一種基于柱矢量光束的飛秒激光光鑷操控裝置制造方法
【專利摘要】一種基于柱矢量光束的飛秒激光光鑷操控裝置，涉及光學(xué)操控粒子和細(xì)胞的光鑷技術(shù)。本發(fā)明為了解決傳統(tǒng)的光鑷技術(shù)是通過(guò)提高入射激光功率來(lái)提高光鑷的捕獲力，捕獲力提高的同時(shí)會(huì)對(duì)被操控對(duì)象造成無(wú)法挽回的熱損傷的問(wèn)題。飛秒脈沖激光器發(fā)射的線偏振光經(jīng)光闌入射至衰減片，衰減片對(duì)線偏振光進(jìn)行光強(qiáng)衰減后將線偏振光入射至第一800nm全反射鏡，第一800nm全反射鏡將線偏振光全反射至偏振轉(zhuǎn)換器，偏振轉(zhuǎn)換器將線偏振光轉(zhuǎn)換為柱矢量光并輸出至快門(mén)，柱矢量光經(jīng)快門(mén)入射至第二800nm全反射鏡，第二800nm全反射鏡將反射柱矢量光全反射至顯微鏡的物鏡，反射柱矢量光經(jīng)顯微鏡的物鏡入射至載物臺(tái)上的樣品池。本發(fā)明適用于生命科學(xué)領(lǐng)域研究。
【專利說(shuō)明】一種基于柱矢量光束的飛秒激光光鑷操控裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)操控粒子和細(xì)胞的光鑷技術(shù)。
【背景技術(shù)】
[0002]自光鑷技術(shù)出現(xiàn)后，光鑷由于具有非接觸、無(wú)損傷操縱微納尺度粒子的特性，因此被廣泛地應(yīng)用于生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、物理、材料和納米科學(xué)，被認(rèn)為是最理想的單分子、單細(xì)胞、微粒、微納器件操作技術(shù)。
[0003]光鑷技術(shù)多采用連續(xù)激光和長(zhǎng)脈沖激光，與連續(xù)激光和長(zhǎng)脈沖激光相比，飛秒激光脈沖具有極短的脈沖寬度、極高的峰值功率和時(shí)間和空間分辨率，并可以高精度地控制作用能量。
[0004]目前以高重復(fù)率飛秒激光為光源可以對(duì)血紅細(xì)胞、白細(xì)胞、病毒、聚苯乙烯微球等實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定捕獲。且目前光鑷技術(shù)的操控對(duì)象廣泛，從透明的電介質(zhì)小球、細(xì)胞、到不透明的材料如金屬微粒均可以實(shí)現(xiàn)直接操控。高斯光束是傳統(tǒng)的光鑷光源，高斯光束聚焦后形成的光阱的最佳工作區(qū)域在光束焦點(diǎn)附近，近年來(lái)許多學(xué)者在不斷的探索使用各種各樣的激光光源、設(shè)計(jì)不同的光路以實(shí)現(xiàn)對(duì)多種微粒和細(xì)胞的光學(xué)操控，但是多數(shù)技術(shù)都局限于對(duì)微粒的捕獲和定向移動(dòng)，限制了應(yīng)用范圍。同時(shí)，傳統(tǒng)的光鑷技術(shù)是通過(guò)提高入射激光功率來(lái)提高光鑷的捕獲力，捕獲力提高的同時(shí)會(huì)對(duì)被操控對(duì)象造成無(wú)法挽回的熱損傷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明為了解決傳統(tǒng)的光鑷技術(shù)是通過(guò)提高入射激光功率來(lái)提高光鑷的捕獲力，捕獲力提高的同時(shí)會(huì)對(duì)被操控對(duì)象造成無(wú)法挽回的熱損傷的問(wèn)題，現(xiàn)提出一種基于柱矢量光束的飛秒激光光鑷操控裝置。
[0006]一種基于柱矢量光束的飛秒激光光鑷操控裝置，它包括飛秒脈沖激光器、光闌、衰減片、第一 800nm全反射鏡、偏振轉(zhuǎn)換器、快門(mén)、第二 800nm全反射鏡、顯微鏡、載物臺(tái)和樣品池；
[0007]飛秒脈沖激光器發(fā)射的線偏振光經(jīng)光闌入射至衰減片，衰減片對(duì)線偏振光進(jìn)行光強(qiáng)衰減后將線偏振光入射至第一 SOOnm全反射鏡，第一 SOOnm全反射鏡將線偏振光全反射至偏振轉(zhuǎn)換器，偏振轉(zhuǎn)換器將線偏振光轉(zhuǎn)換為柱矢量光并輸出至快門(mén)，柱矢量光經(jīng)快門(mén)入射至第二 SOOnm全反射鏡，第二 SOOnm全反射鏡將反射柱矢量光全反射至顯微鏡的物鏡，反射柱矢量光經(jīng)顯微鏡的物鏡入射至載物臺(tái)上的樣品池。
[0008]所述飛秒脈沖激光器為摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光器，輸出脈沖重復(fù)頻率為76兆赫茲，脈沖寬度為120飛秒。
[0009]所述載物臺(tái)為三維微位移平臺(tái)。
[0010]一種基于柱矢量光束的飛秒激光光鑷操控裝置還包括CXD探測(cè)器，所述CXD探測(cè)器用于將第二 SOOnm全反射鏡和顯微鏡之間的光束的光學(xué)影像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并顯示。
[0011]一種基于柱矢量光束的飛秒激光光鑷操控裝置還包括上位機(jī)，所述上位機(jī)包括:[0012]用于接收CCD探測(cè)器發(fā)送的光路探測(cè)信號(hào)的探測(cè)信號(hào)接收模塊；
[0013]用于將光路探測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信息和波形圖的信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊；
[0014]用于對(duì)數(shù)據(jù)信息和波形圖進(jìn)行顯示的顯示模塊。
[0015]所述上位機(jī)還包括用于控制載物臺(tái)進(jìn)行三維移動(dòng)的載物臺(tái)控制模塊。
[0016]它還包括照明電路，所述照明電路包括電源、開(kāi)關(guān)和照明燈，電源、開(kāi)關(guān)和照明燈依次連接構(gòu)成回路，照明燈位于載物臺(tái)的正下方。
[0017]本發(fā)明所述的裝置產(chǎn)生柱矢量光束作為捕獲光，柱矢量光束具有獨(dú)特的偏振模式和光強(qiáng)分布，捕獲光具有較強(qiáng)的軸向捕獲能力，柱矢量光束的使用可以在較小的入射激光功率調(diào)節(jié)下能夠達(dá)到與高斯光束同樣的軸向捕獲力，選擇柱矢量光束作為捕獲光，小于高斯光束的入射激光功率可以達(dá)到與高斯光束同樣的軸向捕獲力，能夠更好的避免對(duì)被操控對(duì)象造成的熱損傷。柱矢量光束光場(chǎng)分布不均勻通常攜帶軌道角動(dòng)量，與普通高斯型激光光鑷技術(shù)相比，攜帶軌道角動(dòng)量的光束能夠穩(wěn)定捕獲并旋轉(zhuǎn)操控氧化銅、三氧化二鐵等吸收性微粒，為微機(jī)械馬達(dá)等微納器件操作的集成提供可能。方位角偏振光束的聚焦環(huán)形中空特點(diǎn)易于實(shí)現(xiàn)高精度、非接觸、無(wú)損傷操控，因而特別適合于生命科學(xué)領(lǐng)域研究。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018]圖1為一種基于柱矢量光束的飛秒激光光鑷操控裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0019]【具體實(shí)施方式】一、結(jié)合圖1說(shuō)明本【具體實(shí)施方式】，本【具體實(shí)施方式】所述的一種基于柱矢量光束的飛秒激光光鑷操控裝置，它包括飛秒脈沖激光器1、光闌2、衰減片3、第一800nm全反射鏡4、偏振轉(zhuǎn)換器5、快門(mén)6、第二 800nm全反射鏡8、顯微鏡9、載物臺(tái)10和樣品池12 ；
[0020]飛秒脈沖激光器I發(fā)射的線偏振光經(jīng)光闌2入射至衰減片3，衰減片3對(duì)線偏振光進(jìn)行光強(qiáng)衰減后將線偏振光入射至第一 SOOnm全反射鏡4，第一 SOOnm全反射鏡4將線偏振光全反射至偏振轉(zhuǎn)換器5,偏振轉(zhuǎn)換器5將線偏振光轉(zhuǎn)換為柱矢量光并輸出至快門(mén)6,柱矢量光經(jīng)快門(mén)6入射至第二 800nm全反射鏡8，第二 800nm全反射鏡8將反射柱矢量光全反射至顯微鏡9的物鏡，反射柱矢量光經(jīng)顯微鏡9的物鏡入射至載物臺(tái)10上的樣品池12。
[0021]本實(shí)施方式中，采用飛秒激光器I的線偏振光經(jīng)光闌2、衰減片3和第一 SOOnm全反射鏡4進(jìn)行調(diào)整后輸出至偏振轉(zhuǎn)換器5，偏振轉(zhuǎn)換器5將線偏振光轉(zhuǎn)換為柱矢量光束，柱矢量光束為徑向偏振光或方位角偏振光束，柱矢量光束通過(guò)快門(mén)6和第二 800nm全反射鏡8調(diào)整后進(jìn)入顯微鏡9中，調(diào)整各部件的位置，使柱矢量光束光軸與顯微鏡9成像光路的光軸完全重合，將光束稱合進(jìn)入顯微鏡中。
[0022]在顯微鏡中，光束與顯微鏡9的成像光路逆向傳播，經(jīng)高倍的顯微鏡的物鏡聚焦，會(huì)聚成半徑小于I微米的光斑，形成光學(xué)勢(shì)阱，將載物臺(tái)10上的樣品池12中的目標(biāo)微粒移入光學(xué)勢(shì)阱內(nèi)，實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)顆粒的穩(wěn)定捕獲和旋轉(zhuǎn)操縱。
[0023]本發(fā)明使用飛秒激光作為光鑷裝置的光源，由于飛秒激光具有高時(shí)間及空間分辨特性，為提高光鑷的捕獲力提供了保障。飛秒激光技術(shù)結(jié)合時(shí)間分辨光譜技術(shù)，還可進(jìn)行對(duì)生物體超快生物過(guò)程研究、雙光子熒光動(dòng)力學(xué)等研究。飛秒激光的高時(shí)間及空間分辨特性還可以實(shí)現(xiàn)對(duì)細(xì)胞無(wú)創(chuàng)局部改性操作。
[0024]【具體實(shí)施方式】二、本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】一所述的一種基于柱矢量光束的飛秒激光光鑷操控裝置的進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，所述飛秒脈沖激光器I為摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光器，輸出脈沖重復(fù)頻率為76兆赫茲，脈沖寬度為120飛秒。
[0025]【具體實(shí)施方式】三、本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】一所述的一種基于柱矢量光束的飛秒激光光鑷操控裝置的進(jìn)一步說(shuō)明，所述載物臺(tái)10為三維微位移平臺(tái)。
[0026]本實(shí)施方式所述的載物臺(tái)10的三維線性激勵(lì)源的控制精度為50nm。
[0027]【具體實(shí)施方式】四、本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】一所述的一種基于柱矢量光束的飛秒激光光鑷操控裝置的進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，它還包括CCD探測(cè)器7，所述CCD探測(cè)器用于將第二 SOOnm全反射鏡8和顯微鏡9之間的光束的光學(xué)影像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并顯
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[0028]本實(shí)施方式中增加了 CCD探測(cè)器7，起到圖像傳感器的功能，將光學(xué)影像轉(zhuǎn)化為數(shù)
字信號(hào)并顯示。
[0029]【具體實(shí)施方式】五、本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】四所述的一種基于柱矢量光束的飛秒激光光鑷操控裝置的進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，它還包括上位機(jī)13，所述上位機(jī)13包括:
[0030]用于接收CXD探測(cè)器7發(fā)送的光路探測(cè)信號(hào)的探測(cè)信號(hào)接收模塊；
[0031]用于將光路探測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信息和波形圖的信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊；
[0032]用于對(duì)數(shù)據(jù)信息和波形圖進(jìn)行顯示的顯示模塊。
[0033]本實(shí)施方式中，通過(guò)上位機(jī)13能夠?qū)XD探測(cè)器7所探測(cè)的信號(hào)實(shí)時(shí)并完整的顯示出來(lái)，使技術(shù)人員能夠清晰地了解光路情況。
[0034]【具體實(shí)施方式】六、本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】五所述的一種基于柱矢量光束的飛秒激光光鑷操控裝置的進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，所述上位機(jī)13還包括用于控制載物臺(tái)10進(jìn)行三維移動(dòng)的載物臺(tái)控制模塊。
[0035]本實(shí)施方式中，通過(guò)上位機(jī)13控制載物臺(tái)10進(jìn)行三維移動(dòng)，使技術(shù)人員在對(duì)光路情況進(jìn)行觀察的同時(shí)通過(guò)上位機(jī)13調(diào)整載物臺(tái)10的位置，能夠更加準(zhǔn)確的進(jìn)行觀察。
[0036]【具體實(shí)施方式】七、本實(shí)施方式是對(duì)【具體實(shí)施方式】六所述的一種基于柱矢量光束的飛秒激光光鑷操控裝置的進(jìn)一步說(shuō)明，本實(shí)施方式中，它還包括照明電路，所述照明電路包括電源14、開(kāi)關(guān)15和照明燈11，電源14、開(kāi)關(guān)15和照明燈11依次連接構(gòu)成回路，照明燈11位于載物臺(tái)10的正下方。
[0037]本實(shí)施方式中增加了照明電路，技術(shù)人員在通過(guò)目鏡對(duì)載物臺(tái)10上的目標(biāo)微粒進(jìn)行觀察時(shí)，使載物臺(tái)10上的光線更加明亮，使觀察的結(jié)果更加可靠、準(zhǔn)確。
【權(quán)利要求】
1.一種基于柱矢量光束的飛秒激光光鑷操控裝置，其特征在于，它包括飛秒脈沖激光器(I)、光闌(2)、衰減片(3)、第一 SOOnm全反射鏡(4)、偏振轉(zhuǎn)換器(5)、快門(mén)(6)、第二800nm全反射鏡(8 )、顯微鏡(9 )、載物臺(tái)(10 )和樣品池(12 ); 飛秒脈沖激光器(I)發(fā)射的線偏振光經(jīng)光闌(2 )入射至衰減片(3 )，衰減片(3 )對(duì)線偏振光進(jìn)行光強(qiáng)衰減后將線偏振光入射至第一 800nm全反射鏡(4),第一 800nm全反射鏡(4)將線偏振光全反射至偏振轉(zhuǎn)換器(5),偏振轉(zhuǎn)換器(5)將線偏振光轉(zhuǎn)換為柱矢量光并輸出至快門(mén)(6 )，柱矢量光經(jīng)快門(mén)(6 )入射至第二 800nm全反射鏡(8 )，第二 800nm全反射鏡(8 )將反射柱矢量光全反射至顯微鏡(9)的物鏡，反射柱矢量光經(jīng)顯微鏡(9)的物鏡入射至載物臺(tái)(10)上的樣品池(12)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于柱矢量光束的飛秒激光光鑷操控裝置，其特征在于，所述飛秒脈沖激光器(I)為摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光器，輸出脈沖重復(fù)頻率為76兆赫茲，脈沖寬度為120飛秒。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于柱矢量光束的飛秒激光光鑷操控裝置，其特征在于，所述載物臺(tái)(IO)為三維微位移平臺(tái)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于柱矢量光束的飛秒激光光鑷操控裝置，其特征在于，它還包括CXD探測(cè)器(7 )，所述CXD探測(cè)器用于將第二 SOOnm全反射鏡(8 )和顯微鏡(9 )之間的光束的光學(xué)影像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)并顯示。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于柱矢量光束的飛秒激光光鑷操控裝置，其特征在于，它還包括上位機(jī)(13)，所述上位機(jī)(13)包括: 用于接收CCD探測(cè)器(7)發(fā)送的光路探測(cè)信號(hào)的探測(cè)信號(hào)接收模塊； 用于將光路探測(cè)信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信息和波形圖的信號(hào)轉(zhuǎn)換模塊； 用于對(duì)數(shù)據(jù)信息和波形圖進(jìn)行顯示的顯示模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于柱矢量光束的飛秒激光光鑷操控裝置，其特征在于，所述上位機(jī)(13 )還包括用于控制載物臺(tái)(IO )進(jìn)行三維移動(dòng)的載物臺(tái)控制模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種基于柱矢量光束的飛秒激光光鑷操控裝置，其特征在于，它還包括照明電路，所述照明電路包括電源(14)、開(kāi)關(guān)(15)和照明燈(11)，電源(14)、開(kāi)關(guān)(15)和照明燈(11)依次連接構(gòu)成回路，照明燈(11)位于載物臺(tái)(10)的正下方。
【文檔編號(hào)】G02B21/32GK103913832SQ201410160729
【公開(kāi)日】2014年7月9日 申請(qǐng)日期:2014年4月21日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月21日
【發(fā)明者】冉玲苓, 高揚(yáng), 王積翔, 孔德貴, 吳文智 申請(qǐng)人:黑龍江大學(xué)