一种基于柱矢量光束的飞秒激光光镊操控装置制造方法
【专利摘要】一种基于柱矢量光束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。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。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一800nm全反射镜，第一800nm全反射镜将线偏振光全反射至偏振转换器，偏振转换器将线偏振光转换为柱矢量光并输出至快门，柱矢量光经快门入射至第二800nm全反射镜，第二800nm全反射镜将反射柱矢量光全反射至显微镜的物镜，反射柱矢量光经显微镜的物镜入射至载物台上的样品池。本发明适用于生命科学领域研究。
【专利说明】一种基于柱矢量光束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。
[0004]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。且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】
[0005]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，现提出一种基于柱矢量光束的飞秒激光光镊操控装置。
[0006]一种基于柱矢量光束的飞秒激光光镊操控装置，它包括飞秒脉冲激光器、光阑、衰减片、第一 800nm全反射镜、偏振转换器、快门、第二 800nm全反射镜、显微镜、载物台和样品池；
[0007]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偏振转换器，偏振转换器将线偏振光转换为柱矢量光并输出至快门，柱矢量光经快门入射至第二 SOOnm全反射镜，第二 SOOnm全反射镜将反射柱矢量光全反射至显微镜的物镜，反射柱矢量光经显微镜的物镜入射至载物台上的样品池。
[0008]所述飞秒脉冲激光器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。
[0009]所述载物台为三维微位移平台。
[0010]一种基于柱矢量光束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 SOOnm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示。
[0011]一种基于柱矢量光束的飞秒激光光镊操控装置还包括上位机，所述上位机包括:[0012]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；
[0013]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；
[0014]用于对数据信息和波形图进行显示的显示模块。
[0015]所述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。
[0016]它还包括照明电路，所述照明电路包括电源、开关和照明灯，电源、开关和照明灯依次连接构成回路，照明灯位于载物台的正下方。
[0017]本发明所述的装置产生柱矢量光束作为捕获光，柱矢量光束具有独特的偏振模式和光强分布，捕获光具有较强的轴向捕获能力，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。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1为一种基于柱矢量光束的飞秒激光光镊操控装置的结构示意图。
【具体实施方式】
[0019]【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】所述的一种基于柱矢量光束的飞秒激光光镊操控装置，它包括飞秒脉冲激光器1、光阑2、衰减片3、第一800nm全反射镜4、偏振转换器5、快门6、第二 800nm全反射镜8、显微镜9、载物台10和样品池12 ；
[0020]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偏振转换器5,偏振转换器5将线偏振光转换为柱矢量光并输出至快门6,柱矢量光经快门6入射至第二 800nm全反射镜8，第二 800nm全反射镜8将反射柱矢量光全反射至显微镜9的物镜，反射柱矢量光经显微镜9的物镜入射至载物台10上的样品池12。
[0021]本实施方式中，采用飞秒激光器I的线偏振光经光阑2、衰减片3和第一 SOOnm全反射镜4进行调整后输出至偏振转换器5，偏振转换器5将线偏振光转换为柱矢量光束，柱矢量光束为径向偏振光或方位角偏振光束，柱矢量光束通过快门6和第二 800nm全反射镜8调整后进入显微镜9中，调整各部件的位置，使柱矢量光束光轴与显微镜9成像光路的光轴完全重合，将光束稱合进入显微镜中。
[0022]在显微镜中，光束与显微镜9的成像光路逆向传播，经高倍的显微镜的物镜聚焦，会聚成半径小于I微米的光斑，形成光学势阱，将载物台10上的样品池12中的目标微粒移入光学势阱内，实现对目标颗粒的稳定捕获和旋转操纵。
[0023]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。
[0024]【具体实施方式】二、本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种基于柱矢量光束的飞秒激光光镊操控装置的进一步说明，本实施方式中，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。
[0025]【具体实施方式】三、本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种基于柱矢量光束的飞秒激光光镊操控装置的进一步说明，所述载物台10为三维微位移平台。
[0026]本实施方式所述的载物台10的三维线性激励源的控制精度为50nm。
[0027]【具体实施方式】四、本实施方式是对【具体实施方式】一所述的一种基于柱矢量光束的飞秒激光光镊操控装置的进一步说明，本实施方式中，它还包括CCD探测器7，所述CCD探测器用于将第二 SOOnm全反射镜8和显微镜9之间的光束的光学影像转换为数字信号并显
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[0028]本实施方式中增加了 CCD探测器7，起到图像传感器的功能，将光学影像转化为数
字信号并显示。
[0029]【具体实施方式】五、本实施方式是对【具体实施方式】四所述的一种基于柱矢量光束的飞秒激光光镊操控装置的进一步说明，本实施方式中，它还包括上位机13，所述上位机13包括:
[0030]用于接收CXD探测器7发送的光路探测信号的探测信号接收模块；
[0031]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；
[0032]用于对数据信息和波形图进行显示的显示模块。
[0033]本实施方式中，通过上位机13能够将CXD探测器7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。
[0034]【具体实施方式】六、本实施方式是对【具体实施方式】五所述的一种基于柱矢量光束的飞秒激光光镊操控装置的进一步说明，本实施方式中，所述上位机13还包括用于控制载物台10进行三维移动的载物台控制模块。
[0035]本实施方式中，通过上位机13控制载物台10进行三维移动，使技术人员在对光路情况进行观察的同时通过上位机13调整载物台10的位置，能够更加准确的进行观察。
[0036]【具体实施方式】七、本实施方式是对【具体实施方式】六所述的一种基于柱矢量光束的飞秒激光光镊操控装置的进一步说明，本实施方式中，它还包括照明电路，所述照明电路包括电源14、开关15和照明灯11，电源14、开关15和照明灯11依次连接构成回路，照明灯11位于载物台10的正下方。
[0037]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10上的目标微粒进行观察时，使载物台10上的光线更加明亮，使观察的结果更加可靠、准确。
【权利要求】
1.一种基于柱矢量光束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 SOOnm全反射镜(4)、偏振转换器(5)、快门(6)、第二800nm全反射镜(8 )、显微镜(9 )、载物台(10 )和样品池(12 ); 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偏振转换器(5),偏振转换器(5)将线偏振光转换为柱矢量光并输出至快门(6 )，柱矢量光经快门(6 )入射至第二 800nm全反射镜(8 )，第二 800nm全反射镜(8 )将反射柱矢量光全反射至显微镜(9)的物镜，反射柱矢量光经显微镜(9)的物镜入射至载物台(10)上的样品池(12)。
2.根据权利要求1所述的一种基于柱矢量光束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所述的一种基于柱矢量光束的飞秒激光光镊操控装置，其特征在于，所述载物台(IO)为三维微位移平台。
4.根据权利要求1所述的一种基于柱矢量光束的飞秒激光光镊操控装置，其特征在于，它还包括CXD探测器(7 )，所述CXD探测器用于将第二 SOOnm全反射镜(8 )和显微镜(9 )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所述的一种基于柱矢量光束的飞秒激光光镊操控装置，其特征在于，它还包括上位机(13)，所述上位机(13)包括: 用于接收CCD探测器(7)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所述的一种基于柱矢量光束的飞秒激光光镊操控装置，其特征在于，所述上位机(13 )还包括用于控制载物台(IO )进行三维移动的载物台控制模块。
7.根据权利要求6所述的一种基于柱矢量光束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(14)、开关(15)和照明灯(11)，电源(14)、开关(15)和照明灯(11)依次连接构成回路，照明灯(11)位于载物台(10)的正下方。
【文档编号】G02B21/32GK103913832SQ201410160729
【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