专利名称：三维光镊系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及光学技术领域，具体地说，本发明涉及一种三维光镊系统。
背景技术：
光镊系统是一种利用光阱来移动微小颗粒的光学系统。其中，光阱是由高数值 孔径物镜将激光进行强会聚而成，激光被会聚的越厉害，光阱的梯度力越大，越有利于 束缚微小颗粒。与物镜光轴平行入射的平行激光形成的光阱在物镜前焦面的中心；与物 镜光轴有一定夹角入射的平行激光在物镜前焦面偏离中心的地方形成光阱；有一定发散 角的入射激光形成的光阱与物镜前焦面有一定距离，这个距离与激光的发散程度有关。从激光器出来的激光经扩束准直后入射到高数值孔径物镜中，形成单光阱。在 传统光镊系统中，一束激光形成一个光阱，若要形成两个或多个光阱，则需要将一束激 光分成两束偏振相互垂直的激光；也可以由两个或多个激 光器出来的激光准直后由同一 个物镜会聚成两个或多个光阱。这些方法都要求将分开的光束会聚成一束后进入物镜， 这给光路的搭建带来一定的难度，而且形成的光阱数量非常有限。若要形成可移动的光 阱，则需要使用声光偏转器或其它转镜装置使激光发生偏转，从而改变激光在物镜前焦 面的聚焦点位置。在参考文献 “Carlos Bustamante，Yann R.Chemla，Jeffrey R.Moffitt, High-resolution Dual Trap Optical Tweezers with Differential Detection, 《Single-molecule techniques a laboratory manual》第 297 页，Cold SpringHarbor Laboratory Press”中详细 讲述了如何实现双光镊系统以及光阱的移动。参考文献"Jennifer E.Curtis, Brian A.Koss，David G.Grier, Dynamicholographic optical tweezers, Optics Communications 207 (2002) 169-175"公开了一种采用空间光调制
器的光镊系统。空间光调制器是一种对光波的空间分布进行调制的器件，它在控制信号 的控制下，对光波的某些特性如相位、振幅、强度、频率、偏振态等的二维分布进行空 间和时间的变换或调制。光镊系统中，采用空间光调制器通过对激光的波前进行调制可 以实现光阱的三维分布，即各光镊的位置可以在三维空间同步或独立变化，而且光镊的 数量、位置及光强分配都可以通过空间光调制器进行控制。但是参考Jennifer文，可以 看出，该文中所公开的三维光镊是通过位于样品池下方的物镜将光束会聚到样品池中， 同时，也通过该物镜对样品池内的样品进行成像。这种设计使得CCD只能清楚观测到物 镜会聚平行光束而形成的特定焦平面的图像，难以对三维分布的光阱进行全局观测。并 且，由于Jeraiifer文公开的光镊系统采用透射式成像，其样品池必须两面均透明，因此该 光镊系统的应用范围受到了限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种能够方便地观测光阱的三维分布的三维光镊系统，通 过对光阱三维分布的观测，可以更好地实现对光阱进行控制。为实现上述发明目的，本发明提供了一种三维光镊系统，包括激光输出单元、空间光调制器、激光会聚单元、样品池以及主观测单元；所述空间光调制器用于将所述激光输出单元输出的单束激光分为多束激光；所述激光会聚单元包括会聚单元透镜组和前物镜，所述会聚单元透镜组用于对 空间光调制器输出的各束激光进行扩束，所述前物镜用于将扩束后的各束激光会聚到所 述样品池中；所述主观测单元包括可见光源、后物镜和主观测单元CCD，所述可见光源、前物镜、后物镜和主观测单元CCD的光轴共线形成主光轴，所 述样品池位于前物镜和后物镜之间并且与所述前物镜和后物镜均相邻，所述前物镜和后 物镜均可沿所述主光轴移动，所述可见光源位于前物镜一侧的主光轴上。上述技术方案中，所述激光会聚单元还包括会聚单元CCD和会聚单元半透半 反平面镜，所述会聚单元半透半反平面镜位于可见光源与前物镜之间，用于将会聚单元 CCD的光路耦合进所述主光轴。上述技术方案中，所述激光输出单元用于输出红外波段的激光，所述会聚单元 还包括会聚单元反红外透可见平面镜，用于将所述会聚单元透镜组的光路耦合进所述主 光轴。上述技术方案中，所述激光输出单元用于输出红外波段的激光，所述三维光镊 系统还包括微小位置测量单元，所述微小位置测量单元包括位于后物镜和主观测单元 CCD之间的位置测量单元反红外透可见平面镜，所述微小位置测量单元的光路通过所述 位置测量单元反红外透可见平面镜耦合进所述主光轴。上述技术方案中，所述激光输出单元用于输出波长为1064nm的激光。上述技术方案中，所述主光轴平行于水平面。与现有技术相比，本发明具有如下技术效果1、本发明可通过移动后物镜对位于样品池不同深度的光阱进行观测，从而实现 了对三维分布的光阱的观测。2、本发明的适用范围较广，在样品池一面不透明的情况下，本发明仍可通过会 聚单元CCD进行观测。3、本发明特别适合于对生物活体样品进行观测和操作。
以下，结合附图来详细说明本发明的实施例，其中 图1示出了本发明一个实施例的光路示意图；图2示出了本发明一个实施例中空间光调制器的相位图及所观测到的光阱阵 列；其中(a)、(c)部分为空间光调制器调制激光时的两个相位图，(b)、(d)部分为分别 为(a)、(c)部分相位图所对应的光阱阵列捕获的小球的图像。图面说明1第一透镜 2半波片 3第二透镜4第一反射镜 5空间光调制器 6第二反射镜7第三透镜 8第四透镜 9会聚单元反红外透可见平面镜10第五透镜 IlLED灯 12可见光波段半透半反镜
13前物镜 14样品池 15后物镜16第六透镜 17位移测量单元反红外透可见平面镜18第八透镜19观测单元CCD 20观测单元 监视器21第七透镜22会聚单元CCD 23会聚单元监视器24位置敏感探测器25激光器
具体实施例方式图1示出了本发明一个实施例的多光镊系统的光路示意图。该实施例的多光镊 系统包括激光器25、第一透镜1、半波片2、第二透镜3、第一反射镜4、空间光调制器 5、第二反射镜6、第三透镜7、第四透镜8、会聚单元反红外透可见平面镜9、第五透镜 10、LED灯11、可见光波段半透半反镜12、前物镜13、样品池14、后物镜15、第六透镜 16、位移测量单元反红外透可见平面镜17、第八透镜18、观测单元CCD19、观测单元监 视器20、第七透镜21、会聚单元CCD22、会聚单元监视器23以及位置敏感探测器24。其中，激光器为1064nm大功率连续激光器，最高功率为4W，这确保了形成多 光阱时，每个光阱都能分配到足够的激光功率。这有利于光阱稳定捕获小颗粒。如果 激光功率太低，在形成的光阱数目又较多时，每个光阱分配到的激光功率较小，导致光 阱力较小，这很不利于对微小颗粒的捕获。本实施例中，激光器采用Coherent公司的 Compass 1064-4000M 激光器。激光器出来的激光经第一透镜1和第二透镜3扩束后，被第一反射镜4和第二 反射镜6反射到空间光调制器5中。扩束后，激光束径变大，发散角变小，在垂直于光 轴方向的横截面内光强分布更均勻，更接近于平行光。扩束有利于物镜将激光在物镜前 焦面会聚成更小的光斑，在光阱处的光强梯度也更大。本实施例中，还可以在第一透镜 1和第二透镜3间增加一个半波片，该半波片用于将激光的偏振方向旋转到空间光调制器 最有效调制的方向。空间光调制器的相位图是根据光阱分布的要求预先算好的，用该相位图进调制 空间光调制器的相位，然后将空间光调制器调制后的多束激光输入第三透镜7和第四透 镜8进行扩束，再将扩束后的各束激光入射到前物镜13(在本实施例中，入射到前物镜13 的大部分光束为平行光束，并且这些光束入射方向与前物镜13的光轴平行)，所述第三 透镜7和第四透镜8除了扩束外，另一个作用是将空间光调制器5成像到前物镜13的后 焦面上。这样激光经前物镜13强会聚后形成光阱。本实施例中，采用HOLOEYE公司的空间光调制器，型号为PLUTO-O， 7” HDTV LCOS Phase Only Kit Modulator for phase displays VIS, NIR&TELCO HES 6010
XXX。该空间光调制器为纯位相型反射式空间光调制器，激光入射到空间光调制器时的入 射角要求不大于5°。为充分利用空间光调制器的每个像素，输入到空间光调制器的激光 束径一般大于空间光调制器光敏面的尺寸。第三透镜7和第四透镜8的焦距根据前物镜 13的入射孔径和空间光调制器5的光敏面尺寸来定。一般，激光要充满前物镜的入瞳。本实施例中，空间光调制器其敏感波长为近红外(850-1100nm)，像素为 1920*1080，每个像素的尺寸为8 μ m，像素填充因子为0.87，最大帧频率60Hz。激光 被物镜会聚成光阱，可以看成是对激光波前进行傅里叶变换的过程。调制入射激光的波前，就可以达到调制光阱的目的。如果调制激光波前的振幅，会损失一部分激光功率， 这对光阱效率不利，因此本实施例采取仅调制激光波前相位的办法。因此，只要空间 光调制器按照一定的相位图调制激光波前的相位就能实现对光阱的调制。在参考文献 "Eric R.Dufresne, Gabriel C.Spalding, Matthew T.Dearing, and Steven A.Sheets, David G.Grier, Computer-generated holographic optical tweezer arrays, REVIEW OFSCIENTIFIC INSTRUMENTS VOLUME 72，NUMBER 3，MARCH 2001” 以及参考文献 ‘‘Jennifer E.Curtis, Brian A.Koss, David G.Grier, Dynamicholographic optical tweezers, Optics Communications 207(2002) 169-175"中对位相图的计算方法有详细介绍，因此这里不再 赘述。本实施例中，前物镜13采用型号为420792-9900-000的zeiss物镜，该物镜为 N.A = 1.4, 100X的油浸物镜。后物镜15采用型号为HCX PL FL L 63x/0.70 CORR PH2的Ieica物镜。为达到
理想的成像效果，前物镜13，后物镜15要严格地与入射到前物镜13的激光同轴，同时， LED灯11出射的可见光、第五透镜10、第六透镜16也要与入射到前物镜13的激光同 轴。另外，前物镜13，样品池14、后物镜15都安装到电动精密平移台上，这样可以保 证系统的精确度和稳定度。第八透镜18将后物镜15的后焦面成像到位置敏感探测器24 (位置敏感探测器的 英文名称为position-sensitive detector,缩写为PSD)上，后物镜15的后焦面上反应了激光
在光阱处被小颗粒散射后的干涉图形。激光的干涉图形对小球偏离光阱中心的位移很敏 感，因此可以很精确测量小球在光阱中的微小位移。本实施例具有透射式和反射式双成像系统以及微小位移测量系统。下面参照附图1，进一步对这套三维多光镊系统的操作进行详细说明调节前物镜13在光轴方向的位置，使会聚单元CCD22呈现样品池底的清晰像。 LED灯11、物镜13，第七透镜21，会聚单元CCD22构成了反射式成像系统。反射式 成像系统可以跟踪物镜1的前焦面在样品池中的深度，也即就是跟踪光阱在样品池的深 度，这样可以更加方便地调节平行于前物镜13光轴的多个平行光束所形成的焦平面在样 品池中所处的深度。这套反射式成像系统还有一个很重要的作用由于LED灯11和会 聚单元CCD22位于样品池的同一侧，当样品池的载玻片基底对可见光不透明时，一般的 光镊系统采取的透射式成像系统将无法对样品池成像。而反射式成像装置却依然可以对 样品池成像。调节后物镜15在光轴方向的位置，使观测单 元CCD19呈现样品池底的清晰像。 LED灯11、后物镜15、第六透镜16和观测单元CCD19构成了透射式成像系统。继续调 节后物镜15在光轴方向的位置，可以在观测单元CCD19中连续看到样品池内不同深度的 像。若光阱为三维光阱，那么可以通过调节后物镜15的位置看到任何一个光阱捕获小球 或细胞等微小颗粒的情况。如图2所示，(a)部分为一个空间光调制器调制时的相位图。此相位图的作用是 生成一圈分布在一个环上的八个光阱。(b)部分为实验中采用(a)部分的相位图后，观测 单元CCD19采集到的样品图，此时，激光功率为500mW，小球为直径3 μ m聚苯乙烯小 球。从图2的(b)部分可以看出，一共有9个光阱捕获到了小球，其中圈环中心的小球为零级光斑所捕获。若不想要零级光斑形成的光阱，可以在第三透镜7和第四透镜8之 间放入一个挡光片，把零级光斑挡掉。挡光片的做法为在普通K9玻璃窗口的中间镀 上直径约Imm的金属膜。金属膜越厚挡光效果越好。如果镀金膜，金的厚度为IOOnm 时，零级光斑的透过率小于1%。通过空间光调制器不断改变各个光阱的位置，经过几分 钟就可以将小球在图2(b)部分中排列的图形顺利变换成图2(d)部分中的图形。图2(c) 部分为此时空间光调制器调制给激光的相位图。调节第八透镜18使后物镜15的后焦面成像在位置敏感探测器上。反射镜17透 可见光反红外激光。后物镜15的后焦面上的激光光强分布反应了光阱的位置以及小球偏 离光阱中心的位置。后物镜15，第八透镜18，位置敏感探测器24构成了微小位移测量 系统。这种测量微小位移的后焦面干涉法在参考文献“Gittes，F.&Schmidt，C.F(1998). Interference model forback-focal-plane displacement detection in optical tweezers.Opticalletters 23 7-9”中有详细介绍，本文不再赘述。本实施例采用的激光波长为1064nm。生物活体样品对1064nm的光吸收很弱， 这就避免了强会聚的激光对生物样品的损伤。光镊能捕获的颗粒尺寸在几十纳米到十几 微米之间，而细胞、细胞器等很多微小生物体的尺寸刚好也在这个范围。由于光镊是用 “无形”的光来操纵微粒，因而避免了机械接触对生物体造成的损伤，而且被捕获生物 体周围的环境不会受到任何干扰，这就保证了生物体正常的生命活动。因此，这套多光 镊系统特别适于做生物活体实验。另外，为方便对前、后物镜进行移动，保证系统的精确度和稳定度，本实施例 的主光轴(即前、后物镜所处的光轴)呈水平设置，即主光轴平行于水平面。最后所应说明的是，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 本发明的权利要求范围当中。
权利要求
1.一种三维光镊系统，包括激光输出单元、空间光调制器、激光会聚单元、样品 池以及主观测单元；所述空间光调制器用于将所述激光输出单元输出的单束激光分为多束激光；所述激光会聚单元包括会聚单元透镜组和前物镜，所述会聚单元透镜组用于对空间 光调制器输出的各束激光进行扩束，所述前物镜用于将扩束后的各束激光会聚到所述样 品池中；所述主观测单元包括可见光源、后物镜和主观测单元CCD，所述可见光源、前物镜、后物镜和主观测单元CCD的光轴共线形成主光轴，所述样 品池位于前物镜和后物镜之间并且与所述前物镜和后物镜均相邻，所述前物镜和后物镜 均可沿所述主光轴移动，所述可见光源位于前物镜一侧的主光轴上。
2.根据权利要求1所述的三维光镊系统，其特征在于，所述激光会聚单元还包括会聚 单元CCD和会聚单元半透半反平面镜，所述会聚单元半透半反平面镜位于可见光源与前 物镜之间，用于将会聚单元CCD的光路耦合进所述主光轴。
3.根据权利要求1所述的三维光镊系统，其特征在于，所述激光输出单元用于输出红 外波段的激光，所述会聚单元还包括会聚单元反红外透可见平面镜，用于将所述会聚单 元透镜组的光路耦合进所述主光轴。
4.根据权利要求1所述的三维光镊系统，其特征在于，所述激光输出单元用于输出红 外波段的激光，所述三维光镊系统还包括微小位置测量单元，所述微小位置测量单元包 括位于后物镜和主观测单元CCD之间的位置测量单元反红外透可见平面镜，所述微小位 置测量单元的光路通过所述位置测量单元反红外透可见平面镜耦合进所述主光轴。
5.根据权利要求1所述的三维光镊系统，其特征在于，所述激光输出单元用于输出波 长为1064nm的激光。
6.根据权利要求1所述的三维光镊系统，其特征在于，所述主光轴平行于水平面。
全文摘要
本发明提供一种三维光镊系统，包括激光输出单元、空间光调制器、激光会聚单元、样品池以及主观测单元；激光会聚单元包括会聚单元透镜组和前物镜，会聚单元透镜组用于对空间光调制器输出的各束激光进行扩束，前物镜用于将扩束后的各束激光会聚到所述样品池中；主观测单元包括可见光源、后物镜和主观测单元CCD，可见光源、前物镜、后物镜和主观测单元CCD的光轴共线形成主光轴，样品池位于前物镜和后物镜之间并且与前物镜和后物镜均相邻，前物镜和后物镜均可沿所述主光轴移动，所述可见光源位于前物镜一侧的主光轴上。本发明可实现对三维分布的光阱的观测，可在样品池一面不透明的情况下进行观测。本发明特别适合用于对生物活体样品的观测和操作。
文档编号G02B21/32GK102023379SQ200910093030
公开日2011年4月20日 申请日期2009年9月17日 优先权日2009年9月17日
发明者凌林, 周飞, 张道中, 李兆霖, 李志远, 郭红莲, 黄璐 申请人:中国科学院物理研究所