專利名稱：一種渦旋飛秒激光光鑷裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于光鑷控制技術，主要涉及一種使用渦旋飛秒激光作為光鑷光源的
裝直。
背景技術：
自Ashkin等人發(fā)明光鑷后，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。目前，光鑷技術的操控對象廣泛，從透明的電介質小 球、細胞、到不透明的材料如金屬微粒均可以實現直接操控，如專利ZL200610078632. 5。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、極高的時間和空間分辨率，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梯度力是脈沖式的。在脈沖寬度內，激光脈沖產生的光學力與光強有關，在激光脈沖峰值時刻產生的光學力達到極值，而在脈沖間隔內，微粒不受光學力的作用。飛秒激光脈沖所產生的橫向光學力和軸向光學力能抵消由于布朗運動引起的微粒中心偏移的影響，可實現對微粒的穩(wěn)定束縛。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穩(wěn)定捕獲，如專利ZL200420085210. 7。近年來許多技術工作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對多種微粒的操控，但是多數技術都局限于對微粒的捕獲和微粒整體的定向移動，不能實現微粒的自身旋轉，限制了應用范圍。
發(fā)明內容本實用新型的目的在于克服上述技術的不足，提出一種利用渦旋飛秒激光作為光源的光鑷裝置，達到實現對細胞、微粒等高精度、非接觸、無損傷操控，并可實現對微粒自轉操控的目的。本實用新型采用了如下技術方案加以實現一種渦旋飛秒激光光鑷裝置，在飛秒脈沖激光器種子光光路上依次配置光欄、衰減片和第一平面反射鏡，第二平面反射鏡配置在第一平面反射鏡反射光路上，在第二平面反射鏡反射光路上依次配置快門和第三平面反射鏡，在第四平面反射鏡反射光路上依次配置顯微鏡、顯微鏡載物臺和照明燈，導線將計算機分別與快門、顯微鏡載物臺、CCD相機連接，在第三平面反射鏡反射光路上依次配置渦旋光柵和掩模板，在掩模板上設置一個通孔，第四平面反射鏡配置在通過渦旋光柵衍射后得到的渦旋飛秒激光經掩模板選擇的一級渦旋飛秒衍射光光路上，且該一級渦旋飛秒衍射光光路的光軸與顯微鏡成像光路的光軸完全重合。飛秒脈沖激光器輸出的脈沖重復頻率大于70兆赫茲，脈沖寬度為120飛秒。顯微鏡載物臺為三維微位移平臺，其控制精度為0. I微米。本實用新型的主要優(yōu)點是可實現高重復頻率渦旋飛秒激光操控細胞和微粒；對于活性較大的細胞，與高斯型飛秒脈沖激光捕獲技術相比，渦旋飛秒脈沖激光光束的環(huán)形中空特點使得聚焦后的光斑分布仍為環(huán)形，更易于實現高精度、非接觸、無損傷操控，因而特別適合于生命科學領域研究。與普通高斯型激光光鑷技術相比，渦旋飛秒光束攜帶了軌道角動量能夠穩(wěn)定捕獲并旋轉操控氧化銅、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。

圖I是一種渦旋飛秒激光光鑷裝置的結構示意圖；圖2是圖I中渦旋光柵結構圖；圖中件號說明I、飛秒脈沖激光器、2、光欄、3、衰減片、4、第一平面反射鏡、5、第二平面反射鏡、6、快門、7、第三平面反射鏡、8、渦旋光柵、9、掩模板、10、第四平面反射鏡、11、顯微鏡、12、顯微鏡載物臺、13、照明燈、14、CXD相機、15、計算機。
具體實施方式

以下結合附圖對本實用新型最佳實施方案進行詳細描述。一種渦旋飛秒激光光鑷裝置，在飛秒脈沖激光器I種子光光路上依次配置光欄2、衰減片3和第一平面反射鏡4，第二平面反射鏡5配置在第一平面反射鏡4反射光路上，在第二平面反射鏡5反射光路上依次配置快門6和第三平面反射鏡7，在第四平面反射鏡10反射光路上依次配置顯微鏡11、顯微鏡載物臺12和照明燈13，導線將計算機15分別與快門6、顯微鏡載物臺12、C⑶相機14連接，在第三平面反射鏡7反射光路上依次配置渦旋光柵8和掩模板9，在掩模板9上設置一個通孔，第四平面反射鏡10配置在通過渦旋光柵8衍射后得到的渦旋飛秒激光經掩模板9選擇的一級渦旋飛秒衍射光光路上，且該一級渦旋飛秒衍射光光路的光軸與顯微鏡11成像光路的光軸完全重合。飛秒脈沖激光器I輸出的脈沖重復頻率大于70兆赫茲,脈沖寬度為120飛秒。顯微鏡載物臺12為三維微位移平臺，其控制精度為0. I微米。作業(yè)過程是，飛秒脈沖激光器I的種子光源經渦旋光柵8衍射出的渦旋飛秒激光光束作為光鑷光源。從飛秒脈沖激光器I輸出的光脈沖為線偏光，其重復頻率為76MHz，脈沖寬度為120飛秒。調節(jié)一級渦旋飛秒衍射光光束方向，使其光軸與顯微鏡11成像光路的光軸完全重合，將飛秒渦旋激光耦合進入顯微鏡11中。在顯微鏡11中，渦旋飛秒脈沖激光與顯微鏡成像光路逆向傳播，經高倍的顯微鏡11緊聚焦，形成渦旋光學勢阱。利用三維微位移平臺的顯微鏡載物臺12控制顯微鏡載物臺12上樣品池中的目標微粒，將其移進飛秒渦旋激光的光學勢阱內，實現對目標微粒的穩(wěn)定捕獲和旋轉操縱。借助于顯微鏡11主體的照明燈13，可監(jiān)測渦旋飛秒激光光鑷操控微粒的過程，通過CXD相機14和計算機15顯示并記錄操作過程。按照上述過程，將渦旋飛秒脈沖激光光束耦合進入顯微鏡11中后，將收集的人體血細胞融合入氯化鈉溶液中，置于顯微鏡載物臺12上。在顯微鏡11下觀察選擇一個紅細胞作為目標，對選中的目標施加渦旋飛秒脈沖激光，實現穩(wěn)定捕獲。由計算機15控制顯微鏡載物臺12的前后和左右移動可以相對平移目標細胞相對周圍環(huán)境的位置，實現了二位平面內的自由操控，由顯微鏡11目鏡或通過CCD相機14對整個操控過程進行實時觀察。將黑色氧化銅粉末置于裝有蓖麻油的樣品池，置于顯微鏡載物臺12上，在顯微鏡11下觀察氧化銅微粒，選擇一個形狀較規(guī)則氧化銅微粒作為目標。對選中的氧化銅微粒施加飛秒渦旋激光脈沖實現穩(wěn)定捕獲。氧化銅微粒屬于吸收性粒子，飛秒渦旋激光束的軌道 角動量會轉移給氧化銅微粒，微粒能夠克服外界的阻力矩發(fā)生定向周期性旋轉。
權利要求1.一種渦旋飛秒激光光鑷裝置，在飛秒脈沖激光器(I)種子光光路上依次配置光欄(2)、衰減片(3)和第一平面反射鏡(4)，第二平面反射鏡(5)配置在第一平面反射鏡(4)反射光路上，在第二平面反射鏡(5)反射光路上依次配置快門(6)和第三平面反射鏡(7)，在第四平面反射鏡(10)反射光路上依次配置顯微鏡(11)、顯微鏡載物臺(12)和照明燈(13)，導線將計算機(15)分別與快門(6)、顯微鏡載物臺(12)、CCD相機(14)連接，其特征在于在第三平面反射鏡(7)反射光路上依次配置渦旋光柵(8)和掩模板(9)，在掩模板(9)上設置一個通孔，第四平面反射鏡(10)配置在通過渦旋光柵(8)衍射后得到的渦旋飛秒激光經掩模板(9)選擇的一級渦旋飛秒衍射光光路上，且該一級渦旋飛秒衍射光光路的光軸與顯微鏡(11)成像光路的光軸完全重合。
2.根據權利要求I所述的渦旋飛秒激光光鑷裝置，其特征在于飛秒脈沖激光器(I)輸出的脈沖重復頻率大于70兆赫茲，脈沖寬度為120飛秒。
3.根據權利要求I所述的渦旋飛秒激光光鑷裝置，其特征在于顯微鏡載物臺(12)為三維微位移平臺，其控制精度為0. I微米。
專利摘要一種渦旋飛秒激光光鑷裝置屬于光鑷技術；該裝置以飛秒激光顯微操作系統(tǒng)為核心，將飛秒脈沖激光器輸出的種子光經過光欄、衰減片、全反射平面鏡等器件的調整傳輸至渦旋光柵，通過渦旋光柵衍射得到渦旋飛秒激光，經掩模板選擇一級衍射光，使其光軸與顯微鏡成像光路的光軸完全重合，將渦旋飛秒激光耦合進入顯微鏡中；本裝置實現了高重復率渦旋飛秒激光脈沖對細胞、氧化銅、三氧化二鐵等微粒的穩(wěn)定捕獲和旋轉操控，具有穩(wěn)定性好、結構簡單等優(yōu)點，且能夠更好的實現高精度、非接觸、無損傷操控，為微機械馬達等微納器件操作的集成提供可能，可以廣泛應用于微控制領域。
文檔編號G02B21/32GK202522760SQ20122007761
公開日2012年11月7日 申請日期2012年2月25日 優(yōu)先權日2012年2月25日
發(fā)明者冉玲苓, 曲士良, 王積翔, 石宏新, 郭忠義 申請人:黑龍江大學