CN218512724U - 基于可调贝塞尔光束对液体中微粒捕获和操控装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于可调贝塞尔光束对液体中微粒捕获和操控装置，包括激光器、贝塞尔光束产生模块、第三反射镜、缩束模块、照明模块、二色向镜和捕获模块；由激光器发出的连续激光束经贝塞尔光束产生模块获得一束空心激光束，空心激光束经第三反射镜反射后进入缩束模块进行缩束；缩束后的光束经二色向镜反射后进入捕获模块，获得贝塞尔光束，并实现对微粒的捕获。本实用新型利用贝塞尔光束对多微粒进行同时捕获，解决传统光镊技术中由于在离焦位置处光束发散以及微粒引起的光束严重畸变，从而导致捕获效率低的问题。此外，通过改变贝塞尔光束的尺寸实现多微粒的横向操控，这对液体中多微粒的原位分析以及细胞分选、运输具有重要意义。

Description

基于可调贝塞尔光束对液体中微粒捕获和操控装置

技术领域

本实用新型属于非线性光学应用领域，涉及到激光捕获和操控装置，具体涉及一种基于可调贝塞尔光束对液体中微粒捕获和操控装置。

背景技术

光镊作为一种无机械接触的微粒捕获和操控技术，在多个领域都得到了广泛的应用，例如染色体的分析与鉴定、光与物质相互作用过程中的动量转换研究、悬浮气溶胶的原位在线分析等。传统光镊均采用高斯分布的激光束作为光源。然而，由于在离焦位置处光束发散以及微粒引起的光束严重畸变。因此，采用高斯光束实现多微粒的捕获和操控较为困难，存在捕获和操控效率低问题。

发明内容

本实用新型的目的在于提供基于可调贝塞尔光束对液体中微粒捕获和操控装置，以解决现有技术中采用高斯光束对多微粒的捕获和操控的效率低的技术问题。

为解决上述技术问题，本实用新型采用的技术方案是：

基于可调贝塞尔光束对液体中微粒捕获和操控装置，包括激光器、贝塞尔光束产生模块、第三反射镜、缩束模块、照明模块、二色向镜和捕获模块；其中，由激光器发出的连续激光束经贝塞尔光束产生模块获得一束空心激光束，所述空心激光束经第三反射镜反射后进入缩束模块进行缩束；缩束后的光束经二色向镜反射后进入捕获模块，获得贝塞尔光束，并实现多微粒的捕获；照明模块、二色向镜和捕获模块均处于同一光轴。

进一步的，所述的激光器为780nm半导体连续激光器。

进一步的，所述的贝塞尔光束产生模块包括空心光束产生系统和第一显微物镜。

进一步的，所述的空心光束产生系统包括第一半波片、第一偏振分光棱镜、第二半波片、第一透镜、第二偏振分光棱镜、非线性介质、第三偏振分光棱镜、第一反射镜、第二反射镜和第三半波片；其中，由激光器发出的连续激光束通过第一半波片后进入第一偏振分光棱镜，第一偏振分光棱镜的反射光进入第一反射镜，经第一反射镜反射的进入第二反射镜，经第二反射镜反射的光通过第三半波片后依次进入第三偏振分光棱镜和非线性介质，经非线性介质透射的光由第二偏振分光棱镜反射进入第三反射镜；

第一偏振分光棱镜的透射光依次穿过第二半波片、第一透镜、第二偏振分光棱镜、非线性介质后进入；第一偏振分光棱镜、第二半波片、第一透镜、第二偏振分光棱镜、非线性介质和第三偏振分光棱镜处于同一光轴上，所述非线性介质处于第一透镜的焦点处。

进一步的，所述的空心光束产生系统中第一偏振分光棱镜的反射光为弱光，第一偏振分光棱镜的透射光为强光，其中弱光和强光反向共线相交于非线性介质中。

进一步的，所述的缩束模块包括第二透镜和第三透镜，经第三反射镜反射的光依次通过第二透镜和第三透镜缩束后进入二色向镜。

进一步的，所述的照明模块包括发光二极管和第四透镜；所述发光二极管出射的光经第四透镜聚焦后，再透射经过二色向镜；其中发光二极管和第四透镜处于同一光轴。

进一步的，所述的捕获模块包括样品池和成像装置，经二色向镜反射的光经过第一显微物镜进入到样品池后进入成像装置，所述样品池位于第一显微物镜的焦点处。

进一步的，所述的成像采集装置包括第二显微物镜、滤波片和成像器件，缩束后的光束和照明光经第一显微物镜进入到样品池后，依次经第二显微物镜、滤波片，进入成像器件。

进一步的，所述的成像器件为CCD相机、COMS相机或者ICCD相机。

本实用新型与现有技术相比具有以下优点：

(1)本实用新型基于交叉相位调制，实现了强高斯光束对弱高斯光束的调控，使其光强重新分布，获得贝塞尔光束；利用贝塞尔光束同心圆环光强分布的特点，产生多个光学势阱，实现在液体中多微粒的同时捕获。解决了传统光镊由于在离焦位置处高斯光束发散以及微粒引起的光束严重畸变，从而导致捕获效率低的问题。

(2)本实用新型通过改变交叉相位调制系统中强光的功率，进而改变贝塞尔光束的尺寸，实现多微粒的横向操控。这对液体中多微粒的原位分析以及细胞分选、运输具有重要意义，对光镊的实际应用具有重要意义。

(3)本实用新型通过改变交叉相位调制系统中弱光功率，进而调控捕获微粒的数量。

(4)本实用新型的分析装置结构易实现、操作方便、成本低、易于推广。

下面结合附图和实施例，对本实用新型的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本实用新型的整体结构示意图；

图2为本实用新型所产生的贝塞尔光束光斑随强光功率变化的实验图；

图3为本实用新型采用贝塞尔光束实现多微粒的同时捕获的实验图；

图4为本实用新型捕获微粒数量随着捕获贝塞尔光束功率变化的实验；

图5为捕获微粒数量随着捕获贝塞尔光束功率变化的线性拟合图；

图6为本实用新型通过改变交叉相位调制系统中强光功率实现多微粒的横向操控示意图。

图中各个标号的含义：1-激光器，2-贝塞尔光束产生模块，3-第三反射镜，4-缩束模块，5-照明模块，6-二色向镜，7-捕获模块；

201-空心光束产生系统，202-第一显微物镜；

2010-第一半波片，2011-第一偏振分光棱镜，2012-第二半波片、2013-第一透镜，2014-第二偏振分光棱镜、2015-非线性介质、2016-第三偏振分光棱镜、2017-第一反射镜、2018-第二反射镜、2019-第三半波片；

401-第二透镜，402-第三透镜；

501-发光二极管，502-第四透镜。

701-样品池，702-成像装置；

7021-第二显微物镜，7022-滤波片，7023-成像器件。

以下结合实施例对本实用新型的具体内容作进一步详细解释说明。

具体实施方式

需要说明的是，本实用新型中采用贝塞尔光束的原因有两个：一是贝塞尔光束的特殊光强分布可以产生多个光学势阱，有助于多微粒的同时捕获；其次，本实用新型中的贝塞尔光束是基于交叉相位调制获得的，因此可以通过改变交叉相位调制中强光功率，进一步改变贝塞尔光束的尺寸，最终实现微粒的横向操控。当聚焦的贝塞尔光束作用与微粒时，光会出现反射和折射，使得激光的动量会转移到微粒上，因而在微粒上产生梯度力和散射力的作用。在几何光学近似下，总的力F可以表示为：

其中V_m为微粒周围介质中的光速，S₁为微粒表面被入射光照射的面积，I为入射光的光强分布，α_i为照射点的入射光和法线之间的夹角，

和

分别代表入射和反射的光线，

为在微粒内经过k次反射后的透射光线，N光线为微粒内部总的反射次数，R和T分别代表反射和透射系数。

我们为了更好的分析微粒的受力情况，采用了两个坐标系：S(x,y,z)和S′(x′,y′,z′)。其中S坐标系的原点处于贝塞尔光束的中心，半径为R₀的微粒处于S坐标系中的坐标为C(r₀,z₀)。S′坐标系的坐标原点为微粒的中心。Z平行于z′。因此，对于处于S坐标系中的任意一微粒的坐标可以写成：

z＝z₀+R₀cosθ (3)

其中θ和φ为极角和方位角。

贝塞尔光束的光强分布是轴对称的，我们只关注沿z方向的能量流。由于重力和散射力是沿着光束传播的方向，而在本实用新型专利中我们只考虑横向平面里微粒的运动情况。因此，我们可以对重力和散射力忽略不计。通过一些矢量计算，从公式(1)中可以得到微粒受到的横向力为F_ρ(r,z)：

其中

为0阶贝塞尔光束的光强分布。我们假设所有的光线平行于光轴，因此，θ代表微粒表面上每点的光线入射角，θ_t为透射角。当F_ρ(r,z)＝0时，及该点是一个平衡位置，微粒会被捕获。

因此，采用贝塞尔光束能够实现对多微粒的同时捕获。

需要说明的是，图2说明了在捕获激光(贝塞尔光束/出射的弱光)能量不变的情况下，可通过改变强光功率有效控制贝塞尔光束尺寸的变化。

需要说明的是，本实用新型中的所有零部件，在没有特殊说明的情况下，均采用本领域已知的零部件。

以下给出本实用新型的具体实施例，需要说明的是本实用新型并不局限于以下具体实施例，凡在本申请技术方案基础上做的等同变换均落入本实用新型的保护范围。

实施例：

本实施例给出了一种基于可调贝塞尔光束对液体中微粒捕获和操控装置，如图1所示，包括激光器1、贝塞尔光束产生模块2、第三反射镜3、缩束模块4、照明模块5、二色向镜6和捕获模块7。

贝塞尔光束产生模块2包括基于交叉相位调制产生空心光束的系统201和第一显微物镜202。产生的贝塞尔光束具有同心圆环的特殊光强分布，可以产生多个光学势阱用于多微粒的同时捕获如图3所示。解决了传统光镊由于在离焦位置处高斯光束发散以及微粒引起的光束严重畸变，从而导致捕获效率低的问题。

空心光束产生系统201包括第一半波片2010、第一偏振分光棱镜2011、第二半波片2012、第一透镜2013、第二偏振分光棱镜2014、非线性介质2015、第三偏振分光棱镜2016、第一反射镜2017、第二反射镜2018和第三半波片2019。经第一偏振分光棱镜2011反射的光为弱光，经第一偏振分光棱镜2011透射的光为强光。通过旋转第三半波片2019可以改变交叉相位调制系统中弱光的功率，控制捕获激光(贝塞尔光束)的功率，实现捕获微粒数量的控制如图4。可以看出随着捕获激光(贝塞尔光束)依次设置为50mW，65mW，80mW，95mW时，捕获微粒的数量也在增加。图5为捕获微粒数量随着捕获贝塞尔光束功率变化的拟合图。可以看出捕获微粒数量随着捕获贝塞尔光束功率呈线性关系。

在捕获贝塞尔激光束功率不变的情况下，通过旋转第二半波片2012可以改变交叉相位调制系统中强光的功率，实现了对被捕获多微粒的同时横向操控如图(6)。可以看出随着强光功率从135mW增加至185mW时，被捕获的多微粒出现了同时向中间移动的现象。

缩束模块4包括焦距为300mm的第一透镜401和焦距为50mm的第二透镜402，对产生的空心光束进行缩束，使其可以进入第一显微物镜202中。

第三透镜402的焦距为50mm，主要用于对发光二极管501产生的照明光进行聚焦。

激光器1为780nm半导体连续激光器。

二色向镜6用于使780nm的空心光束反射，发光二极管501产生的照明光透射。

第一显微物镜202的放大倍数为10x，数值孔径为0.25，主要用于对产生的空心光束进行聚焦，在其焦点附近获得贝塞尔光束。

在成像采集装置702中，使被捕获微粒的图像依次经过第二显微物镜7021，通过滤光片7022对光强进行衰减，使其成像到成像器件CMOS相机上。第二显微镜的放大倍数为80x，数值孔径为0.8，主要用于对光线的聚焦。并且可以通过改变第二显微物镜7021和成像器件之间的距离优化成像效果。

照明模块5、二色向镜6和捕获模块7均装在同轴调整架上，使其处于同一光轴。也可以利用同轴调整架对各器件位置进行微调，优化成像结果。本实用新型的工作过程及操控方法如下：

从激光器1获得一种高斯分布的连续激光束，将所获得的连续激光束通过基于交叉相位调的空心光束产生模块201获得一束空心光束，具体如下：从激光器1出射的激光通过半波片2010和偏振分光棱镜2011的组合将其分成两束，其中经偏振分光棱镜2011反射的光为弱光，经偏振分光棱镜2011透射的光为强光。

第一半波片2010安置在端面具有360°角度刻线的波片架上，旋转波片架可以改变入射光垂直偏振光和水平偏振光的分量。因此，通过旋转半波片2010可以改变经过偏振分光棱镜2011透射光和反射光的分量，实现功率的调节。反射光和透射光的功率比例为1:3-1:4；一般情况下，调节反射光功率为100mA，透射光功率为300-400mA。

经偏振分光棱镜2011透射的强光依次通过半波片2012、透镜2013、偏振分光棱镜2014后进入盛有非线性介质(例如乙醇溶液)的比色皿中，并处于同一光轴上。其中非线性介质2015处于第一透镜2013的焦点处。此外，通过旋转半波片2012可以实现强光功率的调节。经偏振分光棱镜2011反射的弱光依次通过反射镜2017、反射镜2018、半波片2019以及偏正分光棱镜2016后进入非线性介质(2015)，经非线性介质(2015)透射的光由第二偏振分光棱镜(2014)反射进入第三反射镜(3)。通过旋转半波片2019，可以实现弱光功率的调节，直至得到要求数量的颗粒，所述反射光的功率与颗粒数量呈线性变化。通过调节反射镜2017、反射镜2018，使得弱光和聚焦后的强光反向共线相交于非线性介质2015中，经非线性介质2015出射的弱光会被转化为空心光束。因为获得的空心光束为垂直偏振的光，该光经偏振分光棱镜2014和反射镜3入射后，依次通过缩束模块4进行缩束；然后再过二色向镜6反射进入第一显微物镜202，经第一显微物镜202聚焦后的空心光束，在其焦点附近可获得贝塞尔光束。样品池701被放置在第一显微物镜202的焦点处。同时，透镜502可以对发光二极管501产生的照明光进行聚焦，该照明光进一步经二色向镜6透射依次进入第一显微物镜202、样品池701、第二显微物镜7021、滤波片7022，最终进入成像器件(CCD/CMOS)7023中，其中滤波片7022用于阻挡捕获激光，仅允许照明光通过。最后，被捕获的微粒图片可以通过成像器件(CCD/CMOS)7023进行采集。

Claims (10)

1.基于可调贝塞尔光束对液体中微粒捕获和操控装置，其特征在于，包括激光器(1)、贝塞尔光束产生模块(2)、第三反射镜(3)、缩束模块(4)、照明模块(5)、二色向镜(6)和捕获模块(7)；其中，由激光器(1)发出的连续激光束经贝塞尔光束产生模块(2)获得一束空心激光束，所述空心激光束经第三反射镜(3)反射后进入缩束模块(4)进行缩束；缩束后的光束经二色向镜(6)反射后进入捕获模块(7)，获得贝塞尔光束，并实现对多微粒的捕获；照明模块(5)、二色向镜(6)和捕获模块(7)均处于同一光轴。

2.如权利要求1所述的基于可调贝塞尔光束对液体中微粒捕获和操控装置，其特征在于，所述的激光器(1)为780nm半导体连续激光器。

3.如权利要求1所述的基于可调贝塞尔光束对液体中微粒捕获和操控装置，其特征在于，所述的贝塞尔光束产生模块(2)包括空心光束产生系统(201)和第一显微物镜(202)。

4.如权利要求3所述的基于可调贝塞尔光束对液体中微粒捕获和操控装置，其特征在于，所述的空心光束产生系统(201)包括第一半波片(2010)、第一偏振分光棱镜(2011)、第二半波片(2012)、第一透镜(2013)、第二偏振分光棱镜(2014)、非线性介质(2015)、第三偏振分光棱镜(2016)、第一反射镜(2017)、第二反射镜(2018)和第三半波片(2019)；其中，由激光器(1)发出的连续激光束通过第一半波片(2010)后进入第一偏振分光棱镜(2011)，第一偏振分光棱镜(2011)的反射光进入第一反射镜(2017)，经第一反射镜(2017)反射的进入第二反射镜(2018)，经第二反射镜(2018)反射的光通过第三半波片(2019)后依次进入第三偏振分光棱镜(2016)和非线性介质(2015)，经非线性介质(2015)透射的光由第二偏振分光棱镜(2014)反射进入第三反射镜(3)；

第一偏振分光棱镜(2011)的透射光依次穿过第二半波片(2012)、第一透镜(2013)、第二偏振分光棱镜(2014)、非线性介质(2015)后进入第三偏振分光棱镜(2016)；第一偏振分光棱镜(2011)、第二半波片(2012)、第一透镜(2013)、第二偏振分光棱镜(2014)、非线性介质(2015)和第三偏振分光棱镜(2016)处于同一光轴上，所述非线性介质(2015)处于第一透镜(2013)的焦点处。

5.如权利要求3所述的基于可调贝塞尔光束对液体中微粒捕获和操控装置，其特征在于，所述的空心光束产生系统(201)中第一偏振分光棱镜(2011)的反射光为弱光，第一偏振分光棱镜(2011)的透射光为强光，其中弱光和强光反向共线相交于非线性介质(2015)中。

6.如权利要求1所述的基于可调贝塞尔光束对液体中微粒捕获和操控装置，其特征在于，所述的缩束模块(4)包括第二透镜(401)和第三透镜(402)，经第三反射镜(3)反射的光依次通过第二透镜(401)和第三透镜(402)缩束后进入二色向镜(6)。

7.如权利要求1所述的基于可调贝塞尔光束对液体中微粒捕获和操控装置，其特征在于，所述的照明模块(5)包括发光二极管(501)和第四透镜(502)；所述发光二极管出射的光经第四透镜(502)聚焦后，再透射经过二色向镜(6)；其中发光二极管(501)和第四透镜(502)处于同一光轴。

8.如权利要求1所述的基于可调贝塞尔光束对液体中微粒捕获和操控装置，其特征在于，所述的捕获模块(7)包括样品池(701)和成像装置(702)，经二色向镜(6)反射的光经过第一显微物镜(202)进入到样品池(701)后进入成像装置(702)，所述样品池(701)位于第一显微物镜(202)的焦点处。

9.如权利要求8所述的基于可调贝塞尔光束对液体中微粒捕获和操控装置，其特征在于，所述的成像采集装置(703)包括第二显微物镜(7021)、滤波片(7022)和成像器件(7023)，缩束后的光束和照明光经第一显微物镜(202)进入到样品池(701)后，依次经第二显微物镜(7021)、滤波片(7022)，进入成像器件(7023)。

10.如权利要求9所述的基于可调贝塞尔光束对液体中微粒捕获和操控装置，其特征在于，所述的成像器件(7023)为CCD相机、COMS相机或者ICCD相机。

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