專利名稱：一種基于塔爾博特效應(yīng)的新型全息光鑷系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光全息光鑷，特別涉及一種基于塔爾博特效應(yīng)的新型全息光鑷系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
光鑷技術(shù)是一種利用光與物質(zhì)間動(dòng)量傳遞的力學(xué)效應(yīng)而形成的三維梯度光陷阱來(lái)捕獲和操縱微小粒子的工具，在分子生物學(xué)、實(shí)驗(yàn)原子物理和膠體化學(xué)等領(lǐng)域中發(fā)揮了極其重要的作用。隨著多光阱操控技術(shù)在眾多的實(shí)驗(yàn)研究和應(yīng)用中顯得越來(lái)越重要，光鑷儀器由最初的單光鑷逐漸演化出了多種類型的多光鑷，如雙光鑷、掃描光鑷、飛秒光鑷、全息光鑷等。其中全息光鑷由于其在多粒子操控方面的優(yōu)勢(shì)，為光鑷技術(shù)走向?qū)嵱没?、?guī)模工業(yè)化打開(kāi)了新局面。全息光鑷是利用全息元件構(gòu)建的具有特定功能的光強(qiáng)梯度分布場(chǎng)而形成的多光鑷，所采用的全息元件通常為衍射光學(xué)元件(DOE)或空間光調(diào)制器(SLM)，其優(yōu)點(diǎn)在于不僅可實(shí)現(xiàn)多種功能的光阱，而且可實(shí)現(xiàn)三維光阱陣列，可同時(shí)對(duì)多個(gè)微粒進(jìn)行捕獲、 操縱和分選等操作。傳統(tǒng)全息光鑷的缺點(diǎn)在于所采用的衍射光學(xué)元件或空間光調(diào)制器的衍射效率很低，激光能量利用率低下，并且由于全息光鑷所形成的光陷阱數(shù)量多，激光能量須分配到每個(gè)光陷阱上，因此為了滿足每個(gè)光阱的捕捉能力，往往需要配備昂貴并且難以維護(hù)的大功率激光器。這已經(jīng)成為制約全息光鑷進(jìn)一步發(fā)展和走向?qū)嵱没钠款i。在傳統(tǒng)的全息光鑷技術(shù)中，使用空間光調(diào)制器的全息光鑷還有另外一個(gè)缺陷對(duì)捕獲的微粒進(jìn)行操縱需要進(jìn)行大量復(fù)雜的傅立葉全息圖的計(jì)算，因此傳統(tǒng)全息光鑷系統(tǒng)往往需要配備高性能的計(jì)算設(shè)備，并且光阱移動(dòng)系統(tǒng)復(fù)雜，操作技能要求高，這進(jìn)一步增加了全息光鑷系統(tǒng)的成本，限制了全息光鑷的推廣應(yīng)用。本申請(qǐng)人在中國(guó)專利ZL200610122343. 0中公開(kāi)一種可方便制作高質(zhì)量大面積光子晶體的無(wú)透鏡光學(xué)裝置。設(shè)有激光器、擴(kuò)束空間濾波器、組合光學(xué)元件和全息記錄干版， 擴(kuò)束空間濾波器設(shè)于激光器的光束輸出光路上，組合光學(xué)元件設(shè)于擴(kuò)束空間濾波器的輸出光路上，全息記錄干版放置于干涉區(qū)域。組合光學(xué)元件以硬質(zhì)不透明材料為基板，在基板上設(shè)置有3個(gè)對(duì)稱排列的全息圖，全息圖之間相隔120°并與基板中心有相同距離?；迳显O(shè)有3或4個(gè)孔，3個(gè)孔環(huán)繞基板中心對(duì)稱排列，3個(gè)孔之間相隔120°并與基板中心有相同距離；另1個(gè)孔設(shè)在基板中心。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)的基于塔爾博特效應(yīng)的新型全息光鑷系統(tǒng)。本發(fā)明設(shè)有激光器、第1透鏡、第2透鏡、反射鏡、全息元件、倒置顯微鏡、CXD圖像傳感器和計(jì)算機(jī)；第1透鏡和第2透鏡依次前后設(shè)于激光器的激光光束輸出端與反射鏡之間，激光器、第1透鏡和第2透鏡同光軸，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)第1透鏡和第2透鏡，第1 透鏡和第2透鏡的初始位置使焦點(diǎn)重合，通過(guò)微調(diào)第1透鏡與第2透鏡之間的距離以控制激光光束聚焦點(diǎn)的位置，使激光光束聚焦點(diǎn)落于全息元件上；微粒置于倒置顯微鏡的置物臺(tái)上，通過(guò)調(diào)整倒置顯微鏡的置物臺(tái)與全息元件的距離，使微粒落于全息元件的塔爾博特自成像的位置上；通過(guò)CXD圖像傳感器觀察微粒，CXD圖像傳感器的信息輸出端接計(jì)算機(jī)， 用于圖像的分析和處理。所述激光器可采用功率可調(diào)的氬離子激光器。所述第1透鏡和第2透鏡均可采用具有較高數(shù)值孔徑的透鏡，所述具有較高數(shù)值孔徑的透鏡可采用40倍的顯微鏡物鏡，其數(shù)值孔徑為0. 65。所述全息元件可采用二維周期性微結(jié)構(gòu)元件。微粒的操縱可通過(guò)引入結(jié)構(gòu)或者透過(guò)率可變的全息元件，例如空間光調(diào)制器，通過(guò)改變?nèi)⒃慕Y(jié)構(gòu)或者透過(guò)率來(lái)實(shí)現(xiàn)。本發(fā)明基于塔爾博特效應(yīng)的產(chǎn)生梯度力光阱的方法，是一種基于這種方法的的新型全息光鑷系統(tǒng)，以解決傳統(tǒng)全息光鑷成本昂貴，計(jì)算復(fù)雜等問(wèn)題。本發(fā)明通過(guò)使用塔爾博特效應(yīng)實(shí)現(xiàn)全息光鑷，有效突破了衍射效率的瓶頸，省去了復(fù)雜繁瑣的傅立葉全息圖的計(jì)算。由于突破了衍射效率的瓶頸，全息光鑷所需要的激光的功率大大減低，從而不需要配備昂貴且難以維護(hù)的大功率激光器，降低了全息光鑷系統(tǒng)的成本。由于省去了復(fù)雜繁瑣的傅立葉變換全息圖的計(jì)算，且無(wú)需配備昂貴的計(jì)算設(shè)備， 因此不僅進(jìn)一步降低了成本，而且系統(tǒng)緊湊穩(wěn)定，使得全息光鑷有望走出實(shí)驗(yàn)室，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。本發(fā)明的原理是利用塔爾博特效應(yīng)，使用全息元件產(chǎn)生的自成像所形成的光強(qiáng)梯度光阱用于微粒的捕獲。本發(fā)明的關(guān)鍵在于將微粒置于全息元件的塔爾博特自成像位置上，利用全息元件的結(jié)構(gòu)或者折射率分布所產(chǎn)生的光強(qiáng)梯度形成光阱進(jìn)行捕獲；通過(guò)控制全息元件的結(jié)構(gòu)或者折射率分布以改變光強(qiáng)梯度分布，從而達(dá)到操縱微粒的目的。本發(fā)明還在于利用兩個(gè)具有較高數(shù)值孔徑的透鏡組成的透鏡組來(lái)縮細(xì)和調(diào)整激光光束，使激光能量高度集中于全息元件上。相比單光鑷的僅有幾個(gè)毫米的焦點(diǎn)距離，這種方法的優(yōu)點(diǎn)在于工作距離長(zhǎng)且可以任意調(diào)節(jié)，并且縮細(xì)后的激光光束為準(zhǔn)平行光。


圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)組成示意圖。在圖1中，1為激光器，21為第1透鏡， 22為第2透鏡，3為反射鏡，4為全息元件，5為倒置顯微鏡11的置物臺(tái)、6為倒置顯微鏡11 的物鏡、7為倒置顯微鏡11的半反半透鏡、8為倒置顯微鏡11的照明光源、9為倒置顯微鏡 11的濾波片、10為倒置顯微鏡11的目鏡，12為CXD圖像傳感器，13為計(jì)算機(jī)。
具體實(shí)施例方式以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說(shuō)明。實(shí)施例1如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例設(shè)有激光器1、第1透鏡21、第2透鏡22、反射鏡3、全息元件4、倒置顯微鏡11、(XD圖像傳感器12和計(jì)算機(jī)13 ；第1透鏡和第2透鏡依次前后設(shè)于激光器1的激光光束輸出端與反射鏡3之間，激光器1、第1透鏡21和第2透鏡22同光軸，激光器1發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)第1透鏡和第2透鏡，第1透鏡和第2透鏡的初始位置使焦點(diǎn)重合，通過(guò)微調(diào)第1透鏡與第2透鏡之間的距離以控制激光光束聚焦點(diǎn)的位置，使激光光束聚焦點(diǎn)落于全息元件4上；微粒置于倒置顯微鏡11的置物臺(tái)5上，通過(guò)調(diào)整倒置顯微鏡11 的置物臺(tái)5與全息元件4的距離，使微粒落于全息元件4的塔爾博特自成像的位置上；通過(guò) CCD圖像傳感器12觀察微粒，CCD圖像傳感器12的信息輸出端接計(jì)算機(jī)13，用于圖像的分析和處理。反射鏡3、全息元件4、倒置顯微鏡11的置物臺(tái)5、倒置顯微鏡11的物鏡6、倒置顯微鏡11的半反半透鏡7、倒置顯微鏡11的照明光源8依次設(shè)于同一光軸上；倒置顯微鏡 11的濾波片9設(shè)于倒置顯微鏡11的半反半透鏡7與CXD圖像傳感器12之間。所述第1透鏡21和第2透鏡22均可采用具有較高數(shù)值孔徑的透鏡。所使用的激光器1采用功率可調(diào)的氬離子激光器，所使用的全息元件4采用二維周期性微結(jié)構(gòu)元件，可根據(jù)經(jīng)典的相干光干涉理論和衍射理論，采用激光全息技術(shù)進(jìn)行制備，具體制備方式可參見(jiàn)本申請(qǐng)?jiān)谥袊?guó)專利ZL 200610122343.0中所公開(kāi)的方法。所使用的兩個(gè)高數(shù)值孔徑透鏡采用兩個(gè)相同的40倍的顯微鏡物鏡，其數(shù)值孔徑為0. 65。將它們置于空間濾波器的架子上，鏡頭相對(duì)，通過(guò)空間濾波器上的螺旋桿微調(diào)兩個(gè)高數(shù)值孔徑透鏡之間的距離，使其焦點(diǎn)重合。激光器1的激光出射方向、第1透鏡21、第2透鏡22和反射鏡 3位于同一光軸上。激光器1的激光光束通過(guò)第1透鏡21和第2透鏡22后經(jīng)由反射鏡3 反射，入射到全息元件4上。此時(shí)微調(diào)第1透鏡21與第2透鏡22之間的距離，使出射光的焦點(diǎn)落于全息元件4上。微粒置于樣品池中，固定在倒置顯微鏡11的置物臺(tái)5上。倒置顯微鏡的照明光源8用于觀察系統(tǒng)的照明，樣品光學(xué)圖像信息經(jīng)半反半透鏡7反射，濾波片9 濾除雜光，目鏡10匯聚后，輸入到CXD圖像傳感器12，從而實(shí)現(xiàn)微粒的觀察，并通過(guò)調(diào)整倒置顯微鏡置物臺(tái)5與全息元件4的距離，使微粒落于全息元件4的塔爾博特自成像的位置上。計(jì)算機(jī)13用于圖像的分析和處理。使用此方案，可在置物臺(tái)的位置形成一個(gè)周期性光場(chǎng)分布，用于微粒的減速，捕獲和排列等操作。實(shí)施例2與實(shí)施例1相同，所不同的是全息元件4是由空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)的，空間光調(diào)制器連接到計(jì)算機(jī)13上，由計(jì)算機(jī)生成計(jì)算全息圖的信號(hào)，通過(guò)計(jì)算機(jī)控制空間光調(diào)制器，從而改變空間光調(diào)制器的自成像光場(chǎng)分布，進(jìn)而操控微粒的運(yùn)動(dòng)。
權(quán)利要求
1.一種基于塔爾博特效應(yīng)的新型全息光鑷系統(tǒng)，其特征在于設(shè)有激光器、第1透鏡、第 2透鏡、反射鏡、全息元件、倒置顯微鏡、CXD圖像傳感器和計(jì)算機(jī)；第1透鏡和第2透鏡依次前后設(shè)于激光器的激光光束輸出端與反射鏡之間，激光器、第1透鏡和第2透鏡同光軸，激光器發(fā)出的激光經(jīng)過(guò)第1透鏡和第2透鏡，第1透鏡和第2透鏡的初始位置使焦點(diǎn)重合，通過(guò)微調(diào)第1透鏡與第2透鏡之間的距離以控制激光光束聚焦點(diǎn)的位置，使激光光束聚焦點(diǎn)落于全息元件上；微粒置于倒置顯微鏡的置物臺(tái)上，通過(guò)調(diào)整倒置顯微鏡的置物臺(tái)與全息元件的距離，使微粒落于全息元件的塔爾博特自成像的位置上；通過(guò)CCD圖像傳感器觀察微粒，CCD圖像傳感器的信息輸出端接計(jì)算機(jī)，用于圖像的分析和處理。
2.如權(quán)利要求1所述的一種基于塔爾博特效應(yīng)的新型全息光鑷系統(tǒng)，其特征在于所述激光器為功率可調(diào)的氬離子激光器。
3.如權(quán)利要求1所述的一種基于塔爾博特效應(yīng)的新型全息光鑷系統(tǒng)，其特征在于所述第1透鏡和第2透鏡均采用具有較高數(shù)值孔徑的透鏡，所述具有較高數(shù)值孔徑的透鏡采用 40倍的顯微鏡物鏡，其數(shù)值孔徑為0. 65。
4.如權(quán)利要求1所述的一種基于塔爾博特效應(yīng)的新型全息光鑷系統(tǒng)，其特征在于所述全息元件采用二維周期性微結(jié)構(gòu)元件。
全文摘要
一種基于塔爾博特效應(yīng)的新型全息光鑷系統(tǒng)，涉及激光全息光鑷。提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可操作性強(qiáng)的基于塔爾博特效應(yīng)的新型全息光鑷系統(tǒng)。設(shè)有激光器、第1透鏡、第2透鏡、反射鏡、全息元件、倒置顯微鏡、CCD圖像傳感器和計(jì)算機(jī)；2個(gè)透鏡依次前后設(shè)于激光器的激光光束輸出端與反射鏡之間，激光器和2個(gè)透鏡同光軸，2個(gè)透鏡的初始位置使焦點(diǎn)重合，通過(guò)微調(diào)2個(gè)透鏡之間的距離以控制激光光束聚焦點(diǎn)的位置，使激光光束聚焦點(diǎn)落于全息元件上；微粒置于倒置顯微鏡的置物臺(tái)上，通過(guò)調(diào)整倒置顯微鏡的置物臺(tái)與全息元件的距離，使微粒落于全息元件的塔爾博特自成像的位置上；CCD圖像傳感器的信息輸出端接計(jì)算機(jī)，用于圖像的分析和處理。
文檔編號(hào)G02B21/32GK102162908SQ201110125640
公開(kāi)日2011年8月24日 申請(qǐng)日期2011年5月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月13日
發(fā)明者任雪暢, 劉國(guó)華, 劉守, 張向蘇, 王燦輝 申請(qǐng)人:廈門(mén)大學(xué)