的水平偏振光进行相位调制后，经过所述四分之一波片、聚焦透镜后被第二反射镜反射，再次通过聚焦透镜、四分之一波片后，产生了半波相位延迟，原来垂直偏振光变为水平偏振光，到达空间光调制器加载有向右倾斜相位图的第二调制区域，完成对原来垂直偏振光的相位调制后，使水平偏振光和垂直偏振光的传输方向上形成微小的倾斜角度，从而产生两个分离的光势阱；再依次经过第二光学4F系统、第三反射镜、第三光学4F系统、二向色镜、物镜到达所述样本台；照明光束经过物镜后被二向色镜反射后达到所述成像单元成像；

所述空间光调制器用于对光束的相位和波前的调制，通过波前调整实现波前的矫正。在第一调制区域对水平分量进行调整，实现水平偏振光的波前补偿；从空间光调制器出射的光束经过两次四分之一波片，产生了半波相位延迟，原来水平方向的偏振变为垂直方向，相位和波前不会被第二调制区域调制；原来垂直方向的偏振变为水平方向，被空间光调制器的第二调制区域调制，使原来垂直偏振光得到波前补偿，利用两个调制区域分别对两光阱的波前补偿，最终实现光束最终的波前矫正。

所述爬山法是对波前差进行遍历，通过改变Zernike系数来改变空间光调制器的波前调制，使得波前得到矫正。

本发明利用爬山法改变Zernike系数，通过空间光调制器对两个调制区域进行波前调制实现波前调整，对深层次的样品进行操作。

所述成像单元包括：

对样品提供光源的LED光源；

将二向色镜反射的照明光束进行聚焦准直的镜筒透镜；

接收镜筒透镜光束并成像的相机。

作为优选，所述第一光学4F系统、第二光学4F系统、第三光学4F系统均包括两个相距2f且焦距为f的透镜；本发明中，经第一光学4F系统扩束后的激光束直径变大、远场发散角减小，有利于光束的聚焦。第二光学4F系统、第三光学4F系统同样起到扩束的作用。

作为优选，所述第三反射镜用于压缩光路，减小光镊系统体积。

作为优选，还包括计算机；所述计算机利用爬山法改变Zernike系数矫正光束波前。

作为优选，还包括：用于检测透过样本光束波前的波前传感器；所述计算机同时参考波前传感器的波前信号，利用爬山法改变Zernike系数矫正光束波前。利用波前传感器进行光束波前的检测，可以更快速高效的完成波前调整。

所述照明光束通过所述样本台和物镜后，被所述二向色镜反射，再经过镜筒透镜将准直光重新聚焦到相机探测面的有效区域。

所述半波片可绕光轴旋转，通过旋转半波片，调整出射光偏振方向为空间光调制器的敏感方向。

所述激光器为红外波段激光器。

作为优选，所述激光器的平均输出功率为400mW或400mW以上。所述激光器输出激光波长为1064nm，平均输出功率为500mW。

一种利用上述任一项所述操纵系统进行样品操作方法，包括：

利用爬山法改变Zernike系数，通过所述空间光调制器进行波前调制实现波前调整使得在物镜浸油层的波前为理想波前；

利用所述空间光调制器对入射光束进行相位调制，得到双光束入射光；

利用所述爬山法每次改变一项Zernike系数去不断波前差，经过迂回前进最后在浸油物镜的浸油层波前被矫正为理想波前；

进行光镊操作或对厚样品的操作。

相对于现有技术：本发明具有以下有益的技术效果：

1、利用本发明的双光束操纵系统可以实现对厚度厚的样本的操作；

2、利用本发明的双光束操纵系统同时可以实现对单个光势阱的相位调控从而实现各种深层次样品。

因此，该技术方案与原有技术相比，能够拓展光镊的操纵范围。

附图说明

图1为本发明的系统结构图，其中：激光器1，半波片2、第一光学4F系统3、第一反射镜4、空间光调制器5、四分之一波片6、聚焦透镜7、第二反射镜8、第二光学4F系统9、第三反射镜10、第三光学4F系统11、二向色镜12、物镜13、样本台14、LED光源15、镜筒透镜16、相机17、盖玻片18。

图2为样本不同深度波前示意图。

具体实施方式

下面结合附图说明本发明，但本发明并不限于此。

如图1所示是本发明的系统结构图，该实施例的双光束操作系统包括：激光器1，半波片2，第一光学4F系统3，第一反射镜4，空间光调制器5，四分之一波片6，聚焦透镜7，第二反射镜8，第二光学4F系统9，第三反射镜10，第三光学4F系统11，二向色镜12，物镜13，样本台14，LED光源15，镜筒透镜16，相机17。

其中，激光器1为1064nm大功率连续激光器，平均输出功率500mW,可以满足捕获生物微粒的需求。本实施例中可选用Coherent公司的Compass1064-4000M激光器。

激光器1出射的激光需要经过半波片2调整偏振和第一光学4F系统3扩束，半波片2用于调节水平偏振光的相对比例，使其光的偏振方向为空间光调制器5对应区域的敏感方向。第一光学4F系统3由两个相距2f且焦距为f的透镜组成，扩束后的激光束直径变大、远场发散角减小，有利于光束的聚焦。第二光学系统4F、第三光学4F系统与第一光学4F系统的结构类似。

空间光调制器5在左右两个不同位置处加载有具体的相位图信息。通过第一光学4F系统3扩束后的激光经第一反射镜4反射到空间光调制器5左侧部分(第一调制区域)，进行相位编码和波前补偿；通过四分之一波片6之后的光束被第二反射镜8反射到空间光调制器5右侧部分(第二调制区域)，进行相位编码和波前补偿。被两次相位编码后的光束经过第二光学4F系统9和第三反射镜10反射后，通过第三光学4F系统11和二向色镜12，到达物镜13，将空间光调制器5左右两侧的图形成像到物镜13的后焦面上，形成两个光势阱，对样本台14上的样本进行操作。

LED光源15出射照明光束，通过样本台14和物镜13后，被二向色镜反射，再经过镜筒透镜16对准直光重新聚焦到相机17探测面的有效区域。

利用空间光调制器5一方面可以实现对光束的波前调制，以实现对样品深层次的操作；同时利用空间光调制器5也可以对光束进行相位和光强调制，从而获得相对强度不同的双光势阱，实现光镊操作。

本实施例中，空间光调制器5可选用滨松公司的X10468-08型号的LCOS-SLM空间光调制器，调制波长范围620nm到1550nm，光转换效率为82％。该SLM中液晶是受直接而精确的电压控制，并能调制光束的波前。

本实施例中物镜13可以选用蔡司公司的420792-9900-000的浸油物镜，数值孔径为1.4，放大倍率为100倍。

实施例

下面结合实施例来对本发明所提出的基于自适应光学的双光束操纵系统进行进一步说明，但本发明并不限于此。

激光器1产生波长为1064nm的光束，经过半波片2和第一光学4F系统3。半波片2调整入射光的水平偏振光比例，第一光学4F系统3会光束扩束，减小光束的发散角，使出射光束平行度更好。

激光器1出射光束是偏振光，由于空间光调制器5只对特定的偏振光敏感，因此通过旋转四分之一波片6调节光束的偏振方向，从而使经过两次四分之一波片6的出射光束的偏振方向与空间光调制器5右侧调制区域敏感方向一致。

从空间光调制器5右侧出射的光束经过第二光学4F系统9和第三反射镜10反射后，通过第三光学4F系统11和二向色镜12，到达物镜13，将空间光调制器5左右两侧的图形成像到物镜13的后焦面上。

LED光源15出射照明光束，通过样本台14和物镜13后，被二向色镜反射，再经过镜筒透镜16把物镜对物平面进行准直后的光束重新聚焦到相机17探测面的有效区域。

如图2样本不同深度波前示意图。位置1、2、3、4处为样本的波前，在电脑上利用爬山法每次改变一项Zernike系数，通过改变空间光调制器的波前编码调整光束的波前，经过迂回前进最后波前经过盖玻片18后，在浸油物镜13的浸油层中，即在位置4处把波前矫正为理想波前。由于对波前的矫正使得双光束光镊可以对厚度厚的样本进行操作，并且适用于像差大的样品操作。

最后需要说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的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，都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精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (8)

1.一种基于自适应光学的双光束操纵系统，其特征在于，包括：

按照光路依次设置的激光器、用于调整入射光的偏振方向的半波片、第一光学4F系统、第一反射镜、加载有两个不同相位图信息的调制区域的空间光调制器、四分之一波片、聚焦透镜、第二反射镜、第二光学4F系统、第三反射镜、第三光学4F系统、用于透过入射光束反射照明光束的二向色镜、物镜、样本台和成像单元；

激光器输出的光束经过所述半波片和第一光学4F系统后被所述第一反射镜反射到所述空间光调制器的对应第一调制区域，完成一次相位调制后，经过所述四分之一波片、聚焦透镜后被第二反射镜反射，再次通过聚焦透镜、四分之一波片后，到达空间光调制器第二调制区域，完成二次相位调制后依次经过第二光学4F系统、第三反射镜、第三光学4F系统、二向色镜、物镜到达所述样本台；反射的照明光束经过物镜后被二向色镜反射后达到所述成像单元成像；

利用所述空间光调制器对光束在样品中的波前进行波前校正，使得光束在物镜浸油层的波前为理想波前。

2.根据权利要求1所述的基于自适应光学的双光束操纵系统，其特征在于，所述成像单元包括：

对样品提供光源的LED光源；

将二向色镜反射的照明光束进行聚焦准直的镜筒透镜；

接受镜筒透镜光束并成像的相机。

3.根据权利要求1所述的基于自适应光学的双光束操纵系统，其特征在于，还包括计算机；所述计算机利用爬山法改变Zernike系数矫正光束波前。

4.根据权利要求1或3所述的基于自适应光学的双光束操纵系统，其特征在于，还包括：用于检测透过样本光束波前的波前传感器；所述计算机同时参考波前传感器的波前信号，利用爬山法改变Zernike系数矫正光束波前。

5.根据权利要求1所述的基于自适应光学的双光束操纵系统，其特征在于，所述第一光学4F系统、第二光学4F系统、第三光学4F系统均包括两个相距2f且焦距为f的透镜；所述激光器为红外波段激光器。

6.根据权利要求1所述的基于自适应光学的双光束操纵系统，其特征在于，所述激光器的平均输出功率为400mW或400mW以上。

7.根据权利要求1所述的基于自适应光学的双光束操纵系统，其特征在于，所述激光器输出激光波长为1064nm，平均输出功率为500mW。

8.一种利用权利要求1-7任一项所述操纵系统进行样品操作方法，其特征在于，包括：

利用所述空间光调制器对光束在样品中的波前进行波前校正，使得光束在物镜浸油层的波前为理想波前；

利用所述空间光调制器对入射光束相位进行调制，得到双光束入射光；

利用所述成像单元对样品深层次的样本成像；

进行深层次样品操作或高像差样品操作。

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