一種基于s波片的飛秒激光光鑷操控裝置制造方法
【專利摘要】一種基于S波片的飛秒激光光鑷操控裝置，涉及光學操控粒子和細胞的光鑷技術(shù)。解決了傳統(tǒng)的光鑷技術(shù)是通過提高入射激光功率來提高光鑷的捕獲力，捕獲力提高的同時會對被操控對象造成無法挽回的熱損傷的問題。采用飛秒脈沖激光器發(fā)射出線偏振光，線偏振光經(jīng)光闌、衰減片和第一800nm全反射鏡調(diào)整后輸出至四分之一波片，四分之一波片將線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光束，S波片將圓偏振光束轉(zhuǎn)換為柱矢量光束，該柱矢量光束為徑向偏振光束或方位角偏振光束，柱矢量光束經(jīng)快門和第二800nm全反射鏡調(diào)整后進入顯微鏡中，調(diào)整各部件的位置，使柱矢量光束光軸與顯微鏡成像光路的光軸完全重合，將光束耦合進入顯微鏡中。本發(fā)明適用于生命科學領(lǐng)域。
【專利說明】一種基于S波片的飛秒激光光鑷操控裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學操控粒子和細胞的光鑷技術(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、無損傷操縱微納尺度粒子的特性，因此被廣泛地應用于生命科學、醫(yī)學、物理、材料和納米科學，被認為是最理想的單分子、單細胞、微粒、微納器件操作技術(shù)。
[0003]光鑷技術(shù)多采用連續(xù)激光和長脈沖激光，與連續(xù)激光和長脈沖激光相比，飛秒激光脈沖具有極短的脈沖寬度、極高的峰值功率和時間和空間分辨率，并可以高精度地控制作用能量。目前以高重復率飛秒激光為光源可以對血紅細胞、白細胞、病毒、聚苯乙烯微球等實現(xiàn)穩(wěn)定捕獲。目前光鑷技術(shù)的操控對象廣泛，從透明的電介質(zhì)小球、細胞、到不透明的材料如金屬微粒均可以實現(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)域在光束焦點附近，近年來許多學者在不斷的探索使用各種各樣的激光光源、設計不同的光路以實現(xiàn)對多種微粒和細胞的光學操控，但是多數(shù)技術(shù)都局限于對微粒的捕獲和定向移動，限制了應用范圍，同時，傳統(tǒng)的光鑷技術(shù)是通過提高入射激光功率來提高光鑷的捕獲力，捕獲力提高的同時會對被操控對象造成無法挽回的熱損傷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明為了解決傳統(tǒng)的光鑷技術(shù)是通過提高入射激光功率來提高光鑷的捕獲力，捕獲力提高的同時會對被操控對象造成無法挽回的熱損傷的問題，提出了一種基于S波片的飛秒激光光鑷操控裝置。
[0005]一種基于S波片的飛秒激光光鑷操控裝置包括飛秒脈沖激光器、光闌、衰減片、第一 800nm全反射鏡、四分之一波片、S波片、快門、第二 800nm全反射鏡、顯微鏡和載物臺，
[0006]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，衰減片對線偏振光進行光強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四分之一波片，四分之一波片將線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光并輸出至S波片，S波片將圓偏振光轉(zhuǎn)換為徑向偏振光或方位角偏振光，徑向偏振光或方位角偏振光經(jīng)快門入射至第二800nm全反射鏡,第二 800nm全反射鏡將徑向偏振光或方位角偏振光全反射至顯微鏡的物鏡并入射至載物臺上。
[0007]一種基于S波片的飛秒激光光鑷操控裝置還包括CXD探測器，所述CXD探測器用于將第二 800nm全反射鏡和顯微鏡之間的光束的光學影像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并顯不。
[0008]一種基于S波片的飛秒激光光鑷操控裝置還包括上位機，所述上位機包括:
[0009]用于接收CCD探測器發(fā)送的光路探測信號的探測信號接收模塊；
[0010]用于將光路探測信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信息和波形圖的信號轉(zhuǎn)換模塊；
[0011]用于對數(shù)據(jù)信息和波形圖進行顯示的顯示模塊。
[0012]上位機還包括用于控制載物臺進行三維移動的載物臺控制模塊。[0013]有益效果:本發(fā)明所述裝置通過四分之一波片和S波片將飛秒脈沖激光器發(fā)射出的線偏振光轉(zhuǎn)換為徑向偏振光束和方位角偏振光束作為捕獲光，柱矢量光束具有獨特的偏振模式和光強分布，捕獲光具有高于高斯捕獲光束的軸向捕獲能力，相對于使用高斯光束光鑷，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到與高斯光束同樣的軸向捕獲力，能夠更好的避免對被操控對象造成的熱損傷。柱矢量光束光場分布不均勻通常攜帶軌道角動量，與普通高斯型激光光鑷技術(shù)相比，攜帶軌道角動量的光束能夠穩(wěn)定捕獲并旋轉(zhuǎn)操控氧化銅、三氧化二鐵等吸收性微粒，為微機械馬達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)形中空特點易于實現(xiàn)高精度、非接觸、無損傷操控，因而特別適合于生命科學領(lǐng)域研究。
[0014]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)合時間分辨光譜技術(shù)，還可進行對生物體超快生物過程研究、雙光子熒光動力學等研究。飛秒激光的高時間及空間分辨特性還可以實現(xiàn)對細胞無創(chuàng)局部改性操作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0015]圖1為一種基于S波片的飛秒激光光鑷操控裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0016]【具體實施方式】一、結(jié)合圖1說明本【具體實施方式】，本【具體實施方式】所述的一種基于S波片的飛秒激光光鑷操控裝置包括飛秒脈沖激光器1、光闌2、衰減片3、第一 SOOnm全反射鏡4、四分之一波片5、S波片6、快門7、第二 800nm全反射鏡9、顯微鏡10和載物臺11，
[0017]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對線偏振光進行光強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四分之一波片5,四分之一波片5將線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光并輸出至S波片6, S波片6將圓偏振光轉(zhuǎn)換為徑向偏振光或方位角偏振光,徑向偏振光或方位角偏振光經(jīng)快門7入射至第二 800nm全反射鏡9，第二 800nm全反射鏡9將徑向偏振光或方位角偏振光全反射至顯微鏡10的物鏡并入射至載物臺11上。
[0018]本實施方式中，采用飛秒脈沖激光器I發(fā)射出線偏振光，線偏振光經(jīng)光闌2、衰減片3和第一 800nm全反射鏡4調(diào)整后輸出至四分之一波片5,四分之一波片5將線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光束，S波片6將圓偏振光束轉(zhuǎn)換為柱矢量光束，該柱矢量光束為徑向偏振光束或方位角偏振光束，柱矢量光束經(jīng)快門7和第二800nm全反射鏡9調(diào)整后進入顯微鏡10中，調(diào)整各部件的位置，使柱矢量光束光軸與顯微鏡10成像光路的光軸完全重合，將光束耦合進入顯微鏡10中。
[0019]在顯微鏡10中，光束與顯微鏡10的成像光路逆向傳播，經(jīng)高倍的顯微鏡10的物鏡聚焦，會聚成半徑小于I微米的光斑，形成光學勢阱，將載物臺11上的目標微粒移入光學勢阱內(nèi)，實現(xiàn)對目標微粒的穩(wěn)定捕獲和旋轉(zhuǎn)操縱。
[0020]本實施方式中所述的四分之一波片5用于將線偏振光轉(zhuǎn)換為左旋圓偏振光或右旋圓偏振光。[0021]本實施方式中所述的S波片6是由立陶宛研發(fā)出的新型超結(jié)構(gòu)波片，用于將四分之一波片5輸出的左旋圓偏振光或右旋圓偏振光轉(zhuǎn)換為徑向偏正光或方位角偏振光。
[0022]本實施方式中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)合時間分辨光譜技術(shù)，還可進行對生物體超快生物過程研究、雙光子熒光動力學等研究。飛秒激光的高時間及空間分辨特性還可以實現(xiàn)對細胞無創(chuàng)局部改性操作。
[0023]【具體實施方式】二、本【具體實施方式】與【具體實施方式】一所述的一種基于S波片的飛秒激光光鑷操控裝置的區(qū)別在于，所述飛秒脈沖激光器I為摻鈦藍寶石飛秒激光器，輸出脈沖重復頻率為76兆赫茲，脈沖寬度為120飛秒。
[0024]【具體實施方式】三、本【具體實施方式】與【具體實施方式】一所述的一種基于S波片的飛秒激光光鑷操控裝置的區(qū)別在于，所述載物臺11為三維微位移平臺。
[0025]本實施方式所述的載物臺13的三維線性激勵源的控制精度為50nm。
[0026]【具體實施方式】四、結(jié)合圖1說明本【具體實施方式】，本【具體實施方式】與【具體實施方式】一所述的一種基于S波片的飛秒激光光鑷操控裝置的區(qū)別在于，它還包括CCD探測器8，所述CXD探測器8用于將第二 SOOnm全反射鏡9和顯微鏡10之間的光束的光學影像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并顯示。
[0027]本實施方式中增加了 CCD探測器8，能夠?qū)鄣墓馐M行實時監(jiān)測，以獲知光束的會聚情況。
[0028]【具體實施方式】五、本【具體實施方式】與【具體實施方式】四所述的一種基于S波片的飛秒激光光鑷操控裝置的區(qū)別在于，它還包括上位機14，所述上位機14包括:
[0029]用于接收CCD探測器8發(fā)送的光路探測信號的探測信號接收模塊；
[0030]用于將光路探測信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信息和波形圖的信號轉(zhuǎn)換模塊；
[0031]用于對數(shù)據(jù)信息和波形圖進行顯示的顯示模塊。
[0032]本實施方式中，通過上位機14能夠?qū)XD探測器8所探測的信號實時并完整的顯示出來，使技術(shù)人員能夠清晰地了解光路情況。
[0033]【具體實施方式】六、本【具體實施方式】與【具體實施方式】五所述的一種基于S波片的飛秒激光光鑷操控裝置的區(qū)別在于，所述上位機14還包括用于控制載物臺11進行三維移動的載物臺控制模塊。
[0034]【具體實施方式】七、本【具體實施方式】與【具體實施方式】一所述的一種基于S波片的飛秒激光光鑷操控裝置的區(qū)別在于，它還包括照明電路，所述照明電路包括電源16、開關(guān)17和照明燈15，電源16、開關(guān)17和照明燈15依次連接構(gòu)成回路，照明燈15位于載物臺11的正下方。
[0035]本實施方式中增加了照明電路，技術(shù)人員在通過目鏡對載物臺11上的目標微粒進行觀察時，使載物臺11上的光線更加明亮，使觀察的結(jié)果更加可靠。
【權(quán)利要求】
1.一種基于S波片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 800nm全反射鏡(4)、四分之一波片(5)、S波片(6)、快門(7)、第二 SOOnm全反射鏡(9)、顯微鏡(10)和載物臺(11)， 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)對線偏振光進行光強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四分之一波片(5),四分之一波片(5)將線偏振光轉(zhuǎn)換為圓偏振光并輸出至S波片(6), S波片(6)將圓偏振光轉(zhuǎn)換為徑向偏振光或方位角偏振光,徑向偏振光或方位角偏振光經(jīng)快門(7 )入射至第二 800nm全反射鏡(9 )，第二 800nm全反射鏡(9 )將徑向偏振光或方位角偏振光全反射至顯微鏡(10)的物鏡并入射至載物臺(11)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于S波片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)為摻鈦藍寶石飛秒激光器，輸出脈沖重復頻率為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S波片的飛秒激光光鑷操控裝置，其特征在于，所述載物臺(11)為三維微位移平臺。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于S波片的飛秒激光光鑷操控裝置，其特征在于，它還包括CXD探測器(8 )，所述CXD探測器(8 )用于將第二 SOOnm全反射鏡(9 )和顯微鏡(10 )之間的光束的光學影像轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號并顯示。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種基于S波片的飛秒激光光鑷操控裝置，其特征在于，它還包括上位機(14),所述上位機(14)包括: 用于接收CCD探測器(8)發(fā)送的光路探測信號的探測信號接收模塊； 用于將光路探測信號轉(zhuǎn)換為數(shù)據(jù)信息和波形圖的信號轉(zhuǎn)換模塊； 用于對數(shù)據(jù)信息和波形圖進行顯示的顯示模塊。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種基于S波片的飛秒激光光鑷操控裝置，其特征在于，所述上位機(14 )還包括用于控制載物臺(11)進行三維移動的載物臺控制模塊。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于S波片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(16)、開關(guān)(17)和照明燈(15)，電源(16)、開關(guān)(17)和照明燈(15)依次連接構(gòu)成回路，照明燈(15)位于載物臺(11)的正下方。
【文檔編號】G02B21/32GK103913831SQ201410160702
【公開日】2014年7月9日 申請日期: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, 王積翔, 孔德貴, 吳文智 申請人:黑龍江大學