专利名称：一种涡旋飞秒激光光镊装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于光镊控制技术，主要涉及一种使用涡旋飞秒激光作为光镊光源的
装直。
背景技术：
自Ashkin等人发明光镊后，光镊由于具有非接触、无损伤操纵微纳尺度粒子的特性，因此被广泛地应用于生命科学、医学、物理、材料和纳米科学，被认为是最理想的单分子、单细胞、微粒、微纳器件操作技术。目前，光镊技术的操控对象广泛，从透明的电介质小 球、细胞、到不透明的材料如金属微粒均可以实现直接操控，如专利ZL200610078632. 5。与连续激光和长脉冲激光相比，飞秒激光脉冲具有极短的脉冲宽度、极高的峰值功率、极高的时间和空间分辨率，并可以高精度地控制作用能量。2001年天津大学提出了飞秒激光光镊的概念，与连续光光镊相比较，飞秒光镊中作用在粒子上的光学梯度力是脉冲式的。在脉冲宽度内，激光脉冲产生的光学力与光强有关，在激光脉冲峰值时刻产生的光学力达到极值，而在脉冲间隔内，微粒不受光学力的作用。飞秒激光脉冲所产生的横向光学力和轴向光学力能抵消由于布朗运动引起的微粒中心偏移的影响，可实现对微粒的稳定束缚。目前以高重复率飞秒激光为光源可以对血红细胞、白细胞、病毒、聚苯乙烯微球等实现稳定捕获，如专利ZL200420085210. 7。近年来许多技术工作者在不断的探索使用各种各样的激光光源、设计不同的光路以实现对多种微粒的操控，但是多数技术都局限于对微粒的捕获和微粒整体的定向移动，不能实现微粒的自身旋转，限制了应用范围。
发明内容本实用新型的目的在于克服上述技术的不足，提出一种利用涡旋飞秒激光作为光源的光镊装置，达到实现对细胞、微粒等高精度、非接触、无损伤操控，并可实现对微粒自转操控的目的。本实用新型采用了如下技术方案加以实现一种涡旋飞秒激光光镊装置，在飞秒脉冲激光器种子光光路上依次配置光栏、衰减片和第一平面反射镜，第二平面反射镜配置在第一平面反射镜反射光路上，在第二平面反射镜反射光路上依次配置快门和第三平面反射镜，在第四平面反射镜反射光路上依次配置显微镜、显微镜载物台和照明灯，导线将计算机分别与快门、显微镜载物台、CCD相机连接，在第三平面反射镜反射光路上依次配置涡旋光栅和掩模板，在掩模板上设置一个通孔，第四平面反射镜配置在通过涡旋光栅衍射后得到的涡旋飞秒激光经掩模板选择的一级涡旋飞秒衍射光光路上，且该一级涡旋飞秒衍射光光路的光轴与显微镜成像光路的光轴完全重合。飞秒脉冲激光器输出的脉冲重复频率大于70兆赫兹，脉冲宽度为120飞秒。显微镜载物台为三维微位移平台，其控制精度为0. I微米。本实用新型的主要优点是可实现高重复频率涡旋飞秒激光操控细胞和微粒；对于活性较大的细胞，与高斯型飞秒脉冲激光捕获技术相比，涡旋飞秒脉冲激光光束的环形中空特点使得聚焦后的光斑分布仍为环形，更易于实现高精度、非接触、无损伤操控，因而特别适合于生命科学领域研究。与普通高斯型激光光镊技术相比，涡旋飞秒光束携带了轨道角动量能够稳定捕获并旋转操控氧化铜、三氧化二铁等吸收性微粒，为微机械马达等微纳器件操作的集成提供可能。
图I是一种涡旋飞秒激光光镊装置的结构示意图；图2是图I中涡旋光栅结构图；图中件号说明I、飞秒脉冲激光器、2、光栏、3、衰减片、4、第一平面反射镜、5、第二平面反射镜、6、快门、7、第三平面反射镜、8、涡旋光栅、9、掩模板、10、第四平面反射镜、11、显微镜、12、显微镜载物台、13、照明灯、14、CXD相机、15、计算机。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型最佳实施方案进行详细描述。一种涡旋飞秒激光光镊装置，在飞秒脉冲激光器I种子光光路上依次配置光栏2、衰减片3和第一平面反射镜4，第二平面反射镜5配置在第一平面反射镜4反射光路上，在第二平面反射镜5反射光路上依次配置快门6和第三平面反射镜7，在第四平面反射镜10反射光路上依次配置显微镜11、显微镜载物台12和照明灯13，导线将计算机15分别与快门6、显微镜载物台12、C⑶相机14连接，在第三平面反射镜7反射光路上依次配置涡旋光栅8和掩模板9，在掩模板9上设置一个通孔，第四平面反射镜10配置在通过涡旋光栅8衍射后得到的涡旋飞秒激光经掩模板9选择的一级涡旋飞秒衍射光光路上，且该一级涡旋飞秒衍射光光路的光轴与显微镜11成像光路的光轴完全重合。飞秒脉冲激光器I输出的脉冲重复频率大于70兆赫兹,脉冲宽度为120飞秒。显微镜载物台12为三维微位移平台，其控制精度为0. I微米。作业过程是，飞秒脉冲激光器I的种子光源经涡旋光栅8衍射出的涡旋飞秒激光光束作为光镊光源。从飞秒脉冲激光器I输出的光脉冲为线偏光，其重复频率为76MHz，脉冲宽度为120飞秒。调节一级涡旋飞秒衍射光光束方向，使其光轴与显微镜11成像光路的光轴完全重合，将飞秒涡旋激光耦合进入显微镜11中。在显微镜11中，涡旋飞秒脉冲激光与显微镜成像光路逆向传播，经高倍的显微镜11紧聚焦，形成涡旋光学势阱。利用三维微位移平台的显微镜载物台12控制显微镜载物台12上样品池中的目标微粒，将其移进飞秒涡旋激光的光学势阱内，实现对目标微粒的稳定捕获和旋转操纵。借助于显微镜11主体的照明灯13，可监测涡旋飞秒激光光镊操控微粒的过程，通过CXD相机14和计算机15显示并记录操作过程。按照上述过程，将涡旋飞秒脉冲激光光束耦合进入显微镜11中后，将收集的人体血细胞融合入氯化钠溶液中，置于显微镜载物台12上。在显微镜11下观察选择一个红细胞作为目标，对选中的目标施加涡旋飞秒脉冲激光，实现稳定捕获。由计算机15控制显微镜载物台12的前后和左右移动可以相对平移目标细胞相对周围环境的位置，实现了二位平面内的自由操控，由显微镜11目镜或通过CCD相机14对整个操控过程进行实时观察。将黑色氧化铜粉末置于装有蓖麻油的样品池，置于显微镜载物台12上，在显微镜11下观察氧化铜微粒，选择一个形状较规则氧化铜微粒作为目标。对选中的氧化铜微粒施加飞秒涡旋激光脉冲实现稳定捕获。氧化铜微粒属于吸收性粒子，飞秒涡旋激光束的轨道 角动量会转移给氧化铜微粒，微粒能够克服外界的阻力矩发生定向周期性旋转。
权利要求1.一种涡旋飞秒激光光镊装置，在飞秒脉冲激光器(I)种子光光路上依次配置光栏(2)、衰减片(3)和第一平面反射镜(4)，第二平面反射镜(5)配置在第一平面反射镜(4)反射光路上，在第二平面反射镜(5)反射光路上依次配置快门(6)和第三平面反射镜(7)，在第四平面反射镜(10)反射光路上依次配置显微镜(11)、显微镜载物台(12)和照明灯(13)，导线将计算机(15)分别与快门(6)、显微镜载物台(12)、CCD相机(14)连接，其特征在于在第三平面反射镜(7)反射光路上依次配置涡旋光栅(8)和掩模板(9)，在掩模板(9)上设置一个通孔，第四平面反射镜(10)配置在通过涡旋光栅(8)衍射后得到的涡旋飞秒激光经掩模板(9)选择的一级涡旋飞秒衍射光光路上，且该一级涡旋飞秒衍射光光路的光轴与显微镜(11)成像光路的光轴完全重合。
2.根据权利要求I所述的涡旋飞秒激光光镊装置，其特征在于飞秒脉冲激光器(I)输出的脉冲重复频率大于70兆赫兹，脉冲宽度为120飞秒。
3.根据权利要求I所述的涡旋飞秒激光光镊装置，其特征在于显微镜载物台(12)为三维微位移平台，其控制精度为0. I微米。
专利摘要一种涡旋飞秒激光光镊装置属于光镊技术；该装置以飞秒激光显微操作系统为核心，将飞秒脉冲激光器输出的种子光经过光栏、衰减片、全反射平面镜等器件的调整传输至涡旋光栅，通过涡旋光栅衍射得到涡旋飞秒激光，经掩模板选择一级衍射光，使其光轴与显微镜成像光路的光轴完全重合，将涡旋飞秒激光耦合进入显微镜中；本装置实现了高重复率涡旋飞秒激光脉冲对细胞、氧化铜、三氧化二铁等微粒的稳定捕获和旋转操控，具有稳定性好、结构简单等优点，且能够更好的实现高精度、非接触、无损伤操控，为微机械马达等微纳器件操作的集成提供可能，可以广泛应用于微控制领域。
文档编号G02B21/32GK202522760SQ20122007761
公开日2012年11月7日 申请日期2012年2月25日 优先权日2012年2月25日
发明者冉玲苓, 曲士良, 王积翔, 石宏新, 郭忠义 申请人:黑龙江大学