一种基于s波片的飞秒激光光镊操控装置制造方法
【专利摘要】一种基于S波片的飞秒激光光镊操控装置，涉及光学操控粒子和细胞的光镊技术。解决了传统的光镊技术是通过提高入射激光功率来提高光镊的捕获力，捕获力提高的同时会对被操控对象造成无法挽回的热损伤的问题。采用飞秒脉冲激光器发射出线偏振光，线偏振光经光阑、衰减片和第一800nm全反射镜调整后输出至四分之一波片，四分之一波片将线偏振光转换为圆偏振光束，S波片将圆偏振光束转换为柱矢量光束，该柱矢量光束为径向偏振光束或方位角偏振光束，柱矢量光束经快门和第二800nm全反射镜调整后进入显微镜中，调整各部件的位置，使柱矢量光束光轴与显微镜成像光路的光轴完全重合，将光束耦合进入显微镜中。本发明适用于生命科学领域。
【专利说明】一种基于S波片的飞秒激光光镊操控装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及光学操控粒子和细胞的光镊技术。
【背景技术】
[0002]自光镊技术出现后，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。
[0003]光镊技术多采用连续激光和长脉冲激光，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、极高的峰值功率和时间和空间分辨率，并可以高精度地控制作用能量。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。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。高斯光束是传统的光镊光源，高斯光束聚焦后形成的光阱的最佳工作区域在光束焦点附近，近年来许多学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和细胞的光学操控，但是多数技术都局限于对微粒的捕获和定向移动，限制了应用范围，同时，传统的光镊技术是通过提高入射激光功率来提高光镊的捕获力，捕获力提高的同时会对被操控对象造成无法挽回的热损伤。
【发明内容】
[0004]本发明为了解决传统的光镊技术是通过提高入射激光功率来提高光镊的捕获力，捕获力提高的同时会对被操控对象造成无法挽回的热损伤的问题，提出了一种基于S波片的飞秒激光光镊操控装置。
[0005]一种基于S波片的飞秒激光光镊操控装置包括飞秒脉冲激光器、光阑、衰减片、第一 800nm全反射镜、四分之一波片、S波片、快门、第二 800nm全反射镜、显微镜和载物台，
[0006]飞秒脉冲激光器发射的线偏振光经光阑入射至衰减片，衰减片对线偏振光进行光强衰减后将线偏振光入射至第一 SOOnm全反射镜，第一 SOOnm全反射镜将线偏振光全反射至四分之一波片，四分之一波片将线偏振光转换为圆偏振光并输出至S波片，S波片将圆偏振光转换为径向偏振光或方位角偏振光，径向偏振光或方位角偏振光经快门入射至第二800nm全反射镜,第二 800nm全反射镜将径向偏振光或方位角偏振光全反射至显微镜的物镜并入射至载物台上。
[0007]一种基于S波片的飞秒激光光镊操控装置还包括CXD探测器，所述CXD探测器用于将第二 800nm全反射镜和显微镜之间的光束的光学影像转换为数字信号并显不。
[0008]一种基于S波片的飞秒激光光镊操控装置还包括上位机，所述上位机包括:
[0009]用于接收CCD探测器发送的光路探测信号的探测信号接收模块；
[0010]用于将光路探测信号转换为数据信息和波形图的信号转换模块；
[0011]用于对数据信息和波形图进行显示的显示模块。
[0012]上位机还包括用于控制载物台进行三维移动的载物台控制模块。[0013]有益效果:本发明所述装置通过四分之一波片和S波片将飞秒脉冲激光器发射出的线偏振光转换为径向偏振光束和方位角偏振光束作为捕获光，柱矢量光束具有独特的偏振模式和光强分布，捕获光具有高于高斯捕获光束的轴向捕获能力，相对于使用高斯光束光镊，柱矢量光束的使用可以在较小的入射激光功率调节下能够达到与高斯光束同样的轴向捕获力，选择柱矢量光束作为捕获光，小于高斯光束的入射激光功率可以达到与高斯光束同样的轴向捕获力，能够更好的避免对被操控对象造成的热损伤。柱矢量光束光场分布不均匀通常携带轨道角动量，与普通高斯型激光光镊技术相比，携带轨道角动量的光束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。方位角偏振光束的聚焦环形中空特点易于实现高精度、非接触、无损伤操控，因而特别适合于生命科学领域研究。
[0014]本发明使用飞秒激光作为光镊装置的光源，由于飞秒激光具有高时间及空间分辨特性，为提高光镊的捕获力提供了保障。飞秒激光技术结合时间分辨光谱技术，还可进行对生物体超快生物过程研究、双光子荧光动力学等研究。飞秒激光的高时间及空间分辨特性还可以实现对细胞无创局部改性操作。
【专利附图】
【附图说明】
[0015]图1为一种基于S波片的飞秒激光光镊操控装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0016]【具体实施方式】一、结合图1说明本【具体实施方式】，本【具体实施方式】所述的一种基于S波片的飞秒激光光镊操控装置包括飞秒脉冲激光器1、光阑2、衰减片3、第一 SOOnm全反射镜4、四分之一波片5、S波片6、快门7、第二 800nm全反射镜9、显微镜10和载物台11，
[0017]飞秒脉冲激光器I发射的线偏振光经光阑2入射至衰减片3，衰减片3对线偏振光进行光强衰减后将线偏振光入射至第一 SOOnm全反射镜4，第一 SOOnm全反射镜4将线偏振光全反射至四分之一波片5,四分之一波片5将线偏振光转换为圆偏振光并输出至S波片6, S波片6将圆偏振光转换为径向偏振光或方位角偏振光,径向偏振光或方位角偏振光经快门7入射至第二 800nm全反射镜9，第二 800nm全反射镜9将径向偏振光或方位角偏振光全反射至显微镜10的物镜并入射至载物台11上。
[0018]本实施方式中，采用飞秒脉冲激光器I发射出线偏振光，线偏振光经光阑2、衰减片3和第一 800nm全反射镜4调整后输出至四分之一波片5,四分之一波片5将线偏振光转换为圆偏振光束，S波片6将圆偏振光束转换为柱矢量光束，该柱矢量光束为径向偏振光束或方位角偏振光束，柱矢量光束经快门7和第二800nm全反射镜9调整后进入显微镜10中，调整各部件的位置，使柱矢量光束光轴与显微镜10成像光路的光轴完全重合，将光束耦合进入显微镜10中。
[0019]在显微镜10中，光束与显微镜10的成像光路逆向传播，经高倍的显微镜10的物镜聚焦，会聚成半径小于I微米的光斑，形成光学势阱，将载物台11上的目标微粒移入光学势阱内，实现对目标微粒的稳定捕获和旋转操纵。
[0020]本实施方式中所述的四分之一波片5用于将线偏振光转换为左旋圆偏振光或右旋圆偏振光。[0021]本实施方式中所述的S波片6是由立陶宛研发出的新型超结构波片，用于将四分之一波片5输出的左旋圆偏振光或右旋圆偏振光转换为径向偏正光或方位角偏振光。
[0022]本实施方式中使用飞秒激光作为光镊装置的光源，由于飞秒激光具有高时间及空间分辨特性，为提高光镊的捕获力提供了保障。飞秒激光技术结合时间分辨光谱技术，还可进行对生物体超快生物过程研究、双光子荧光动力学等研究。飞秒激光的高时间及空间分辨特性还可以实现对细胞无创局部改性操作。
[0023]【具体实施方式】二、本【具体实施方式】与【具体实施方式】一所述的一种基于S波片的飞秒激光光镊操控装置的区别在于，所述飞秒脉冲激光器I为掺钛蓝宝石飞秒激光器，输出脉冲重复频率为76兆赫兹，脉冲宽度为120飞秒。
[0024]【具体实施方式】三、本【具体实施方式】与【具体实施方式】一所述的一种基于S波片的飞秒激光光镊操控装置的区别在于，所述载物台11为三维微位移平台。
[0025]本实施方式所述的载物台13的三维线性激励源的控制精度为50nm。
[0026]【具体实施方式】四、结合图1说明本【具体实施方式】，本【具体实施方式】与【具体实施方式】一所述的一种基于S波片的飞秒激光光镊操控装置的区别在于，它还包括CCD探测器8，所述CXD探测器8用于将第二 SOOnm全反射镜9和显微镜10之间的光束的光学影像转换为数字信号并显示。
[0027]本实施方式中增加了 CCD探测器8，能够对会聚的光束进行实时监测，以获知光束的会聚情况。
[0028]【具体实施方式】五、本【具体实施方式】与【具体实施方式】四所述的一种基于S波片的飞秒激光光镊操控装置的区别在于，它还包括上位机14，所述上位机14包括:
[0029]用于接收CCD探测器8发送的光路探测信号的探测信号接收模块；
[0030]用于将光路探测信号转换为数据信息和波形图的信号转换模块；
[0031]用于对数据信息和波形图进行显示的显示模块。
[0032]本实施方式中，通过上位机14能够将CXD探测器8所探测的信号实时并完整的显示出来，使技术人员能够清晰地了解光路情况。
[0033]【具体实施方式】六、本【具体实施方式】与【具体实施方式】五所述的一种基于S波片的飞秒激光光镊操控装置的区别在于，所述上位机14还包括用于控制载物台11进行三维移动的载物台控制模块。
[0034]【具体实施方式】七、本【具体实施方式】与【具体实施方式】一所述的一种基于S波片的飞秒激光光镊操控装置的区别在于，它还包括照明电路，所述照明电路包括电源16、开关17和照明灯15，电源16、开关17和照明灯15依次连接构成回路，照明灯15位于载物台11的正下方。
[0035]本实施方式中增加了照明电路，技术人员在通过目镜对载物台11上的目标微粒进行观察时，使载物台11上的光线更加明亮，使观察的结果更加可靠。
【权利要求】
1.一种基于S波片的飞秒激光光镊操控装置，其特征在于，它包括飞秒脉冲激光器(I)、光阑(2)、衰减片(3)、第一 800nm全反射镜(4)、四分之一波片(5)、S波片(6)、快门(7)、第二 SOOnm全反射镜(9)、显微镜(10)和载物台(11)， 飞秒脉冲激光器(I)发射的线偏振光经光阑(2)入射至衰减片(3)，衰减片(3)对线偏振光进行光强衰减后将线偏振光入射至第一 800nm全反射镜(4),第一 800nm全反射镜(4)将线偏振光全反射至四分之一波片(5),四分之一波片(5)将线偏振光转换为圆偏振光并输出至S波片(6), S波片(6)将圆偏振光转换为径向偏振光或方位角偏振光,径向偏振光或方位角偏振光经快门(7 )入射至第二 800nm全反射镜(9 )，第二 800nm全反射镜(9 )将径向偏振光或方位角偏振光全反射至显微镜(10)的物镜并入射至载物台(11)上。
2.根据权利要求1所述的一种基于S波片的飞秒激光光镊操控装置，其特征在于，所述飞秒脉冲激光器(I)为掺钛蓝宝石飞秒激光器，输出脉冲重复频率为76兆赫兹，脉冲宽度为120飞秒。
3.根据权利要求1所述的一种基于S波片的飞秒激光光镊操控装置，其特征在于，所述载物台(11)为三维微位移平台。
4.根据权利要求1所述的一种基于S波片的飞秒激光光镊操控装置，其特征在于，它还包括CXD探测器(8 )，所述CXD探测器(8 )用于将第二 SOOnm全反射镜(9 )和显微镜(10 )之间的光束的光学影像转换为数字信号并显示。
5.根据权利要求4所述的一种基于S波片的飞秒激光光镊操控装置，其特征在于，它还包括上位机(14),所述上位机(14)包括: 用于接收CCD探测器(8)发送的光路探测信号的探测信号接收模块； 用于将光路探测信号转换为数据信息和波形图的信号转换模块； 用于对数据信息和波形图进行显示的显示模块。
6.根据权利要求5所述的一种基于S波片的飞秒激光光镊操控装置，其特征在于，所述上位机(14 )还包括用于控制载物台(11)进行三维移动的载物台控制模块。
7.根据权利要求1所述的一种基于S波片的飞秒激光光镊操控装置，其特征在于，它还包括照明电路，所述照明电路包括电源(16)、开关(17)和照明灯(15)，电源(16)、开关(17)和照明灯(15)依次连接构成回路，照明灯(15)位于载物台(11)的正下方。
【文档编号】G02B21/32GK103913831SQ201410160702
【公开日】2014年7月9日 申请日期:2014年4月21日 优先权日:2014年4月21日
【发明者】冉玲苓, 高扬, 王积翔, 孔德贵, 吴文智 申请人:黑龙江大学