本发明专利技术公开了一种利用正弦相位调制实现多位置光阱的装置。激光器发出激光束经扩束后反射到液晶型空间光调制器上，通过图形控制器的正弦相位调制加载到液晶型空间光调制器，液晶型空间光调制器对光束进行正弦相位调制处理得到调制后的正弦高斯光束并出射分为两路，一路依次经过反射镜输入第一高聚焦物镜入射到样品台；另一路经反射后输入第二高聚焦物镜聚焦后入射样品台，样品台上置有多个微粒，样品台附近设有探测器，探测器与计算机相连。本发明专利技术能够实现多位置的高精度、无损伤的光学捕获和远场操纵，能同时对多个位置的微粒进行捕获和控制，解决了传统光镊无法独立捕获多微粒的难题。
【技术实现步骤摘要】
一种利用正弦相位调制实现多位置光阱的方法和装置
本专利技术涉及了一种多位置光阱捕获的装置，尤其是涉及了一种利用正弦相位调制实现多位置光阱的装置和方法，可用于捕获多微粒的光学微粒操控和细胞生物医学等领域，属于光镊
技术介绍
1873年麦克斯韦根据电磁波理论论证了光压的存在，光作为电磁波，不但具有能量，而且还具有动量，并推导了光压力的计算公式。1986年A.Ashkin等人发现单独一束强聚焦的激光束足以形成三维稳定的光学势阱，可以吸引微粒并把它局限在焦点附近。光镊是研究光对微纳米微粒的光悬浮、光捕获和光操纵等。当物体的大小在几十纳米到几十微米尺度范围内，微粒在激光光场中由于光压产生的推力会沿光传播方向运动，利用这个原理，使两束光相向传播来夹持微粒，微粒可以悬浮在空间特定的位置，实现对微粒的光悬浮。光捕获是在形成光镊光场为中心的一定区域内，物体一旦落入这个区域就有自动移向光场中心的趋势，由于各种外界作用或微粒自身布朗运动等原因，当微粒略偏离光场中心也会很快恢复到原位，这就是梯度力势阱。当物体的动能不足以克服势垒时，它将继续停留在势阱内。光镊的光操纵是使目标物体与所在环境实现相对运动，将捕获的样品移到样品室的新的位置。对传统的操控微纳米微粒的显微微针或原子力显微镜相比，光镊对微粒操控是非接触的遥控方式，不会给对象造成机械损伤。而且光镊不仅可以操控微粒，还可以进行微小力的测量，微粒偏离捕获中心的距离和其受到回复力成正比，类似于弹簧，在操控过程中光镊可作为极其灵敏的力传感器，可以对生物大分子和细胞之间的相互作用力进行定量测量。在现代光学技术应用中，对光的波前相位控制在光信息处理系统中起到至关重要的作用，它不但应用于光束偏转，光束整形，动态全息，光镊技术中，而且在自适应光学的波前校正技术中承担重要角色。用于波前校正的空间光调制器(spatiallightmodulator,SLM)不断被研制，SLM是一种能够将信号源所含的信息写入光波之中的器件，即可以通过控制信号源实现对光波的相位、振幅、频率、偏振态等一维或二维进行空间的、时间的变换。根据读出光的方式可以分为透射式空间光调制器和反射式空间光调制器。空间调制光镊是通过特定的光学元件改变入射的光场，形成空间连续变化的光场光镊。空间光调制器的作用是把物平面上的复振幅分布或光强分布转变为像平面的复振幅分布或光强分布。一个复杂的光学图片的光学信息由其复振幅透射系数表示，它可以分解为具有连续空间频率的基元周期结构的线性叠加。当图形处理器把正弦相位调制加载到空间光调制器上，高斯光垂直照明空间调制器上光学图片时，这些复振幅分布的基元周期结构类似于具有不同光栅常数的衍射光栅，由于衍射作用而将入射光波分解为一系列平面波。因此每个平面波作为光学图形基本信息的载体而使整个图形信息得到传播。利用多位置光阱可以对多个微粒进行同时捕获与操纵。多光阱的产生方法包括多光束干涉法、时分复用法和空间调制光镊。多光束干涉法只能产生对称的结构，而去只能实现二维捕获，其轴向散射力需要利用其它因素来克服。时分复用法也可以产生多光阱，不过这种多光阱是时间上的综合效应。利用声光调制器或扫描振镜可以非常快速的在一个很短的时间内改变激光的位置，使得不同位置的粒子能够经历时间平均意义的光学势阱。但是基于这两种扫描器件的系统都不能产生三维光阱阵列。空间调制光镊可以对光束的振幅或者相位进行调制，可以实现对多个微粒的三维空间的动态捕获、光学输运、光致拉伸等操纵方式，极大的扩展了光学微操纵的功能性和应用领域。现有的空间调制光镊没有确定的同一平面有多个独立的光强分布中心的公式，造成实际使用上的困难。
技术实现思路
本专利技术所要解决的问题是克服现有技术存在的不足，针对现有光镊主要捕获区域只有一个的情况，提供一种原理简单，易于实现，具有实际应用价值的多位置光阱产生装置和方式，并依据该方法的专利技术原理，提供一种结构简单的具有指导意义的新型光镊系统。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案如下：本专利技术包括激光器、扩束镜组、第一反射镜、液晶型空间光调制器、图形控制器、第二反射镜、第三反射镜、第四反射镜、第一高聚焦物镜、第二高聚焦物镜、样品台和计算机；激光器发出激光束，激光束经扩束镜组扩束后再经第一反射镜反射到液晶型空间光调制器上，通过图形控制器的正弦相位调制加载到液晶型空间光调制器，液晶型空间光调制器对光束进行正弦相位调制处理得到调制后的正弦高斯光束并出射分为两路，一路依次经过第二反射镜和第三反射镜反射后输入到第一高聚焦物镜，经第一高聚焦物镜后入射到样品台上；另一路经第四反射镜反射后输入到第二高聚焦物镜上，经第二高聚焦物镜聚焦后入射到样品台上，第一高聚焦物镜和第二高聚焦物镜的焦点重合且位于样品台上，样品台上置有多个微粒，样品台附近设有探测器，探测器与计算机相连。所述的液晶型空间光调制器为液晶型透射式空间光调制器或者液晶型反射式空间光调制器。由图形控制器将预设的相位信息图加载到液晶型空间光调制器上，实现对经过光束的正弦相位调制，以第一反射镜反射出射的光束为入射高斯光束，入射高斯光束通过液晶型空间光调制器正弦相位调制后变成具有四个光强分布中心的一束光束，作为正弦调制高斯光束，每个光强分布中心及其附近作为一个光阱，从而四个光强分布中心分别对应形成四个独立的光阱；以液晶型空间光调制器所在的光轴方向为z轴方向，建立三维笛卡尔坐标系，x轴和y轴相互垂直且垂直于z轴，预设的相位信息图是按照以下公式计算获得正弦相位调制的透射系数T对液晶型空间光调制器的像元平面设置形成：其中，g为正弦调制系数，i表示虚数，x、y表示液晶型空间光调制器中的单个像元在x轴和y轴上的坐标位置，e表示自然常数，w0为入射高斯光束的束腰半径。通过对液晶型空间光调制器的正弦调制系数g的调整，改变光强分布中心到光轴的距离R，具体的改变方法公式为：本专利技术中，所述的光学图片的光学信息是正弦相位调制的透射系数T。且对于透射式空间光调制器和反射式空间光调制器，它们的透射系数T相同。所述激光器为波长1064纳米的功率可调的半导体泵浦固体激光器。所述的液晶型空间光调制器为液晶型透射式空间光调制器或液晶型反射式空间光调制器，液晶材料采用扭曲向列型TN，可对光束的相位、偏振态、振幅或强度进行一维或二维分布的实时空间调制。所述的从液晶型空间光调制器出射的激光分为两路，分别经过第一高聚焦物镜和第二高聚焦物镜后从两侧对称地相正对地照射到样品台上，样品台上具有微粒，对样品台上对微粒进行光捕获。所述的第一高聚焦物镜和第二高聚焦物镜的数值孔径不小于0.85。所述的微粒处于水环境中。在本专利技术中，空间光调制器主要根据设计参数，实现了对入射高斯光束波前相位的空间调制。本专利技术的一种利用正弦相位调制实现多位置光阱的装置的优点：1.本专利技术的激光处理对微粒进行捕获，实现高精度，无接触，无损害操纵。2.本专利技术提出的正弦调制高斯光束的正弦调制系数可根据需求更改大小，产生到光场中心距离可变本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种利用正弦相位调制实现多位置光阱的装置，其特征在于：包括激光器(1)、扩束镜组(2)、第一反射镜(3)、液晶型空间光调制器(4)、图形控制器(5)、第二反射镜(6)、第三反射镜(7)、第四反射镜(8)、第一高聚焦物镜(9)、第二高聚焦物镜(10)、样品台(11)和计算机(12)；激光器(1)发出激光束，激光束经扩束镜组(2)扩束后再经第一反射镜(3)反射到液晶型空间光调制器(4)上，通过图形控制器(5)的正弦相位调制加载到液晶型空间光调制器(4)，液晶型空间光调制器(4)对光束进行正弦相位调制处理得到调制后的正弦高斯光束并出射分为两路，一路依次经过第二反射镜(6)和第三反射镜(7)反射后输入到第一高聚焦物镜(9)，经第一高聚焦物镜(9)后入射到样品台(11)上；另一路经第四反射镜(8)反射后输入到第二高聚焦物镜(10)上，经第二高聚焦物镜(10)聚焦后入射到样品台(11)上，第一高聚焦物镜(9)和第二高聚焦物镜(10)的焦点重合且位于样品台(11)上，样品台(11)上置有多个微粒，样品台(11)附近设有探测器，探测器与计算机(12)相连。/n
【技术特征摘要】
1.一种利用正弦相位调制实现多位置光阱的装置，其特征在于：包括激光器(1)、扩束镜组(2)、第一反射镜(3)、液晶型空间光调制器(4)、图形控制器(5)、第二反射镜(6)、第三反射镜(7)、第四反射镜(8)、第一高聚焦物镜(9)、第二高聚焦物镜(10)、样品台(11)和计算机(12)；激光器(1)发出激光束，激光束经扩束镜组(2)扩束后再经第一反射镜(3)反射到液晶型空间光调制器(4)上，通过图形控制器(5)的正弦相位调制加载到液晶型空间光调制器(4)，液晶型空间光调制器(4)对光束进行正弦相位调制处理得到调制后的正弦高斯光束并出射分为两路，一路依次经过第二反射镜(6)和第三反射镜(7)反射后输入到第一高聚焦物镜(9)，经第一高聚焦物镜(9)后入射到样品台(11)上；另一路经第四反射镜(8)反射后输入到第二高聚焦物镜(10)上，经第二高聚焦物镜(10)聚焦后入射到样品台(11)上，第一高聚焦物镜(9)和第二高聚焦物镜(10)的焦点重合且位于样品台(11)上，样品台(11)上置有多个微粒，样品台(11)附近设有探测器，探测器与计算机(12)相连。
2.根据权利要求1所述的一种利用正弦相位调制实现多位置光阱的装置，其特征在于：所述的液晶型空间光调制器(4)为液晶型透射式空间光调制器或者液晶型反射式空间光调制器。
3.根据权利要求1所述的一种利用正弦相位调制实现多位置光阱的装置，其特征在于：由图形控制器(5)将预设的相位信息图加载到液晶型空间光调制器(4)上，实现对经过光束的正弦相位调制，以第一反射镜(3)反射出射的光束为入射高斯光束，入射高斯光束通过液晶型空间光调制器(4)正弦相位调制后变成具有四个光强分布中心的一束光束，作为正弦调制高斯光束，...
【专利技术属性】
技术研发人员：陈杏藩，苏晶晶，李楠，胡慧珠，
申请(专利权)人：浙江大学，之江实验室，
类型：发明
国别省市：浙江;33
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