本发明专利技术公开了一种同时操纵多个瑞利区低折射率微粒且高捕获效率的装置。激光器出射的光束通过扩束镜组扩束后进入透射式空间光调制器中，经阱位调节镜入射到双色分束镜上发生反射到高聚焦物镜后输出聚焦光，聚焦光入射到样品室中形成光阱并照射到样品室中的样品；样品室内装有众多微粒，照明灯照明穿过样品室照射到高聚焦物镜的焦点处，样品室内样品被聚焦光照射而产生的散射光再返回，成像在CCD探测器靶面。本发明专利技术控制透射式空间光调制器产生多位置光阱的正弦调制的高斯光束，得到新光强分布，在焦点区域范围内把高低折射率的微粒稳定捕获，而且能够同时实现对多微粒独立操控，并且通过选择正弦调制系数g来提高光阱梯度力，从而提高捕获效率。
【技术实现步骤摘要】
同时操纵多个瑞利区低折射率微粒且高捕获效率的装置
本专利技术涉及了属于光学捕获和远场操纵微粒
的一种新型光镊捕获装置，提出可以同时且独立的捕获低折射率的微粒并且能提高捕获效率的装置，可应用于在细胞微生物学和纳米微粒组装领域，属于光镊应用领域。
技术介绍
建立光镊装置的目的是建立一个能够对微粒进行捕获的高梯度光场，然后通过微粒和光所在环境之间的相对运动来实现对微粒的搬运。科学家们开始对光捕获技术在微纳米尺度的潜在的卓越性能和细胞生物学领域上的广泛应用产生极大的兴趣。光束的捕获特性与其光场有关。通常用的光镊光场是高斯分布的，光束的横截面是实心的，其截面强度为中心向边缘逐渐减弱的高斯分布。高斯光束无法同时对高折射率和低折射率微粒进行捕获，由于只有一个光束聚焦中心，往往只能一次性捕获一到两个微粒。本专利技术提出的新型光镊装置有四个独立高斯分布的光束聚焦中心，能够同时捕获多个高折射率和低折射率的微粒。高斯光束光强具有空间三维对称分布，是一种典型的具有梯度光场的光源。通过透镜聚焦后的激光束，对其焦点附近的微粒产生力的作用。光阱中微粒的力是激光与微粒之间相互作用的结果，当光阱中的微粒为瑞利区纳米微粒，即微粒半径远远小于波长时，根据瑞利近似，纳米微粒近似为一个偶极子，在非均匀电磁场中受到梯度力作用，根据散射截面还受到电磁场对它的散射力作用。散射力沿着光的传播方向，将微粒推开；梯度力沿着光场梯度方向，将微粒推向光场梯度最强的位置。由于微粒很小，其重力和浮力很弱，但是微粒还受到溶液分子对它的碰撞，导致它的布朗运动很剧烈，光阱很难束缚住微粒，影响微粒的捕获。光镊形成的必要条件是激光产生的梯度力大于散射力和布朗力，因此能将微粒俘获在聚焦光斑中心附近。激光产生的梯度力越大，形成的势阱越深，就越有利于捕获微粒。多位置光阱是指一次可以形成多个光阱，同时捕获并操纵多个微粒的光镊。与一次只能捕获一个微粒的单光束光镊相比，多光束光阱不仅可以同时产生多个光阱，而且可以实时控制光阱的排列位置，大大提高了实验效率。多位置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
本专利技术的目的在于克服现存单光束光镊技术无法在同一平面上同时独立捕获多个低折射率不同微粒的难题，提出了一种同时操纵瑞利区低折射率微粒并且能提高捕获效率的装置和处理方式，通过空间光调制器对光束的振幅或者相位进行调制，可以实现对多个微粒的捕获，同时操纵其中的每一个微粒。本专利技术的技术方案如下：本专利技术包括激光器、扩束镜组、透射式空间光调制器、图形控制器、阱位调节镜、双色分束镜、高聚焦物镜、样品室、照明灯和CCD探测器；光镊光路由两部分组成，一路为激光器出射的光束通过扩束镜组扩束后进入透射式空间光调制器中，透射式空间光调制器控制端电连接图形控制器而受图形控制器加载控制，从透射式空间光调制器出射的光经阱位调节镜入射到双色分束镜上发生反射，经双色分束镜反射到高聚焦物镜后输出聚焦光，聚焦光入射到样品室中形成光阱并照射到样品室中的样品；照明灯和高聚焦物镜分别布置于样品室对称的两侧，另一路是成像光路，样品室内装有众多微粒，高聚焦物镜的焦点位于样品室的下方，照明灯照明穿过样品室照射到高聚焦物镜的焦点处，微粒从样品室下落后被高聚焦物镜的焦点的光阱捕获，样品室内样品被聚焦光照射而产生的散射光再由高聚焦物镜收集返回，透过高聚焦物镜后再被双色分束镜透射过成像在CCD探测器靶面上，CCD探测器连接于计算机，CCD探测器将采集的图像信号传输到计算机上。本专利技术采用图形控制器对透射式空间光进行正弦因子相位信息调制，从而得到所需光束实现多个瑞利区低折射率微粒、高捕获效率的操纵，并且能够通过正弦调制系数的改变来提高光阱梯度力。所述的照明灯、样品室、高聚焦物镜、双色分束镜、CCD探测器从上到下依次布置。本专利技术的空间光调制器为透射式空间光调制器，由图形控制器将预设的相位信息图加载到透射式空间光调制器上，实现对经过光束的正弦相位调制，以双色分束镜反射出射的光束为入射高斯光束，入射高斯光束通过透射式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；以透射式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对透射式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表示透射式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。通过对所述的正弦调制系数g一个数量级减小，光阱梯度力会得到三个数量级的提高。本专利技术中对所述的正弦调制系数g一个数量级减小，光阱梯度力会得到三个数量级的提高，相应的捕获效率也得到提高，因此通过正弦调制系数g调整大大提高捕获效率。通过阱位调节镜沿光轴移动进而改变自身与高聚焦物镜之间沿光轴的距离，通过改变入射到高聚焦物镜的光束的发散角，以改变高聚焦物镜的焦点位置，从而达到阱位调节的目的。具体是通过对透射式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和透射式空间光调制器像元平面间的交点的距离R，具体的改变方法公式为：其中，一个新的正弦调制系数g对应于一个新的距离R。所述的高聚焦物镜的数值孔径不小于0.85。本专利技术中，所述的高折射率微粒是指大于水的折射率的微粒，低折射率微粒是指小于水的折射率的微粒。本专利技术的方法是控制透射式空间光调制器产生多位置光阱的正弦调制的高斯光束，通过柯林斯变换和透镜系统后得到新的用于捕获微粒的光强分布，能够在焦点区域范围内把高折射率和低折射率的微粒稳定捕获，而且能够同时实现对多微粒独立操控。本专利技术同时能通过选择正弦调制系数g来提高光阱梯度力，从而提高捕获效率。具体实施中，当光镊操纵的纳米微粒尺度远小于俘获激光的波长时，光阱中能俘获许多纳米微粒进行组装，我们称这组装方式为光学组装。当光阱关闭时，纳米微粒间由于相互排斥和布朗运动等因素相互分离。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术的扩展性强。本专利技术提出的微粒的环境是水溶液，水的折射率为1.33。对于多种不同材料和本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种同时操纵多个瑞利区低折射率微粒且高捕获效率的装置，其特征在于：包括激光器(1)、扩束镜组(2)、透射式空间光调制器(3)、图形控制器(4)、阱位调节镜(5)、双色分束镜(6)、高聚焦物镜(7)、样品室(8)、照明灯(9)和CCD探测器(10)；激光器(1)出射的光束通过扩束镜组(2)扩束后进入透射式空间光调制器(3)中，从透射式空间光调制器(3)出射的光经阱位调节镜(5)入射到双色分束镜(6)上发生反射，经双色分束镜(6)反射到高聚焦物镜(7)后输出聚焦光，聚焦光入射到样品室(8)中形成光阱并照射到样品室(8)中的样品；照明灯(9)和高聚焦物镜(7)分别布置于样品室(8)对称的两侧，样品室(8)内装有众多微粒，高聚焦物镜(7)的焦点位于样品室(8)的下方，照明灯(9)照明穿过样品室(8)照射到高聚焦物镜(7)的焦点处，样品室(8)内样品被聚焦光照射而产生的散射光再由高聚焦物镜(7)收集返回，透过高聚焦物镜(7)后再被双色分束镜(6)透射过成像在CCD探测器(10)靶面上，CCD探测器(10)连接于计算机。/n
【技术特征摘要】
1.一种同时操纵多个瑞利区低折射率微粒且高捕获效率的装置，其特征在于：包括激光器(1)、扩束镜组(2)、透射式空间光调制器(3)、图形控制器(4)、阱位调节镜(5)、双色分束镜(6)、高聚焦物镜(7)、样品室(8)、照明灯(9)和CCD探测器(10)；激光器(1)出射的光束通过扩束镜组(2)扩束后进入透射式空间光调制器(3)中，从透射式空间光调制器(3)出射的光经阱位调节镜(5)入射到双色分束镜(6)上发生反射，经双色分束镜(6)反射到高聚焦物镜(7)后输出聚焦光，聚焦光入射到样品室(8)中形成光阱并照射到样品室(8)中的样品；照明灯(9)和高聚焦物镜(7)分别布置于样品室(8)对称的两侧，样品室(8)内装有众多微粒，高聚焦物镜(7)的焦点位于样品室(8)的下方，照明灯(9)照明穿过样品室(8)照射到高聚焦物镜(7)的焦点处，样品室(8)内样品被聚焦光照射而产生的散射光再由高聚焦物镜(7)收集返回，透过高聚焦物镜(7)后再被双色分束镜(6)透射过成像在CCD探测器(10)靶面上，CCD探测器(10)连接于计算机。
2.根据权利要求1所述的一种同时操纵多个瑞利区低折射率微粒且高捕获效率的装置，其特征在于：所述的照明灯(9)、样品室(8)、高聚焦物镜(7)、双色分束镜(6)、CCD探测器(10)从上到下依次布置。
3.根据权利要求1所述的一种同时操纵多个瑞利区低折射率微粒且高捕...
【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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