專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于波前相位調(diào)制的光鑷裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于應(yīng)用光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，與聚焦光學(xué)系統(tǒng)焦點(diǎn)區(qū)域光強(qiáng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)有關(guān)，特別是一種基于波前相位調(diào)制的光鑷裝置。主要應(yīng)用于光學(xué)微操縱及光與物質(zhì)相互作用等領(lǐng)域。
技術(shù)背景早在1970年貝爾實(shí)驗(yàn)室的A · Ashkin就利用多光束激光的三維勢(shì)阱成功鑷起并移動(dòng)水溶液中的小玻璃珠。之后，這一激光鑷起微粒的技術(shù)得到不斷改進(jìn)，所能捕獲的粒子越來(lái)越小，1985年A · Ashkin開(kāi)始采用單光束鑷起細(xì)菌及病毒等微小生物體，1987 年利用1064納米的激光成功鑷起病毒。在其后的20年間這一技術(shù)得到廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，派生出透鏡光纖光鑷、微透鏡陣列光鑷、全息陣列光鑷等可以應(yīng)用于某些特殊領(lǐng)域的遠(yuǎn)場(chǎng)光鑷技術(shù)，并成為生物醫(yī)學(xué)、化學(xué)、物理學(xué)、光譜學(xué)、微細(xì)加工等眾多學(xué)科領(lǐng)域中的研究工具。在納米技術(shù)和生命科學(xué)迅速發(fā)展的21世紀(jì)，做為這兩個(gè)領(lǐng)域得力工具的光鑷技術(shù)的研究和應(yīng)用得到了迅速的發(fā)展，特別是在生命科學(xué)領(lǐng)域，光鑷已成為研究單個(gè)細(xì)胞和生物大分子行為不可或缺的有效工具。近些年來(lái)，兩束光的相干模式又被利用來(lái)構(gòu)成可調(diào)控的光鑷子，并且可以通過(guò)改變兩束光的頻率差或光程差來(lái)連續(xù)地旋轉(zhuǎn)被捕獲的多個(gè)顆粒(K. Dholakia et al，“Simultaneous micromanipulation in multipleplanes using a self reconstructing light beam，，，Nature 2002，419，145，and “Creation and manipulation of three-dimensionaloptically trapped structures，，，Science 2002， 296, P1101-1103)，盡管此種構(gòu)成光鑷子的在先技術(shù)具有一定的優(yōu)點(diǎn)，但是仍然存在以下不足1)可調(diào)控光鑷子需要兩束光源進(jìn)行相干，形成干涉模式來(lái)構(gòu)成光鑷子，裝置結(jié)構(gòu)復(fù)雜，部件多。2)光鑷子裝置中被捕獲的粒子通過(guò)開(kāi)關(guān)光源或大幅度調(diào)整光強(qiáng)來(lái)實(shí)現(xiàn)顆粒的捕獲和釋放，控制方式靈活性差，甚至影響裝置使用壽命。
發(fā)明內(nèi)容本實(shí)用新型為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，提供了一種部件少、光能量利用率高、 系統(tǒng)簡(jiǎn)潔的實(shí)現(xiàn)光鑷的裝置。本實(shí)用新型解決上述技術(shù)問(wèn)題所采用的技術(shù)方案為一種實(shí)現(xiàn)光鑷的裝置，由光源發(fā)射部件、光束直徑調(diào)節(jié)器、相位波前調(diào)節(jié)器、光學(xué)聚焦部件組成；光源發(fā)射部件出射光束方向上依次置有光束直徑調(diào)節(jié)器、相位波前調(diào)節(jié)器和光學(xué)聚焦部件，其特點(diǎn)是所述的相位波前調(diào)節(jié)器是帶有相位拓樸數(shù)的環(huán)形相位波前調(diào)節(jié)器。本實(shí)用新型所述的帶有相位拓樸數(shù)的環(huán)形相位波前調(diào)節(jié)器是區(qū)域半徑大小可變的部件。調(diào)節(jié)相位呈螺旋狀變化，波前相位調(diào)節(jié)器的相對(duì)半徑和拓?fù)鋽?shù)可調(diào)。本實(shí)用新型所述的帶有相位拓樸數(shù)的環(huán)形相位波前調(diào)節(jié)器為可編程相位型空間光調(diào)制器、可編程液晶光學(xué)相位控制器件、光機(jī)電集成相位控制器件。本實(shí)用新型所述的光束直徑調(diào)節(jié)器為光束擴(kuò)束倍率可調(diào)的光束擴(kuò)束光學(xué)部件。作為優(yōu)選，所述的光束擴(kuò)束倍率可調(diào)的光束擴(kuò)束光學(xué)部件為伽利略型擴(kuò)束鏡或開(kāi)普敦型擴(kuò)束鏡。 作為優(yōu)選，所述的光源發(fā)射部件為氦氖激光器。作為優(yōu)選，所述的光學(xué)聚焦部件為尼康平場(chǎng)復(fù)消色差物鏡。本實(shí)用新型相對(duì)現(xiàn)有技術(shù)具有的優(yōu)點(diǎn)和有益效果為1)只用一束光形成可以操控的光鑷子，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，部件少。2)光鑷子裝置中被捕獲的粒子通過(guò)調(diào)節(jié)相位來(lái)實(shí)現(xiàn)顆粒的捕獲和釋放，控制方式靈活性好，裝置使用壽命長(zhǎng)。3)實(shí)現(xiàn)裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，容易實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化。4)實(shí)現(xiàn)在顆粒所在位置處，可以方便地調(diào)節(jié)，不斷地形成新的光鑷子捕獲顆粒，然后搬運(yùn)到目的地。

圖1為本實(shí)用新型實(shí)施例的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本實(shí)用新型實(shí)施例波前調(diào)節(jié)器示意圖；圖3為本實(shí)用新型實(shí)施例的光鑷分布圖；圖4為本實(shí)用新型實(shí)施例的光鑷分布圖圖5為本實(shí)用新型實(shí)施例的光鑷分布圖圖6為本實(shí)用新型實(shí)施例的光鑷分布圖。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述，以下實(shí)施例是本實(shí)用新型比較好的應(yīng)用形式，但以下實(shí)施例不應(yīng)看作是對(duì)本實(shí)用新型的限制。實(shí)施例本實(shí)施例的以下部分描述了一種實(shí)現(xiàn)光鑷的裝置如圖1所示，本實(shí)用新型的實(shí)現(xiàn)光鑷的裝置包括氦氖激光器1、開(kāi)普敦型擴(kuò)束鏡2、 可編程相位型空間光調(diào)制器3和尼康平場(chǎng)復(fù)消色差物鏡4組成，開(kāi)普敦型擴(kuò)束鏡2、可編程相位型空間光調(diào)制器3和尼康平場(chǎng)復(fù)消色差物鏡4依次設(shè)置在氦氖激光器1的出光路徑上。工作時(shí)，氦氖激光器1出射相干光束經(jīng)過(guò)開(kāi)普敦型擴(kuò)束鏡2，開(kāi)普敦型擴(kuò)束鏡2對(duì)光束進(jìn)行擴(kuò)束，擴(kuò)束后的激光束經(jīng)過(guò)可編程相位型空間光調(diào)制器3，如圖2所示，可編程相位型空間光調(diào)制器3對(duì)入射的激光束的波前相位分布進(jìn)行了螺旋狀相位變化調(diào)節(jié)，使相位分布呈現(xiàn)螺旋狀相位變化，具有螺旋狀相位波前的激光束經(jīng)過(guò)尼康平場(chǎng)復(fù)消色差物鏡4聚焦后，如圖3-6所示，在焦點(diǎn)區(qū)域形成了的光鑷。相位波前調(diào)節(jié)器是帶有相位拓樸數(shù)的環(huán)形相位波前調(diào)節(jié)器，及光束經(jīng)過(guò)相位波前調(diào)節(jié)器進(jìn)行波前相位調(diào)節(jié)后，光束的波前具有拓?fù)浞植迹?，選擇相位拓?fù)浞植紴?br> ，其中i為單位虛數(shù)…為光束橫截面上的方向角坐標(biāo)，m為相位拓樸數(shù)。環(huán)形相位波前指的是光束波前相位在具有相位拓?fù)浞植纪瑫r(shí)還具有在橫向呈現(xiàn)環(huán)帶狀分布。在使用帶有相位拓樸數(shù)的環(huán)形相位波前調(diào)節(jié)器這一技術(shù)手段時(shí)，可以通過(guò)可編程相位型空間光調(diào)制器、可編程液晶光學(xué)相位控制器件和光機(jī)電集成相位控制器件來(lái)實(shí)現(xiàn)，例如，選擇可編程相位型空間光調(diào)制器，可編程相位型空間光調(diào)制器是現(xiàn)有產(chǎn)品化的器件，國(guó)際著名品牌供應(yīng)商包括H0L0EYE、BNS, HAMAMATSU等公司，分為反射式和透射式兩種，均可以通過(guò)圖形用戶(hù)界面軟件任意調(diào)節(jié)反射或透過(guò)光束的波前相位，本實(shí)用新型中將帶有相位拓樸數(shù)的環(huán)形相位波前分布函數(shù)導(dǎo)入可編程相位型空間光調(diào)制器的圖形用戶(hù)界面軟件，即可實(shí)現(xiàn)光束的帶有相位拓樸數(shù)的環(huán)形相位波前分布，本實(shí)施例中采用的具體帶有相位拓樸數(shù)的環(huán)形相位波前調(diào)節(jié)器為H0L0EYE公司型號(hào)為L(zhǎng)C-R 2500空間光調(diào)制器。 本實(shí)用新型的關(guān)鍵是，用帶有相位拓樸數(shù)的環(huán)形相位波前調(diào)節(jié)器調(diào)節(jié)激光束的波前相位的手段，實(shí)現(xiàn)形成光鑷的目的。凡是采用本實(shí)用新型的相似結(jié)構(gòu)、方法及其相似變化，均應(yīng)列入本實(shí)用新型的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求1.一種基于波前相位調(diào)制的光鑷裝置，其裝置由光源發(fā)射部件、光束直徑調(diào)節(jié)器、相位波前調(diào)節(jié)器、光學(xué)聚焦部件組成；光源發(fā)射部件出射光束方向上依次置有光束直徑調(diào)節(jié)器、 相位波前調(diào)節(jié)器和光學(xué)聚焦部件，其特征在于所述的相位波前調(diào)節(jié)器是帶有相位拓樸數(shù)的環(huán)形相位波前調(diào)節(jié)器。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于波前相位調(diào)制的光鑷裝置，其特征在于所述的帶有相位拓樸數(shù)的環(huán)形相位波前調(diào)節(jié)器是區(qū)域半徑大小可變的部件。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于波前相位調(diào)制的光鑷裝置，其特征在于所述的帶有相位拓樸數(shù)的環(huán)形相位波前調(diào)節(jié)器為可編程相位型空間光調(diào)制器、可編程液晶光學(xué)相位控制器件、光機(jī)電集成相位控制器件。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于波前相位調(diào)制的光鑷裝置，其特征在于所述的光束直徑調(diào)節(jié)器為光束擴(kuò)束倍率可調(diào)的光束擴(kuò)束光學(xué)部件。
5.根據(jù)權(quán)利要求5所述的基于波前相位調(diào)制的光鑷裝置，其特征在于所述的光束擴(kuò)束倍率可調(diào)的光束擴(kuò)束光學(xué)部件為伽利略型擴(kuò)束鏡或開(kāi)普敦型擴(kuò)束鏡。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于波前相位調(diào)制的光鑷裝置，其特征在于所述的光源發(fā)射部件為氦氖激光器。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于波前相位調(diào)制的光鑷裝置，其特征在于所述的光學(xué)聚焦部件為尼康平場(chǎng)復(fù)消色差物鏡。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種基于波前相位調(diào)制的光鑷裝置，屬于應(yīng)用光學(xué)技術(shù)領(lǐng)域，主要應(yīng)用于光學(xué)微操縱及光與物質(zhì)相互作用等領(lǐng)域。其裝置由光源發(fā)射部件、光束直徑調(diào)節(jié)器、相位波前調(diào)節(jié)器、光學(xué)聚焦部件組成；光源發(fā)射部件出射光束方向上依次置有光束直徑調(diào)節(jié)器、相位波前調(diào)節(jié)器和光學(xué)聚焦部件，所述的相位波前調(diào)節(jié)器是帶有相位拓樸數(shù)的環(huán)形相位波前調(diào)節(jié)器。本實(shí)用新型具有實(shí)現(xiàn)調(diào)控光鑷、調(diào)控便捷、光能量利用率高、系統(tǒng)簡(jiǎn)潔等優(yōu)點(diǎn)。
文檔編號(hào)G02B27/09GK202018537SQ20112011986
公開(kāi)日2011年10月26日 申請(qǐng)日期2011年4月20日 優(yōu)先權(quán)日2011年4月20日
發(fā)明者李勁松, 郭玲 申請(qǐng)人:中國(guó)計(jì)量學(xué)院