一種飛秒激光旋轉(zhuǎn)操控光鑷的裝置及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光學(xué)操控光鑷技術(shù)領(lǐng)域。
【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(yīng)用于生命科學(xué)、醫(yī)學(xué)、物理、材料和納米科學(xué)，被認(rèn)為是最理想的單分子、單細(xì)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。2001年天津大學(xué)提出了飛秒激光光鑷的概念，與連續(xù)光光鑷相比較，飛秒光鑷中作用在粒子上的光學(xué)梯度力是脈沖式的。飛秒激光脈沖所產(chǎn)生的橫向光學(xué)力和軸向光學(xué)力能抵消由于布朗運(yùn)動引起的微粒中心偏移的影響，可實(shí)現(xiàn)對微粒的穩(wěn)定束縛。目前以高重復(fù)率飛秒激光為光源可以對血紅細(xì)胞、白細(xì)胞、病毒、聚苯乙烯微球等實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定捕獲，如專利ZL 200420085210.7。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(xì)胞、到不透明的材料如金屬微粒均可以實(shí)現(xiàn)直接操控，如專利ZL 200610078632.5。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(diǎn)附近，近年來許多學(xué)者在不斷的探索使用各種各樣的激光光源、設(shè)計不同的光路以實(shí)現(xiàn)對多種微粒和細(xì)胞的光學(xué)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(yīng)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樣品造成無法挽回的熱損傷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明提出了一種飛秒激光旋轉(zhuǎn)操控光鑷的裝置及方法，目的在于能夠?qū)Σ僮鲗ο髮?shí)現(xiàn)高精度、非接觸、無損傷的旋轉(zhuǎn)操控。
[0005]一種飛秒激光旋轉(zhuǎn)操控光鑷的裝置包括飛秒脈沖激光器、光闌、衰減片、第一800nm全反射平面鏡、渦旋光柵、第二 800nm全反射平面鏡、第三800nm全反射平面鏡、第四800nm全反射平面鏡、分束器、第五800nm全反射平面鏡、顯微鏡和載物臺，
[0006]所述飛秒脈沖激光器發(fā)射的脈沖激光經(jīng)光闌入射至衰減片，衰減片對脈沖激光進(jìn)行光強(qiáng)衰減后將脈沖激光入射至第一 SOOnm全反射平面鏡，第一 SOOnm全反射平面鏡將脈沖激光全反射至渦旋光柵5，
[0007]渦旋光柵將脈沖激光分為一級衍射光和零級光束，
[0008]一級衍射光經(jīng)第二 800nm全反射平面鏡和第三800nm全反射平面鏡全反射至分束器，
[0009]零級光束經(jīng)經(jīng)第四800nm全反射平面鏡8全反射至分束器，
[0010]一級衍射光和零級光束經(jīng)分束器合束為干涉激光，
[0011]干涉激光經(jīng)第五SOOnm全反射平面鏡反射至顯微鏡的物鏡，且干涉激光的光軸與顯微鏡的成像光路的光軸重合，干涉激光經(jīng)顯微鏡的物鏡入射至載物臺上。
[0012]一種飛秒激光旋轉(zhuǎn)操控光鑷的方法是通過以下方式實(shí)現(xiàn)的:
[0013]采用摻鈦藍(lán)寶石飛秒脈沖激光器產(chǎn)生飛秒脈沖激光，該脈沖激光經(jīng)光闌后入射至衰減片進(jìn)行光強(qiáng)衰減，光強(qiáng)衰減后的脈沖激光經(jīng)SOOnm全反射平面鏡全反射后入射至渦旋光柵，禍旋光柵將該脈沖激光分為一級衍射光和零級光束，一級衍射光和零級光束分別經(jīng)兩路SOOnm全反射平面鏡全反射至分束器，分束器將一級衍射光和零級光束進(jìn)行合束，組成干涉光路，從分束器出射的光束形成旋轉(zhuǎn)臂，該干涉光路通過顯微鏡入射至載物臺上，在顯微鏡中，飛秒脈沖旋轉(zhuǎn)臂與顯微鏡成像光路逆向傳播，經(jīng)高倍的物鏡緊聚焦，會聚成半徑小于I微米的光斑，形成光學(xué)勢阱，從而實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)操控光鑷。
[0014]有益效果:本發(fā)明所提出的飛秒激光旋轉(zhuǎn)操控光鑷裝置及方法是以飛秒激光顯微操作為核心，將飛秒激光器輸出的種子光經(jīng)過光闌、衰減片、全反射平面鏡和渦旋光柵后分為一級衍射光和零級光束，所述一級衍射光為渦旋飛秒激光束，一級衍射光和零級光束經(jīng)兩路全反射平面鏡反射后通過分束器同軸疊加獲得攜帶渦旋信息的光束，該光束經(jīng)反射鏡反射進(jìn)入顯微鏡中，使其光軸與顯微鏡成像光路的光軸完全重合，在顯微鏡中，飛秒脈沖旋轉(zhuǎn)臂與顯微鏡成像光路逆向傳播，經(jīng)高倍物鏡緊聚焦，會聚成半徑小于I微米的光斑，形成光學(xué)勢阱，將目標(biāo)微粒移至光學(xué)勢阱中，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)微粒的穩(wěn)定捕獲和旋轉(zhuǎn)操縱，高重復(fù)率飛秒激光對粒子、細(xì)胞的穩(wěn)定捕獲以及旋轉(zhuǎn)操控，對粒子的性質(zhì)沒有要求。能夠更好的實(shí)現(xiàn)高精度、非接觸、無損傷操控，為微機(jī)械馬達(dá)等微納器件操作的集成提供可能，可以廣泛應(yīng)用于微控制和生命領(lǐng)域。。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明所述的飛秒激光旋轉(zhuǎn)操控光鑷裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]【具體實(shí)施方式】一、結(jié)合圖1說明本【具體實(shí)施方式】，本【具體實(shí)施方式】所述的一種飛秒激光旋轉(zhuǎn)操控光鑷的裝置包括飛秒脈沖激光器1、光闌2、衰減片3、第一 SOOnm全反射平面鏡4、渦旋光柵5、第二 800nm全反射平面鏡6、第三800nm全反射平面鏡7、第四800nm全反射平面鏡8、分束器10、第五800nm全反射平面鏡11、顯微鏡12和載物臺13，
[0017]所述飛秒脈沖激光器I發(fā)射的脈沖激光經(jīng)光闌2入射至衰減片3，衰減片3對脈沖激光進(jìn)行光強(qiáng)衰減后將脈沖激光入射至第一 800nm全反射平面鏡4，第一 800nm全反射平面鏡4將脈沖激光全反射至渦旋光柵5，
[0018]禍旋光柵5將脈沖激光分為一級衍射光和零級光束，
[0019]—級衍射光經(jīng)第二 800nm全反射平面鏡6和第三800nm全反射平面鏡7全反射至分束器10，
[0020]零級光束經(jīng)經(jīng)第四800nm全反射平面鏡8全反射至分束器10，
[0021]—級衍射光和零級光束經(jīng)分束器10合束為干涉激光，
[0022]干涉光經(jīng)第五800nm全反射平面鏡11入射至顯微鏡12的物鏡，且干涉激光的光軸與顯微鏡的成像光路的光軸重合，干涉激光經(jīng)顯微鏡12的物鏡入射至載物臺13上。
[0023]本實(shí)施方式所述的飛秒激光旋轉(zhuǎn)操控光鑷裝置是以飛秒激光顯微操作為核心，將飛秒激光器輸出的種子光經(jīng)過光闌2、衰減片3、全反射平面鏡和渦旋光柵后分為一級衍射光和零級光束，所述一級衍射光為渦旋飛秒激光束，一級衍射光和零級光束經(jīng)兩路全反射平面鏡反射后通過分束器同軸疊加獲得攜帶渦旋信息的光束，該光束經(jīng)反射鏡反射進(jìn)入顯微鏡中，使其光軸與顯微鏡成像光路的光軸完全重合，在顯微鏡中，飛秒脈沖旋轉(zhuǎn)臂與顯微鏡成像光路逆向傳播，經(jīng)高倍物鏡緊聚焦，會聚成半徑小于I微米的光斑，形成光學(xué)勢阱，將目標(biāo)微粒移至光學(xué)勢阱中，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)微粒的穩(wěn)定捕獲和旋轉(zhuǎn)操縱。
[0024]本實(shí)施方式中，通過渦旋光柵產(chǎn)生攜帶有渦旋信息的光束，由于渦旋光束具有獨(dú)特的光強(qiáng)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，渦旋光束的施工可以在較小的入射激光功率調(diào)節(jié)下能夠達(dá)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。
[0025]渦旋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)操控粒子，本方法和裝置提出的將渦旋光束和平面光波通過干涉的方法獲得的螺旋臂可以選擇操控粒子，并且對粒子的性質(zhì)沒有要求，為微機(jī)械馬達(dá)等微納器件操作的集成提供可能。易于實(shí)現(xiàn)高精度、非接觸、無損傷操控，因而特別適合于生命科學(xué)領(lǐng)域研宄。
[0026]【具體實(shí)施方式】二、本【具體實(shí)施方式】與【具體實(shí)施方式】一所述的一種飛秒激光旋轉(zhuǎn)操控光鑷的裝置的區(qū)別在于，所述飛秒脈沖激光器I為摻鈦藍(lán)寶石飛秒激光器，發(fā)射的脈沖激光重復(fù)頻率大于70兆赫茲，脈沖寬度為120飛秒。
[0027]本實(shí)施方式中采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(jìn)行對生物體超快生物過程研宄、雙光子熒光動力學(xué)等研宄。飛秒激光的高時間及空間分辨特性還可以實(shí)現(xiàn)對細(xì)胞無創(chuàng)局部改性操作。
[0028]【具體實(shí)施方式】三、本【具體實(shí)施方式】與【具體實(shí)施方式】一所述的一種飛秒激光旋轉(zhuǎn)操控光鑷的裝置的區(qū)別在于，所述載物臺13為三維微位移平臺。
[0029]本實(shí)施方式所述的載物