一种基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置和方法，其中该涡旋光摄装置包括激光扩束系统、螺旋相位板、显微物镜和样品池，所述激光扩束系统发出的激光经所述螺旋相位板进入所述显微物镜内，并聚焦在所述样品池中。本发明专利技术提供的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置和方法通过激光扩束系统发出的激光通过螺旋相位板上的用于调制的方格区域对激光进行调制，形成具有预定拓扑荷的拉盖尔‑高斯光(涡旋光)，涡旋光进入显微物镜并聚焦在样品池内，形成梯度力光阱，实现三维捕获，本发明专利技术克服了高数值孔径条件下光镊装置可观察视场窄、球差大的缺点，并具有局部热效应较低和轴向捕获距离较长等优势，在生物物理学领域有极大的应用价值。

A scroll light device and method based on low numerical aperture condition

The invention discloses an optical camera apparatus and method for vortex low numerical aperture under the condition in which the optical vortex intake device comprises a laser beam expander, a spiral phase plate, micro lens and the sample pool, a laser the laser beam through the spiral phase plate into the micro lens. And focus on the sample pool. The invention provides a vortex low numerical aperture under the condition of light camera device and method through a laser beam laser through a spiral phase plate used on the grid area modulation modulation of the laser, formed with Raguel Gauss light of a predetermined topological charge (optical vortex), optical vortex into micro lens and focus on the sample pool, the formation of gradient force optical trap, 3D capture, the invention overcomes the high numerical aperture of the optical tweezers device can be observed under the condition of narrow field, spherical aberration and has the disadvantages of large local heating effect and low axial trapping long distance and other advantages, has great application value in the field of biophysics.

【技术实现步骤摘要】
一种基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置和方法
本专利技术涉及一种涡旋光镊装置，特别是一种基于低数值孔径条件的涡旋光镊装置和方法。
技术介绍
光镊是光的力学效应的一种应用，激光通过物镜紧聚焦形成梯度力光阱，对细微颗粒进行捕获和操控。自1986年Ashkin等人专利技术以来，光镊技术得到了广泛的研究，发展了特殊光束光镊、全息光镊、光纤光镊等技术。光镊由于其非接触、低损伤等特点，在生命科学领域具有巨大的应用前景。传统的单模高斯光束光镊是利用高数值孔径(通常NA>1)的物镜，紧聚焦后产生足够强的梯度力可以克服轴向散射力，从而实现三维方向上的稳定捕获。但高数值孔径物镜的使用带来了许多不利因素，例如可观察视场较小、球差较大、捕获区域局部热效应较高，并且工作距离极短，约为200μm。这些严重制约了光镊技术的应用。然而，使用低数值孔径物镜的高斯光镊则无法提供足够大的轴向梯度力，容易造成轴向捕获不稳定。目前基于低数值条件下的三维捕获主要有以下技术：引入液体表面张力来平衡散射力；采用双向传播的高斯光束光镊使得轴向散射力相互抵消；将作为捕获光的高斯光束替换为贝塞尔光束或者空心光束，等等。这些技术意义重大，但也存在捕获纵向深度较小、装置较为复杂等一些缺点。
技术实现思路
本专利技术旨在克服以上技术的不足，提供一种基于低数值孔径条件下的光镊装置和方法，旨在解决现有光摄在低数值孔径物镜下局部热效过高的缺陷。为此，本专利技术提供了一种基于低数值孔径条件的涡旋光摄装置，包括激光扩束系统、螺旋相位板、显微物镜和样品池、反射镜，所述激光扩束系统发出的激光经所述螺旋相位板进入所述显微物镜内，并聚焦在所述样品池中；所述螺旋相位板具有若干个方格区域，所述方格区域分别对应于涡旋光的拓扑荷；所述二向色镜反射的激光通过所述反射镜的反射进入所述显微物镜。本专利技术所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，所述螺旋相位板具有1～8个所述方格区域。本专利技术所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，还包括一光源和成像机构，所述光源发出的光线射入所述样品池中，并依次经所述显微物镜和二向色镜投射至所述成像机构。本专利技术所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，还包括一聚光透镜，所述光源发出的光线经所述聚光透镜汇聚于所述样品池中。本专利技术所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，所述成像机构包括一图像传感器，所述光源发出的光线依次经所述聚光透镜、样品池、显微物镜和二向色镜投射至所述图像传感器。本专利技术所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，所述成像机构还包括一长通滤波片，所述光源发出光线经所述二向色镜后，通过所述长通滤波片进入所述图像传感器。本专利技术所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，所述激光扩束系统包括激光器和若干凸透镜，所述激光器发出的激光依次通过所述凸透镜射向所述螺旋相位板。本专利技术所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，所述光源发出的光线为红光，所述激光器发出的光线为绿光，所述二向色镜对所述绿光反射，对所述红光透射。本专利技术所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，还包括一平移台，所述样品池设于所述平移台上，所述平移台能带动所述样品池沿三个相互垂直的方向移动。一种基于低数值孔径条件下的涡旋光摄方法，包括以下步骤：激光扩束系统发出的激光经过一螺旋相位板，通过所述螺旋相位板上的方格区域调制成涡旋光束；所述涡旋光束经一二向色镜反射后，通过一显微物镜聚焦在样品池内形成光学势阱。本专利技术所述的一种基于低数值孔径条件下的涡旋光摄方法，还包括：调节所述螺旋相位板与所述激光扩束系统发出的激光之间的轴向距离，以改变所述样品池内的颗粒的转动速度。本专利技术的有益效果是：本专利技术提供的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置和方法通过激光扩束系统发出的激光通过螺旋相位板上的用于调制的方格区域对激光进行调制，形成具有预定拓扑荷的拉盖尔-高斯光(涡旋光)，涡旋光进入显微物镜并聚焦在样品池内，形成梯度力光阱。在水平方向上由于梯度力的存在，微米颗粒被横向捕获；在竖直方向上，颗粒受到的散射力、梯度力、浮力和重力平衡，从而实现三维捕获，本专利技术克服了高数值孔径条件下光镊装置可观察视场窄、球差大的缺点，并具有局部热效应较低和轴向捕获距离较长等优势，在生物物理学领域有极大的应用价值。附图说明下面结合附图对本专利技术的具体实施方式作进一步详细的说明，其中：图1是本专利技术实施例提供的基于低数值孔径条件的涡旋光镊装置结构示意图。图2是本专利技术实施例提供的基于低数值孔径条件的涡旋光镊装置的平面波与涡旋光束的干涉示意图。图3是本专利技术实施例提供的基于低数值孔径条件的涡旋光镊装置的球面波与涡旋光束的干涉示意图。图4是本专利技术实施例提供的基于低数值孔径条件的涡旋光镊装置的稳定三维捕获示意图。图5是本专利技术实施例提供的基于低数值孔径条件的涡旋光镊装置的非对称涡旋光束实现样品旋转操控的示意图。图6本专利技术实施例提供的基于低数值孔径条件的涡旋光镊方法的流程图。图中：1：激光器；2：可调衰减器；3：第一凸透镜；4：第二凸透镜；5：螺旋相位板；6：二向色镜；7：反射镜；8：显微物镜；9：样品池；10：聚光透镜；11：光源；12：长通滤波片；13：图像传感器。具体实施方式了能够更清楚地理解本专利技术的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，所描述的实施方式仅仅是本专利技术一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本专利技术中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本专利技术保护的范围。除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本专利技术的
的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本专利技术的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本专利技术。在本专利技术的各实施例中，为了便于描述而非限制本专利技术，本专利技术专利申请说明书以及权利要求书中使用的术语"连接"并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。"上"、"下"、"下"、"左"、"右"等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。在本申请中，拉盖尔-高斯光束携带轨道角动量，并具有特殊的光学涡旋结构，在轴上由于相位干涉形成光强为零的奇点，对比高斯光束，可以有效减少轴向散射力。它可以用伴轴亥姆赫兹方程的本征模式表述：其中为拉盖尔多项式，参数p表示径向指数，l表示拓扑荷，w表示光腰半径。本专利技术实施例中采用的是p＝0但l不同的单环状拉盖尔高斯光束，通过扩束来匹配螺旋相位板5以及显微物镜8入射孔径大小。捕获样品颗粒所需要的最小光力表示如下：其中ρs是样品颗粒自身的密度，ρm是周围液体的密度，d是颗粒直径，g是重力加速度，T是周围液体温度。公式右边代表克服布朗运动所需要的光力。要得到稳定的三维捕获，紧聚焦拉盖尔-高斯光束必须产生足够大的梯度力来克服横向的布朗运动，以及轴向的布朗运动和散射力。图1是本专利技术实施例提供的基于低数值孔径条件的涡旋光镊装置结构示意图。如图1所示，该基于低数值孔径条件的涡旋光摄装置包括激光扩束系统、螺旋相位板5本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于低数值孔径条件的涡旋光摄装置，其特征在于，包括激光扩束系统、螺旋相位板、显微物镜和样品池、反射镜，所述激光扩束系统发出的激光经所述螺旋相位板进入所述显微物镜内，并聚焦在所述样品池中；所述螺旋相位板具有若干个方格区域，所述方格区域分别对应于涡旋光的拓扑荷；所述二向色镜反射的激光通过所述反射镜的反射进入所述显微物镜。

【技术特征摘要】
1.一种基于低数值孔径条件的涡旋光摄装置，其特征在于，包括激光扩束系统、螺旋相位板、显微物镜和样品池、反射镜，所述激光扩束系统发出的激光经所述螺旋相位板进入所述显微物镜内，并聚焦在所述样品池中；所述螺旋相位板具有若干个方格区域，所述方格区域分别对应于涡旋光的拓扑荷；所述二向色镜反射的激光通过所述反射镜的反射进入所述显微物镜。2.如权利要求1所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，其特征在于：所述螺旋相位板具有1～8个所述方格区域。3.如权利要求2所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，其特征在于：还包括一光源和成像机构，所述光源发出的光线射入所述样品池中，并依次经所述显微物镜和二向色镜投射至所述成像机构。4.如权利要求3所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，其特征在于：还包括一聚光透镜，所述光源发出的光线经所述聚光透镜汇聚于所述样品池中。5.如权利要求4所述的基于低数值孔径条件下的涡旋光摄装置，其特征在于：所述成像机构包括一图像传感器，所述光源发出的光线依次经所述聚光透镜、样品池、显微物镜和二向色镜投射至所述图像传感器。6.如权利要求5所述的基于低数值孔...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈欣彤，彭鹏程，程伟柱，谢明远，赵福利，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44