[发明专利]一种基于空间光调制器的双光束光镊系统

说明书

技术领域

本发明涉及光学仪器领域、微纳操作领域和分子生物学领域，具体涉及一种基于空间光调制器的双光束光镊系统。

背景技术

聚焦光束中，光束的梯度力和散射力会相互作用形成一个光势阱，当梯度力大于散射力的时候，这个梯度力势阱可以稳定的束缚米氏散射和瑞利散射范围的粒子，即光镊。为了产生足够的梯度力，通常采用大数值孔径的光学显微物镜将能量较高的激光束聚焦。为了消除光镊的系统噪声以及信号漂移，大多数光镊系统采用双光镊的设计来屏蔽环境噪音和布朗运动。采用差分探测的方法，隔离掉两个光镊的共同噪声，提高系统的稳定性。由于双光束光镊可以实现无接触的操控，同时有较高的稳定性，因此在分子生物学、化学以及微纳加工等领域有着广泛的应用前景。

现有的双光束光镊，大多采用机械结构实现双光束的操控。在第83期的《Review of Scientific Instruments》中，美国耶鲁大学的Yongli Zhang教授等人发表了《Combined versatile high-resolution optical tweezers and single-molecule fluorescence microscopy》的文章。虽然文章中采用一对扫描振镜和一对偏振分束镜的组合实现了双光束的操控，但这种结构利用扫描振镜的旋转实现光束的移动，会引入机械振动并且定位精度和速度都不高，无法实现高精度的操控。引入空间光调制器取代扫描振镜，实现光束的操控可以有效解决上述问题。在凌林等人的专利文献《三维光镊系统，公开号为CN102023379A》中利用空间光调制器，通过对激光波前的调制，实现了三维分布的光势阱。然而该系统存在以下缺陷：首先，虽然该系统通过光栅可以形成多个光势阱，但这种方法并不能调节单个光势阱的相对强度。这导致该结构的多光束光镊在某一时刻只能操控同一尺寸、同一折射率的微纳结构，大大限制了多光束光镊的应用范围；其次，这种结构的光镊利用空间光调制器只能对所有的光束进行相同的相位编码，无法对单个光束进行独立的调制；最后，采用光栅实现多光束的这种结构，由于每一个光束都来自相同的光源，实验过程中容易产生干涉现象，会影响最终的光势阱位置和相对强度，干扰实验精度。

发明内容

本发明针对之前空间光调制器应该在多光束光镊中无法对单个光束进行操控、精度较低、灵活性较差、没有通用性等诸多问题，提出了一种新型的基于空间光调职器的双光束光镊系统。该结构较为简单、紧凑，结合半玻片和空间光调制器可以实现双光束光镊中单个光束的波前编码和强度调制。

本发明可以利用单个激光光源，实现两个不同的光势阱，即光镊。此外，通过简单的增加器件，可以将双光束光镊拓展为多光束光镊，实现多光束光镊中每一个光镊的单独操控，大大提高多光束光镊的应用范围。

一种基于空间光调制器的双光束光镊，包括按照光路依次设置的激光器、第一望远镜系统、半波片、第一反射镜、空间光调制器、四分之一波片、聚焦透镜、第二反射镜、第二望远镜系统、物镜和样品台；

所述半波片用于调整接收的光束中水平偏振光和垂直偏振光的比例；

所述空间光调制器上设有加载有不同相位图信息的两个调制区域；

所述第一反射镜用将接收的光束反射至空间光调制器上对应的一个调制区域，实现一次相位调制；

所述光束经一次相位调制后经过所述四分之一波片、会聚透镜后被第二反射镜反射，再次通过会聚透镜、四分之一波片后，到达空间光调制器的另外一个对应的调制区域，然后依次经过第二望远镜系统、物镜到达所述样品台。

作为优选，所述激光器、第一望远镜系统之间设有光隔离器。本技术方案中，所述光隔离器能够使得激光器输出的激光只能单向通过，避免望远镜系统的反射光或散射光对激光器的影响。

作为优选，第一望远镜系统、第二望远镜系统均包括两个凸面向背设置且共焦的凸透镜。本发明中，所述第一望远镜系统扩束后激光束直径变大，发散角较小，在垂直于光轴方向的横截面内光强分布更均匀，更接近于平行光，有利于光束会聚形成更小的光斑。第二望远镜系统同样也会起到扩束准直的作用。

作为优选，所述激光器为红外波段激光器，平均输出功率为400mW或400mW以上。采用该技术方案，可以保证双光势阱在工作过程中，形成足够大的捕获力。作为进一步优选，所述激光器输出激光波长为1064纳米，平均输出功率为500mW，可以满足生物样品的测试。