【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專(zhuān)利技術(shù)涉及光鑷，具體涉及一種差分光功率可調(diào)的雙光束光鑷系統(tǒng)。
技術(shù)介紹
1、光鑷?(optical?tweezers)?是一種利用緊聚焦激光的輻射壓力對(duì)微粒進(jìn)行捕獲和操控的技術(shù)。光阱的梯度力和散射力將被捕獲對(duì)象束縛于一個(gè)三維光阱中，通過(guò)調(diào)控光場(chǎng)可以操控微粒進(jìn)行移動(dòng)、旋轉(zhuǎn)或拉伸等，其具有無(wú)機(jī)械接觸操作的特點(diǎn)，所鑷取的微粒尺寸通常在幾十納米到幾十微米；通過(guò)將激光調(diào)制為圓偏振光，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雙折射微粒驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，即光致旋轉(zhuǎn)效應(yīng)。
2、經(jīng)典光鑷光阱通常需要激光通過(guò)高數(shù)值孔徑?(numerical?aperture,?na?)?物鏡形成，以滿(mǎn)足產(chǎn)生的梯度力大于散射力的條件，進(jìn)而對(duì)微粒進(jìn)行三維囚禁。經(jīng)實(shí)驗(yàn)測(cè)定單光束光鑷要求物鏡na大于0.85，單光束光鑷所使用的高na（na≥1.25）物鏡通常需要特定的工作介質(zhì)如水、油等，其在工作過(guò)程中需要在物鏡前滴加水或油，由于水或油在空氣中均易揮發(fā)，不利于光鑷長(zhǎng)時(shí)間工作。油浸物鏡和水浸物鏡工作距離較低（通常不大于1mm），在光鑷的調(diào)節(jié)上有一定的困難，微粒操作空間上有一定的限制，干式物鏡無(wú)需額外的工作介質(zhì)，其工作距離相對(duì)較大，但由于理論限制，干式物鏡的na無(wú)法大于1。如果所選用物鏡na較小（na≤0.8），考慮到球差的存在，經(jīng)干式物鏡聚焦的單光束不足以在液體中形成穩(wěn)定的三維光阱，光場(chǎng)作用在被控微粒的梯度力通常小于散射力，盡管微粒尺寸在光鑷可捕獲范圍內(nèi)，但是光輻射壓力最終作用表現(xiàn)為將其推離光阱中心，無(wú)法實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定光鑷。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
1、本專(zhuān)利技術(shù)的
2、本專(zhuān)利技術(shù)解決上述問(wèn)題的技術(shù)方案是：一種差分光功率可調(diào)的雙光束光鑷系統(tǒng)，包括：線(xiàn)偏振激光模塊、擴(kuò)束模塊、差分光功率調(diào)節(jié)模塊、激光方位微調(diào)模塊、雙光束聚焦模塊、第一光功率檢測(cè)模塊、第二光功率檢測(cè)模塊、成像模塊和照明模塊；
3、所述線(xiàn)偏振激光模塊調(diào)制激光光源輸出的激光為任意方向可調(diào)的線(xiàn)偏振光；
4、所述擴(kuò)束模塊用于將激光擴(kuò)束，確保激光入射物鏡時(shí)覆蓋其入瞳；
5、所述差分光功率調(diào)節(jié)模塊調(diào)節(jié)光阱z軸方向兩束對(duì)射聚焦激光光功率；
6、所述激光方位微調(diào)模塊調(diào)節(jié)激光光路，確保激光入射物鏡光軸方向與物鏡工作方向一致；
7、所述雙光束聚焦模塊用于生成三維捕獲的光鑷，實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒的操控；
8、所述第一、第二光功率檢測(cè)模塊用于檢測(cè)分束后的兩束激光光功率；
9、所述成像模塊和照明模塊用于輔助分束激光方位調(diào)節(jié)，觀測(cè)雙光束光鑷工作情況。
10、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專(zhuān)利技術(shù)具有以下有益效果：
11、1.采用一束激光光源進(jìn)行分束進(jìn)入相向的兩個(gè)低na平場(chǎng)物鏡中，克服了低na干式物鏡聚焦光束由于球差的影響無(wú)法在液體中生成三維光阱的問(wèn)題，使用無(wú)限遠(yuǎn)平場(chǎng)物鏡使得微粒有更大的操控空間；
12、2.激光光功率可由衰減片控制，偏振分光棱鏡與波片組成的差分光功率調(diào)節(jié)模塊可以改變?nèi)S光阱z軸方向勢(shì)阱力，進(jìn)而可操控微粒在z軸方向位置，同時(shí)光功率檢測(cè)模塊可以實(shí)時(shí)檢測(cè)分束后的激光功率；
13、3.可以通過(guò)調(diào)節(jié)兩個(gè)物鏡入瞳前的波片方向調(diào)制入射光為線(xiàn)偏振光，實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)雙折射微粒（如球霰石等）旋轉(zhuǎn)；
14、4.系統(tǒng)采用精細(xì)鏡架裝調(diào)反射鏡、二向色鏡和偏振分光棱鏡，保證了系統(tǒng)調(diào)節(jié)精度的同時(shí)，無(wú)電控模塊，系統(tǒng)簡(jiǎn)單，操作便捷。
15、綜上，本專(zhuān)利技術(shù)針對(duì)較低na無(wú)限遠(yuǎn)平場(chǎng)物鏡無(wú)法實(shí)現(xiàn)單光束光鑷的問(wèn)題，設(shè)計(jì)了一種光軸方向（激光傳播方向）差分光功率可調(diào)的雙光束光鑷系統(tǒng)；包括線(xiàn)偏振激光模塊、擴(kuò)束模塊、差分光功率調(diào)節(jié)模塊、激光方向微調(diào)模塊、雙光束聚焦模塊?、光功率檢測(cè)模塊、成像模塊和照明模塊。擴(kuò)束后的激光經(jīng)偏振分光棱鏡分束后分別進(jìn)入兩個(gè)相向物鏡入瞳，通過(guò)調(diào)節(jié)偏振分光棱鏡、反射透鏡和二向色鏡，使對(duì)射光束中心重合形成三維光阱；調(diào)節(jié)波片方向可以改變差分光束光功率，即光軸方向光阱力可調(diào)，從而實(shí)現(xiàn)操控微粒在光軸方向的位置，同時(shí)在波片的作用下，可以調(diào)制入射光為圓偏振光以實(shí)現(xiàn)雙折射微粒（如球霰石等）旋轉(zhuǎn)；光鑷工作區(qū)通過(guò)工業(yè)相機(jī)成像，可以實(shí)時(shí)觀測(cè)微粒捕獲狀態(tài)，相較于基于高na?(na>1.25)物鏡單光束光鑷，本專(zhuān)利技術(shù)具有操作空間大、光軸方向光阱力可調(diào)的特點(diǎn)，長(zhǎng)焦平場(chǎng)物鏡工作時(shí)無(wú)需外增介質(zhì)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)便捷、成像清晰、長(zhǎng)時(shí)間工作穩(wěn)定可靠，具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。
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1.一種差分光功率可調(diào)的雙光束光鑷系統(tǒng)，其特征在于，包括：線(xiàn)偏振激光模塊、擴(kuò)束模塊、差分光功率調(diào)節(jié)模塊、激光方位微調(diào)模塊、雙光束聚焦模塊、第一光功率檢測(cè)模塊、第二光功率檢測(cè)模塊、成像模塊和照明模塊；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種差分光功率可調(diào)的雙光束光鑷系統(tǒng)，其特征在于，所述線(xiàn)偏振激光模塊包括激光光源、光衰減片、第一起偏器、第一波片，激光光源采用單縱模半導(dǎo)體激光器，出射激光經(jīng)第一起偏器和第一波片調(diào)制，使得激光為P光或S光，激光總功率由光衰減片控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種差分光功率可調(diào)的雙光束光鑷系統(tǒng)，其特征在于，所述擴(kuò)束模塊包括第一平凸透鏡和第二平凸透鏡組成的平凸透鏡組，所述擴(kuò)束模塊對(duì)激光進(jìn)行兩倍擴(kuò)束，其直徑能夠覆蓋物鏡入瞳。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種差分光功率可調(diào)的雙光束光鑷系統(tǒng)，其特征在于：所述差分光功率調(diào)節(jié)模塊由第二起偏器、第二波片和偏振分光棱鏡組成，反射后的擴(kuò)束激光經(jīng)第二起偏器變?yōu)榫€(xiàn)偏振光后，通過(guò)第二波片調(diào)節(jié)線(xiàn)偏振光偏振方向，不同偏振方向的線(xiàn)偏振光經(jīng)過(guò)偏振分光棱鏡后分成不同光功率的P光和S光，其總光功率不變；P光和S光之間的
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種差分光功率可調(diào)的雙光束光鑷系統(tǒng)，其特征在于，所述激光方位微調(diào)模塊包括第一反射鏡、第二反射鏡、第一二向色鏡、第二二向色鏡、偏振分光棱鏡、第一物鏡、第二物鏡，第一第二反射鏡、偏振分光棱鏡和第一第二二向色鏡均安裝于光學(xué)調(diào)整鏡架中，用于調(diào)節(jié)分束后的兩束激光入射物鏡方向與z軸平行，使得上下兩激光束光產(chǎn)生的光阱中心在垂直z軸面上重合。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種差分光功率可調(diào)的雙光束光鑷系統(tǒng)，其特征在于：第一第二物鏡采用長(zhǎng)工作距離平場(chǎng)無(wú)限遠(yuǎn)干式物鏡，兩個(gè)物鏡在z軸方向位置均能夠調(diào)，調(diào)節(jié)精度為微米級(jí)。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的一種差分光功率可調(diào)的雙光束光鑷系統(tǒng)，其特征在于：第一第二物鏡前安裝有第一第二波片，將輸入物鏡的激光由線(xiàn)偏振光調(diào)節(jié)為相向的圓偏振光，驅(qū)動(dòng)雙折射微粒旋轉(zhuǎn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求3所述的一種差分光功率可調(diào)的雙光束光鑷系統(tǒng)，其特征在于：所述成像模塊包括第一濾波片、第二濾波片，第三平凸透鏡和工業(yè)相機(jī)，第三平凸透鏡用于將無(wú)限遠(yuǎn)平場(chǎng)物鏡像面聚焦于工業(yè)相機(jī)焦面，第一濾波片、第二濾波片用于濾除激光。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的一種差分光功率可調(diào)的雙光束光鑷系統(tǒng)，其特征在于：照明模塊包括同軸光源和第四平凸透鏡，用于提供光照，第四平凸透鏡調(diào)整光源入射光場(chǎng)。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的一種差分光功率可調(diào)的雙光束光鑷系統(tǒng)，其特征在于：雙光束聚焦模塊包括樣品室，通過(guò)第一、第二物鏡匯聚的光在樣品室中產(chǎn)生三維光阱，樣品室固定于三軸位移平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)微米級(jí)三維位移操作。
...【技術(shù)特征摘要】
1.一種差分光功率可調(diào)的雙光束光鑷系統(tǒng)，其特征在于，包括：線(xiàn)偏振激光模塊、擴(kuò)束模塊、差分光功率調(diào)節(jié)模塊、激光方位微調(diào)模塊、雙光束聚焦模塊、第一光功率檢測(cè)模塊、第二光功率檢測(cè)模塊、成像模塊和照明模塊；
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種差分光功率可調(diào)的雙光束光鑷系統(tǒng)，其特征在于，所述線(xiàn)偏振激光模塊包括激光光源、光衰減片、第一起偏器、第一波片，激光光源采用單縱模半導(dǎo)體激光器，出射激光經(jīng)第一起偏器和第一波片調(diào)制，使得激光為p光或s光，激光總功率由光衰減片控制。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種差分光功率可調(diào)的雙光束光鑷系統(tǒng)，其特征在于，所述擴(kuò)束模塊包括第一平凸透鏡和第二平凸透鏡組成的平凸透鏡組，所述擴(kuò)束模塊對(duì)激光進(jìn)行兩倍擴(kuò)束，其直徑能夠覆蓋物鏡入瞳。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種差分光功率可調(diào)的雙光束光鑷系統(tǒng)，其特征在于：所述差分光功率調(diào)節(jié)模塊由第二起偏器、第二波片和偏振分光棱鏡組成，反射后的擴(kuò)束激光經(jīng)第二起偏器變?yōu)榫€(xiàn)偏振光后，通過(guò)第二波片調(diào)節(jié)線(xiàn)偏振光偏振方向，不同偏振方向的線(xiàn)偏振光經(jīng)過(guò)偏振分光棱鏡后分成不同光功率的p光和s光，其總光功率不變；p光和s光之間的功率差由第二波片進(jìn)行調(diào)節(jié)。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的一種差分光功率可調(diào)的雙光束光鑷系統(tǒng)，其特征在于，所述激光方位微調(diào)模塊包括第一反射鏡、第二反射鏡、第一二向色鏡、第二二向色鏡、偏振分光...
【專(zhuān)利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：全偉，吳健，范文峰，段利紅，鄭琦，
申請(qǐng)(專(zhuān)利權(quán))人：北京航空航天大學(xué)，
類(lèi)型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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