一种基于柱矢量光束的飞秒激光模式可调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模式可调光镊操控装置，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。采用飞秒激光器的种子光源经光阑、衰减片和第一800nm全反射镜进行调整后通过第一分束器分为反射激光和透射激光，透射激光经过偏振转换器转换柱矢量光束通过第二分束器、快门和第四800nm全反射镜调整后进入显微镜中，反射激光通过第二800nm全反射镜、第三800nm全反射镜、第二分束器、快门和第四800nm全反射镜调整后进入显微镜中。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模式可调光镊操控装置
【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，提出了一种基于柱矢量光束的飞秒激光模式可调光镊操控装置。
[0005]一种基于柱矢量光束的飞秒激光模式可调光镊操控装置包括飞秒脉冲激光器、光阑、衰减片、第一 SOOnm全反射镜、第一分束器、偏振转换器、第二分束器、第二 SOOnm全反射镜、第三800nm全反射镜、快门、第四800nm全反射镜、显微镜和载物台，
[0006]飞秒脉冲激光器发射的脉冲激光经光阑入射至衰减片，衰减片对脉冲激光进行光强衰减后将脉冲激光入射至第一 SOOnm全反射镜，第一 SOOnm全反射镜将脉冲激光全反射至第一分束器，
[0007]第一分束器将脉冲激光分为反射激光和透射激光，
[0008]反射激光经第一分束器入射至第二 800nm全反射镜，第二 800nm全反射镜将反射激光全反射至第三800nm全反射镜，第三800nm全反射镜将反射激光全反射至第二分束镜，第二分束镜将反射激光反射至快门，反射激光经快门入射至第四全反镜，第四全反镜将反射激光全反射至显微镜的物镜，反射激光经显微镜的物镜入射至载物台上，
[0009]透射激光经第一分束器入射至偏振转换器，偏振转换器将透射激光入射至第二分束器，第二分束器将透射激光入射至快门，透射激光经快门入射至第四全反镜，第四全反镜将透射激光全反射至显微镜的物镜，透射激光经显微镜的物镜入射至载物台上。
[0010]它还包括CXD探测器，所述CXD探测器用于将第四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]它还包括上位机,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]用于控制载物台进行三维移动的载物台控制模块。
[0016]有益效果:本发明所述的装置在实际应用中可以灵活的选择高斯光束或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。通过调整偏振转换器上的偏压来控制输出矢量光束的类型，包括方位角偏振光输和径向偏振光束，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。
[0017]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】
[0018]图1为一种基于柱矢量光束的飞秒激光模式可调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模式可调光镊操控装置的区别在于，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、第一分束器5、偏振转换器6、第二分束器7、第二800nm全反射镜8、第三800nm全反射镜9、快门10、第四800nm全反射镜11、显微镜12和载物台13，
[0020]飞秒脉冲激光器I发射的脉冲激光经光阑2入射至衰减片3，衰减片3对脉冲激光进行光强衰减后将脉冲激光入射至第一 SOOnm全反射镜4，第一 SOOnm全反射镜4将脉冲激光全反射至第一分束器5，
[0021]第一分束器5将脉冲激光分为反射激光和透射激光，
[0022]反射激光经第一分束器5入射至第二 800nm全反射镜8，第二 800nm全反射镜8将反射激光全反射至第三800nm全反射镜9,第三800nm全反射镜9将反射激光全反射至第二分束器7，第二分束器7将反射激光反射至快门10，反射激光经快门10入射至第四800nm全反射镜11，第四SOOnm全反射镜11将反射激光全反射至显微镜12的物镜，反射激光经显微镜12的物镜入射至载物台13上，
[0023]透射激光经第一分束器5入射至偏振转换器6，偏振转换器6将透射激光入射至第二分束器7，第二分束器7将透射激光入射至快门10，透射激光经快门10入射至第四800nm全反射镜11，第四SOOnm全反射镜11将透射激光全反射至显微镜12的物镜，透射激光经显微镜12的物镜入射至载物台13上。
[0024]本实施方式中，采用飞秒激光器I的种子光源经光阑2、衰减片3和第一 SOOnm全反射镜4进行调整后通过第一分束器5分为反射激光和透射激光，透射激光经过偏振转换器6转换柱矢量光束通过第二分束器7、快门10和第四800nm全反射镜11调整后进入显微镜12中，反射激光通过第二 800nm全反射镜8、第三800nm全反射镜9、第二分束器7、快门10和第四SOOnm全反射镜11调整后进入显微镜12中，选择通过偏振转换器6转换出的柱矢量光束或不经偏振转换器6转换的线偏振光束作为光镊光源，调整各部件的位置，使柱矢量光束光轴或线偏振光束光轴与显微镜12成像光路的光轴完全重合，将光束稱合进入显微镜中。
[0025]在显微镜中，光束与显微镜12的成像光路逆向传播，经高倍的物镜聚焦，会聚成半径小于I微米的光斑，形成光学势阱，将载物台13上的目标颗粒移入光学势阱内，实现对目标颗粒的稳定捕获和旋转操纵。
[0026]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。
[0027]【具体实施方式】二、本【具体实施方式】与【具体实施方式】一所述的一种基于柱矢量光束的飞秒激光模式可调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。
[0028]【具体实施方式】三、本【具体实施方式】与【具体实施方式】一所述的一种基于柱矢量光束的飞秒激光模式可调光镊操控装置的区别在于，所述载物台13为三维微位移平台。
[0029]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。
[0030]【具体实施方式】四、本【具体实施方式】与【具体实施方式】一所述的一种基于柱矢量光束的飞秒激光模式可调光镊操控装置的区别在于，它还包括CCD探测器16，所述CCD探测器16用于将第四SOOnm全反射镜11和显微镜12之间的光束的光学影像转换为数字信号并显
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[0031]本实施方式中增加了 CCD探测器16，能够对会聚的光束进行实时监测，以获知光束的会聚情况。
[0032]【具体实施方式】五、本【具体实施方式】与【具体实施方式】四所述的一种基于柱矢量光束的飞秒激光模式可调光镊操控装置的区别在于，它还包括上位机17，所述上位机17包括:
[0033]用于接收CCD探测器16发送的光路探测信号的探测信号接收模块；
[0034]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；
[0035]用于对数据信息和波形图进行显示的显示模块。
[0036]本实施方式中，通过上位机17能够将CXD探测器16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。[0037]【具体实施方式】六、本【具体实施方式】与【具体实施方式】五所述的一种基于柱矢量光束的飞秒激光模式可调光镊操控装置的区别在于，所述上位机17还包括用于控制载物台13进行三维移动的载物台控制模块。
[0038]本实施方式中，通过上位机17控制载物台13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17调整载物台13的位置，能够更加准确的进行观察。
[0039]【具体实施方式】七、本【具体实施方式】与【具体实施方式】一所述的一种基于柱矢量光束的飞秒激光模式可调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19、开关20和照明灯18，电源19、开关20和照明灯18依次连接构成回路，照明灯18位于载物台13的正下方。
[0040]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13上的目标微粒进行观察时，使载物台13上的光线更加明亮，使观察的结果更加可靠。
【权利要求】
1.一种基于柱矢量光束的飞秒激光模式可调光镊操控装置，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)、第一分束器(5)、偏振转换器(6)、第二分束器(7)、第二800nm全反射镜(8)、第三800nm全反射镜(9)、快门(10)、第四800nm全反射镜(11)、显微镜(12)和载物台(13)， 飞秒脉冲激光器(I)发射的脉冲激光经光阑(2)入射至衰减片(3)，衰减片(3)对脉冲激光进行光强衰减后将脉冲激光入射至第一 SOOnm全反射镜(4)，第一 SOOnm全反射镜(4)将脉冲激光全反射至第一分束器(5 )， 第一分束器(5)将脉冲激光分为反射激光和透射激光， 反射激光经第一分束器(5)入射至第二 SOOnm全反射镜(8)，第二 SOOnm全反射镜(8)将反射激光全反射至第三800nm全反射镜(9)，第三800nm全反射镜(9)将反射激光全反射至第二分束器(7)，第二分束器(7)将反射激光反射至快门(10)，反射激光经快门(10)入射至第四800nm全反射镜(11),第四800nm全反射镜(11)将反射激光全反射至显微镜(12)的物镜，反射激光经显微镜(12)的物镜入射至载物台(13)上， 透射激光经第一分束器(5)入射至偏振转换器(6)，偏振转换器(6)将透射激光入射至第二分束器(7)，第二分束器(7)将透射激光入射至快门(10)，透射激光经快门(10)入射至第四SOOnm全反射镜(11)，第四SOOnm全反射镜(11)将透射激光全反射至显微镜(12)的物镜，透射激光经显微镜(12)的物镜入射至载物台(13)上。
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模式可调光镊操控装置，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模式可调光镊操控装置，其特征在于，所述载物台(13)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模式可调光镊操控装置，其特征在于，它还包括CXD探测器(16 )，所述CXD探测器(16 )用于将第四SOOnm全反射镜(11)和显微镜(12)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模式可调光镊操控装置，其特征在于，它还包括上位机(17)，所述上位机(17)包括: 用于接收CCD探测器(16)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模式可调光镊操控装置，其特征在于，所述上位机(17)还包括用于控制载物台(13)进行三维移动的载物台控制模块。
7.根据权利要求1所述的一种基于柱矢量光束的飞秒激光模式可调光镊操控装置，其特征在于，它还包括照明电路，所述照明电路包括电源(19 )、开关(20 )和照明灯(18 )，电源(19)、开关(20)和照明灯(18)依次连接构成回路，照明灯(18)位于载物台(13)的正下方。
【文档编号】G02B27/28GK103926686SQ201410160734
【公开日】2014年7月16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