一种同时演示光衍射效应和力学效应的装置的制作方法

本发明属于光学技术领域，具体涉及演示光衍射效应和力学效应的装置。

背景技术

光具有能量和动量，光的动量是光的基本属性。携带动量的光与物质相互作用，它们间会有动量的交换，从而表现为光对物体施加力，作用在物体上的力可引起的物体运动，称之为光的力学效应。光力学效应的典型应用是光镊技术。1986年，ashkin等人利用一束强会聚激光束实现了对生物细胞的三维捕获。这一发明被称为单梯度力光阱或光镊。光镊技术的发明丰富和推进了光学领域的发展，彰显出了它独特而不可替代的作用。

光在传播过程中，遇到障碍物或小孔（窄缝）时，它有离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象。这种现象叫光的衍射，可以分为单缝衍射、圆孔衍射、圆板衍射等。光镊中捕获物镜的通光孔是个小孔，因此捕获光从物镜出射时会发生衍射。

现有技术中，演示光力学效应常用的技术是三维光镊技术，演示衍射效应常用光束经过小孔后观察衍射光斑。但是，两种光学效应的演示都是分开，需要使用两种不同的设备。目前还没有能够同时演示光的衍射效应和力学效应的系统。

技术实现要素：

为了实现同时演示光衍射效应和力学效应，本发明提供一种同时演示光衍射效应和力学效应的装置。

一种同时演示光衍射效应和力学效应的装置包括激光器1、显微镜，所述显微镜包括显微物镜7、样品池11、载物台8和照明光源9，照明光源9位于显微镜的载物台8的下方；

与激光器1的出光口对应依次设有第一薄透镜2、第二薄透镜3和第一45度全反射镜4，与第一45度全反射镜4对应设有第二45度全反射镜5，与第二45度全反射镜5对应设有二色镜6；所述二色镜6呈45度角，二色镜6的出光端对应着显微镜的显微物镜7，与二色镜6的出光端相反一侧设有相机10；

其中沿光路由激光器1、第一薄透镜2、第二薄透镜3、第一45度全反射镜4、第二45度全反射镜5、二色镜6、显微物镜7、样品池11和载物台8构成光镊系统；

沿光路由照明光源9、样品池11、显微物镜7和二色镜6构成显微成像系统；

用于演示光衍射效应时，将一片载玻片放置在载物台8上；激光器1发出的基模高斯光束通过第一薄透镜2和第二薄透镜3的扩束，经过第一45度全反射镜4和第二45度全反射镜5将光束抬高，平行光束被二色镜6反射进入显微成像系统的显微物镜7，在样品池11的底面形成衍射环，通过显微成像系统观察光衍射效应，并通过cmos相机10拍摄该衍射环；

用于演示光力学效应时，样品池11放置在载物台8上，样品池11内放入微米小球悬浮液；激光器1发出的基模高斯光束通过第一薄透镜2和第二薄透镜3的扩束，经过第一45度全反射镜4和第二45度全反射镜5将光束抬高，平行光束被二色镜6反射进入显微成像系统的显微物镜7，在离样品池11的底面高度5-100微米处，可以捕获直径为1-10微米聚苯乙烯颗粒，并通过cmos相机10拍摄被捕获的微粒；

同时演示光衍射效应和力学效应时，样品池11放置在载物台8上，样品池内放入微米小球悬浮液；激光器1发出的基模高斯光束通过第一薄透镜2和第二薄透镜3的扩束，经过第一45度全反射镜4和第二45度全反射镜5将光束抬高，平行光束被二色镜6反射进入显微成像系统的显微物镜7，在样品池11的底面形成衍射环，该衍射环亮条纹对直径1微米的聚苯乙烯微球施加光梯度力，微粒被束缚于衍射亮条纹中，通过显微成像系统观察光衍射效应和力学效应，并通过cmos相机10拍摄该衍射环和微粒被衍射环亮条纹捕获排列的过程，即可演示光衍射效应和力学效应。

进一步限定的技术方案如下：

所述激光器1的出光口和第一薄透镜2之间的间距为15-30mm；

所述第一薄透镜2和第二薄透镜3之间的间距为两个薄透镜的焦距之和；

所述第二薄透镜3和第一45度全反射镜4中心之间的间距为15-30mm；

所述第一45度全反射镜4和第二45度全反射镜5之间的间距为25-30mm。

所述第一薄透镜2的焦距为50mm，所述第二薄透镜3的焦距为100mm。

所述样品池11的厚度小于显微物镜7的工作距离，所述工作距离为100μm。

所述显微物镜7为高数值孔径物镜，高数值孔径物镜放大倍率为60倍或100倍，显微物镜7后瞳直径即进光口直径为6mm，出光口直径为1mm。

本发明的有益技术效果体现在以下方面：

（1）本发明能演示光的衍射效应

用于演示光的衍射效应时，将一片载玻片放置在载物台8上；激光器1发出束腰大小为3mm的基模高斯光束，第一薄透镜2的焦距为50mm，第二薄透镜3的焦距为100mm，两个透镜的作用为将激光器1发出的基模高斯光束进行2倍扩束，与显微物镜7后瞳大小匹配。扩束后激光束为平行光束，光束束腰等于显微物镜7后瞳直径,直径大小为6mm，在显微物镜7会聚之后得到高度会聚光，使激光能产生足够大的光阱梯度力。

45度全反射镜4和45度全反射镜5组合后，将光束抬高后平行反射至二色镜6。因为激光束为平行光束，45度全反射镜4和45度全反射镜5之间的距离可调整，调整的距离根据二色镜6的高度确定，目标为光束被45度全反射镜5反射后平行入射至二色镜6。

激光光束被二色镜6反射后，光束垂直入射到显微物镜7，此时光束充满显微物镜7后瞳。激光束从显微物镜7出射后，在载玻片底面形成明暗分明的衍射环，在显微成像系统中可以清晰观察到明暗相间的衍射环，从而使光的衍射效应得到直接的演示。

（2）本发明能演示光的力学效应

用于光的力学效应演示时，将样品池11放置在载物台8上，样品池11内放入微米小球悬浮液；微米小球在激光光束的散射力和梯度力作用下，在激光焦点附近被稳定捕获，并通过cmos相机10拍摄被捕获的微米小球；即使微米小球由于布朗运动偏离捕获位置，在梯度力和散射力的共同作用下会将偏离捕获位置的微米小球拉回到捕获位置。

（3）本发明能实现同时演示光的力学效应和衍射效应

用于同时演示光的力学效应和衍射效应时，在样品池11内放入微米小球悬浮液，显微物镜7的工作距离为100微米，样品池11厚度小于显微物镜7的工作距离；可观察到激光束的衍射环，也可以观察到颗粒被衍射环捕获的过程。本发明利用光的衍射效应，能够同时捕获并按衍射光斑图案排列多个颗粒。由于激光的衍射光与样品池11中的微米颗粒发生动量交换，于是能够将颗粒捕获限制于衍射环亮条纹中。高斯光束横截面光斑具有二维对称、光强呈高斯分布的特点，是一种典型的具有梯度光场的光源。本发明利用高斯光束经过物镜进行强聚焦，使得在会聚的光场中，微粒在三维的方向都会受到指向光最强点的梯度力，微粒将束缚在焦点附近，使光的力学效应得到直接的演示；同时也能方便的演示光的衍射效应。这样，减少实验装置的复杂性，且易操作。此外，在光路中没有加入额外的阱位调节镜，只需将第二薄透镜3作为扩束透镜组的同时也充当阱位调节镜，使实验装置更为简单、紧凑，减少装置占用的空间大小。

附图说明

图1为本发明装置原理图；

图2为实验装置局部原理图；

图3为衍射光斑图；

图4为力学效应中捕获聚苯乙烯颗粒的演示图；

图5为光力学效应原理图；

图6为光线b对微粒施加光阱力的分解图；

图7为同时演示光的力学效应和衍射效应时捕获聚苯乙烯颗粒的过程图。

上图中序号：激光器1、第一薄透镜2、第二薄透镜3、第一45度全反射镜4、第二45度反射镜5、二色镜6、显微物镜7、载物台8、显微照明光源9、cmos相机10、样品池11。

具体实施方式

下面结合附图，通过实施例对本发明作进一步地描述。

实施例1

本实施例1演示光的衍射效应。

参见图1，一种同时演示光衍射效应和力学效应的装置包括激光器1、显微镜，所述显微镜包括显微物镜7、样品池11、载物台8和照明光源9，照明光源9位于显微镜的载物台8的下方。

与激光器1的出光口对应依次设有第一薄透镜2、第二薄透镜3和第一45度全反射镜4，与第一45度全反射镜4对应设有第二45度全反射镜5，与第二45度全反射镜5对应设有二色镜6；所述二色镜6呈45度角，二色镜6的出光端对应着显微镜的显微物镜7，与二色镜6的出光端相反一侧设有cmos相机10。

其中沿光路由激光器1、第一薄透镜2、第二薄透镜3、第一45度全反射镜4、第二45度全反射镜5、二色镜6、显微物镜7、样品池11和载物台8构成光镊系统。

沿光路由照明光源9、样品池11、显微物镜7和二色镜6构成显微成像系统。

第一薄透镜2的焦距为50mm，所述第二薄透镜3的焦距为100mm。

激光器1的出光口和第一薄透镜2之间的间距为20mm；

第一薄透镜2和第二薄透镜3之间的间距为两个薄透镜的焦距之和；

第二薄透镜3和第一45度全反射镜4中心之间的间距为15mm；

第一45度全反射镜4和第二45度全反射镜5之间的间距为25mm。

样品池11的厚度小于显微物镜7的工作距离，所述工作距离为100μm。

显微物镜7为高数值孔径物镜，高数值孔径物镜放大倍率为100倍，显微物镜7后瞳直径即进光口直径为6mm，出光口直径为1mm。

本发明的工作原理详细说明如下：

用于演示光衍射效应时，将一片载玻片放置在载物台8上；激光器1发出的基模高斯光束通过第一薄透镜2和第二薄透镜3的扩束，经过第一45度全反射镜4和第二45度全反射镜5将光束抬高，平行光束被二色镜6反射进入显微成像系统的显微物镜7，在载玻片的底面形成衍射环，通过显微成像系统观察光衍射效应，并通过cmos相机10拍摄该衍射环；

激光器1发出束腰大小为3mm的基模高斯光束，第一薄透镜2的焦距为50mm，第二薄透镜3的焦距为100mm，两个透镜的作用为将激光器1发出的基模高斯光束进行2倍扩束，与显微物镜7后瞳大小匹配。扩束后激光束为平行光束，光束束腰等于显微物镜7后瞳直径为6mm，在显微物镜7会聚之后得到高度会聚光，使激光能产生足够大的光阱梯度力。通过调节第一反射镜4和第二反射镜5上的俯仰角与中心位置，使得激光束被45度放置的二色镜6反射后垂直入射物镜7。激光束经过显微物镜7聚焦后，会聚于载玻片中，如图2所示。

通过调整显微物镜7与载玻片之间的距离，调整好之后的状态为物镜7得成像面与载玻片底面重合，可通过显微成像系统观察载波片底面；激光束从显微物镜7出射后，在载玻片底面形成明暗分明的衍射环，在显微成像系统中可以清晰观察到明暗相间的衍射环，从而使光的衍射效应得到直接的演示，如图3所示。通过微调显微物镜7与载玻片之间的距离，可使得衍射环大小发生变化，显微物镜7的调整范围0-5微米。

实施例2

本实施例2演示光的力学效应。

实验装置整体结构同实施例1。

用于光的力学效应演示时，样品池11放置在载物台8上，样品池11内放入微米小球悬浮液，微米小球为直径5微米的聚苯乙烯微球；参见图2，通过微调显微物镜7，使得显微物镜7的焦点离样品池11底面5微米处。

激光器1发出的基模高斯光束通过第一薄透镜2和第二薄透镜3的扩束，经过第一45度全反射镜4和第二45度全反射镜5将光束抬高，平行光束被二色镜6反射进入显微成像系统的显微物镜7，在离样品池11的底面高度5-100微米处，可以捕获直径为1-10微米聚苯乙烯颗粒，所以当聚苯乙烯颗粒处于显微物镜７焦点附近时，聚苯乙烯颗粒在激光光束的散射力和梯度力作用下，在激光焦点附近被稳定捕获，并通过cmos相机10拍摄被捕获的聚苯乙烯颗粒，如图4中a所示，力学效应中捕获的聚苯乙烯颗粒的演示图。即使聚苯乙烯颗粒由于布朗运动偏离捕获位置，在梯度力和散射力的共同作用下会将偏离捕获位置的聚苯乙烯颗粒拉回到捕获位置。

以下结合附图5、图6对光力学效应的原理进行详细解释。图5表示的是光阱的力学效应。图5中入射光沿z反方向传播，即光的动量是沿z反方向。小球受到的光对它的总作用力就是光束所有光线作用于小球的力之合力。图5中画出了光束中有代表性的2条光线a0和b0，光线b0的光强大于光线a0的光强。当光线穿过悬浮液中的微米小球时，光在进入和离开微米小球表面时产生折射，进入小球时光线a0和光线b0产生的折射光线为a1和b1，虚线为散射光线，a2和b2为出射光线。光线a0和光线b0作用于微米小球，使微米小球获得动量，分别产生力fa和fb。光线b0与小球相互作用发生的动量改变如图6所示，光线离开微米小球时传播方向发生了改变，即光的动量发生了改变。由于动量守恒，光线b0传递给微米小球一个与该动量改变值相等，但方向相反的动量改变量△p，动量改变量△p施加给微米小球的力为fb，因此光线b0施加给微米小球的光学力为fb。fb包含横向的梯度力，使微米小球在x-y平面内沿着光强较强的方向运动，力大小与光强梯度成正比，将微米小球移动至光强最强的位置。

通过载物台8移动样品池11，被捕获的聚苯乙烯颗粒与周围参照物体的相对位移发生改变，表明聚苯乙烯颗粒被光镊束缚，如图4中b所示，光力学效应中被捕获的聚苯乙烯颗粒与参照物体的相对位移发生改变的状态图；光的力学效应得到直接的演示。

实施例3

本实施例3同时演示光的衍射效应和力学效应。

实验装置整体结构同实施例1。

用于同时演示光的衍射效应和力学效应时，样品池11放置在载物台8上，样品池11内放入微米小球悬浮液，微米小球为直径1微米的聚苯乙烯微球；显微物镜7的工作距离为100微米，样品池11厚度小于显微物镜7的工作距离。

激光器1发出的基模高斯光束通过第一薄透镜2和第二薄透镜3的扩束，经过第一45度全反射镜4和第二45度全反射镜5将光束抬高，平行光束被二色镜6反射进入显微成像系统的显微物镜7，在样品池11的底面形成衍射环，该衍射环亮条纹对直径1微米的聚苯乙烯微球施加光梯度力，微粒被束缚于衍射亮条纹中，通过显微成像系统观察光衍射效应和力学效应，并通过相机10拍摄该衍射环和微粒被衍射环条纹捕获排列的过程。

通过调整显微物镜7与样品池11之间的距离，调整好之后的状态为显微物镜7得成像面与样品池11底面重合，可通过显微成像系统观察样品池11底面，然后再调整显微物镜7焦点与样品池11底面距离，为0.5微米。微米小球沉降至样品池11底面的附近，由于显微物镜7的焦点也在样品池11底面附近，所以通过显微成像系统可对微粒清晰成像。激光束衍射光斑的亮条纹被高数值孔径的显微物镜7强会聚后，对微米颗粒产生梯度力，使得颗粒往衍射亮条纹处移动并被捕获。用cmos相机10录制微粒被捕获的过程，发送至计算机系统成像。在本例子中，可观察到激光束的衍射环，也可以观察到颗粒被衍射环捕获的过程，同时演示了光的力学效应和衍射效应，如图7所示，图7中a为衍射光斑在0sec时对聚苯乙烯颗粒的捕获图，图7中b为衍射光斑在24sec时对聚苯乙烯颗粒的捕获图，图7中c为衍射光斑在118sec时对聚苯乙烯颗粒的捕获图，图7中d为衍射光斑在192sec时对聚苯乙烯颗粒的捕获图。

高斯光束从显微物镜7出射后发生衍射，在样品池11表面形成稳定光场，高斯光的衍射图样如图7（b）、7（c）、7（d）中的衍射光斑所示。当激光没有开始工作时，直径为1微米的小球在溶液里做布朗运动，如图7（a）所示。激光开始工作后，在样品池11底面形成衍射光斑。通过该光场可以捕获多个微粒，最终在玻璃-水界面形成多个颗粒环的过程。捕获过程如图7（b）、7（c）、7（d）所示。衍射光斑亮条纹的光场与小球相互作用，对小球施加梯度力，小球被光场梯度力横向捕获。另外，激光对小球的散射力与样品池11底面对小球的支撑力平衡，颗粒不会离开显微物镜7的成像面，其被捕获过程的显微图像可以被观察，如图7（b）、7（c）、7（d）所示。随着时间的增加，被捕获的小球逐渐增加，最后小球都被束缚在衍射环的亮条纹上，在样品池11底面排列形成一圈圈的颗粒环状图案，如图7（d）所示。