專利名稱：一種激光光鑷顯微鏡的制作方法
技術領域：
本發明屬于顯微光學和納米技術領域，更具體地涉及一種激光光鑷顯微鏡，適用于細胞、DNA、納米顆粒、納米結構的操控、搬運、測試、組裝、加工，以及顯微三維測量。
背景技術：
在生命科學、化學、納米科技等領域需要對微小物體，如細胞核、DNA鏈、分子基團、微機械結構等進行各種操控和測試，如搬運、切割、剝離、嫁接、注入、組裝、固化、激活、 熒光檢測、電泳檢測等，常見微觀操控手段包括機械探針、分子鉗、光鑷等，其中機械探針可以對細胞進行穿刺；分子鉗可以把細胞吸附在毛細管前端，定量測量細胞膜的離子通道；光鑷可以依靠聚焦光斑中劇烈變化的梯度光場捕獲并移動微小顆粒，同時還可利用高能光場誘導化學反應，進行固化、激活等(參見D.G.Grier，A revolution in optical manipulation, Nature, Vol. 424，pp. 810-816，2003)。其中光鑷無需任何機械接觸，在微小物體的操控測試領域具有廣闊應用前景。但目前各種產生光鑷的方法在聚焦精度、移動、定位精度與速度、光鑷數目等方面還未達到最理想狀態。例如采用顯微物鏡聚焦方式來形成光鑷，并通過精密機械移動光鑷，光鑷數目太少，機械定位精度和速度低，不利于復雜微觀操作。隨著全息技術和空間光調制器的引入，通過對光學波前的控制來制作陣列光鑷成為可能。但利用全息干板一般只能產生靜態光鑷，雖然光鑷的數目可增加很多，但如何動態移動光鑷，特別是按照任意路徑各自獨立地移動每一根光鑷非常困難，因為全息干板上的干涉條紋是固定的。利用空間光調制器雖然可以通過光學波前控制來動態產生和移動光鑷， 但精度還受到一定程度的限制，因為空間光調制器的每個像素的尺寸一般遠遠大于光學波長。
發明內容
本發明的目的是針對現有技術存在的上述不足，在于提供了一種聚焦精度高，定位準確的激光光鑷顯微鏡。為實現上述目的，本發明采用如下技術方案一種激光光鑷顯微鏡，包括鏡筒、圖像傳感器、顯微物鏡、可上下移動載物臺、載物基片、支架和用于產生激光光鑷并將光鑷聚焦到物體上的數字光學位相共軛裝置，鏡筒固定在支架上，可上下移動載物臺通過齒條連接在支架上，載物基片放置在可上下移動載物臺上，用于對放置在載物基片上的物體進行放大成像的顯微物鏡安裝在鏡筒的底部，用于記錄放大顯微圖像的圖像傳感器設置在鏡筒內并位于顯微物鏡上方。如上所述的載物基片為透明載物基片，數字光學位相共軛裝置放置在可上下移動載物臺的下方，使得數字光學位相共軛裝置產生的激光光鑷穿過載物基片后聚焦在物體上。如上所述的數字光學位相共軛裝置采用可調諧激光光源或可調強度激光光源。如上所述的圖像傳感器前面放置有濾波片。
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如上所述的圖像傳感器前面放置有光學衰減片。如上所述的載物基片通過折射率匹配液直接貼在數字光學位相共軛裝置的絕熱錐形光波導的細端。作為一種優選方案，一種激光光鑷顯微鏡，還包括半透半反鏡，半透半反鏡設置在鏡筒內，并位于顯微物鏡和圖像傳感器之間，半透半反鏡的反射面與顯微物鏡的光軸成45 度放置，數字光學位相共軛裝置設置在鏡筒的側邊，使得數字光學位相共軛裝置產生的激光光鑷經過半透半反鏡反射和顯微物鏡折射后從上方聚焦到放置在載物基片上的物體。與現有技術相比，本發明具有如下優點及有益效果1、提高光鑷的聚焦精度和定位精度；2、無需精密機械馬達，提高光鑷的移動速度；3、可增加光鑷數目，并對任意一個激光光鑷進行獨立操作，通過多個光鑷的配合實現高精度復雜微觀操作；4、可通過軟件進行數字控制，使用簡單，操作方便。本說明書中所用術語說明(1)數字光學位相共軛裝置它主要由激光光源、復振幅空間光調制器1、耦合器 2、絕熱錐形光波導3和光學鏡頭4組成，它基于光路可逆性原理實現光學波前的實時數字再構(如
圖1所示)，更詳細的原理參見發明(專利號ZL2006101M657. 4)中的解釋。本發明的原理光鑷實際上是一個聚焦在空中的光斑，從光斑中心向外光波場劇烈變化，而偶極子在梯度光場中會自動向強場方向移動，因此光鑷可以把微小顆粒囚禁在聚焦光斑中，如果光鑷位置發生移動，會帶動所囚禁的微小顆粒一起移動。既然光鑷只是一個聚焦光斑，光鑷的產生也就可以歸結為光學波前的重建。發明人的前一項發明“主動光學位相共軛方法及裝置(專利號ZL2006101M657.4)”提出了一種新的高精度光學波前實時數字重建方法，其基本原理基于光路的可逆性。該發明借助一個絕熱錐形光波導把復雜入射光波分解并逐步引導到一系列彼此互相隔離的單模光波導，然后采用空間光調節器在這些彼此隔離的單模光波導中再構出與輸入光波共軛的光波，這些共軛光波逆向通過同一絕熱錐形光波導，就可重建出與原始光學波前形狀完全相同的光波。一個數字光學位相共軛裝置，其結構如圖1所示。它主要由相干照明光源、復振幅空間光調節器1、耦合器2、絕熱錐形光波導束3和放大透鏡4組成，波長為λ的相干照明光源經過空間光調節器1的逐像素振幅和位相調節后，通過微透鏡陣列耦合器2進入絕熱錐形光波導束3的粗端，在彼此隔離的每根單模光波導中產生特定復振幅的共軛光場， 這些共軛光波逆向傳播，并從錐形絕熱光波導3的細端出射，再經放大透鏡4聚焦后，可在空間預定位置產生激光光斑。錐形絕熱光波導3的細端直徑一般在零點幾毫米到幾毫米， 可以直接放置尺寸較小的樣品，此時可去掉放大透鏡4，而且離錐形絕熱光波導3的細端越近，分辨率越高，即聚焦精度越高。一個數字光學位相共軛裝置工作前需要進行標定，即把單個激光點光源，或單個聚焦光斑從不同預定位置射向數字光學位相共軛裝置前端的放大透鏡4或直接射向錐形絕熱光波導3的細端，并測量從絕熱錐形光波導束3的粗端的每根單模光波導中出射的基模光場的復振幅，記錄備用。當需要在特定位置產生一個激光光斑時，調出預先記錄的針對該位置的基模光場的復振幅，對其取共軛，并通過復振幅空間光調節器2在每根單模光波導中產生上述共軛基模光場，基于光路可逆性原理，即可在指定位
4置重建出一個激光光斑，即激光光鑷。當需要同時產生許多個激光光斑時，利用系統的線性性，把針對每個激光光斑的復振幅累加再取共軛即可。計算分析表明，采用8位精度空間光調制器可同時產生1萬個以上激光光斑，且每個激光光斑的空間位置和強度獨立調節，這表明采用數字光學位相共軛裝置可以產生非常復雜的光鑷陣列，且每個光鑷的位置可獨立移動，通過相關控制軟件使得許多光鑷互相配合就可進行復雜納米手術，對DNA、細胞進行人工裁剪和改造，或對化學基團進行人工組裝、分離等。利用數字光學位相共軛原理產生激光光鑷的一大好處是精度高。由于光路的可逆性，它不存在普通光學透鏡系統的像差，僅受衍射極限的限制，其分辨率，也就是激光光鑷的最小聚焦直徑可用下式表示，
權利要求
1.一種激光光鑷顯微鏡，其特征在于包括鏡筒(6)、圖像傳感器(7)、顯微物鏡(8)、可上下移動載物臺(9)、載物基片(13)、支架(14)和用于產生激光光鑷并將光鑷聚焦到物體 (10)上的數字光學位相共軛裝置(5)，鏡筒(6)固定在支架(14)上，可上下移動載物臺(9) 通過齒條連接在支架(14 )上，載物基片(13)放置在可上下移動載物臺(9 )上，用于對放置在載物基片(13)上的物體(10)進行放大成像的顯微物鏡(8)安裝在鏡筒(6)的底部，用于記錄放大顯微圖像的圖像傳感器(7)設置在鏡筒(6)內并位于顯微物鏡(8)上方。
2.根據權利要求1所述的一種激光光鑷顯微鏡，其特征在于所述的載物基片(13)為透明載物基片，數字光學位相共軛裝置(5 )放置在可上下移動載物臺(9 )的下方，使得數字光學位相共軛裝置(5)產生的激光光鑷穿過載物基片(13)后聚焦在物體(10)上。
3.根據權利要求2所述的一種激光光鑷顯微鏡，其特征在于所述的數字光學位相共軛裝置(5)采用可調諧激光光源或可調強度激光光源。
4.根據權利要求3所述的一種激光光鑷顯微鏡，其特征在于所述的圖像傳感器(7)前面放置有濾波片(11)。
5.根據權利要求3所述的一種激光光鑷顯微鏡，其特征在于所述的圖像傳感器(7)前面放置有光學衰減片(12)。
6.根據權利要求4或5所述的一種激光光鑷顯微鏡，其特征在于所述的載物基片 (13)通過折射率匹配液直接貼在數字光學位相共軛裝置(5)的絕熱錐形光波導的細端。
7.根據權利要求1所述的一種激光光鑷顯微鏡，其特征在于還包括半透半反鏡(15)， 半透半反鏡(15)設置在鏡筒(6)內，并位于顯微物鏡(8)和圖像傳感器(7)之間，半透半反鏡(15)的反射面與顯微物鏡(8)的光軸成45度放置，數字光學位相共軛裝置(5)設置在鏡筒的側邊，使得數字光學位相共軛裝置(5)產生的激光光鑷經過半透半反鏡(15)反射和顯微物鏡(8)折射后從上方聚焦到放置在載物基片(13)上的物體(10)。
全文摘要
本發明涉及一種激光光鑷顯微鏡，包括鏡筒、圖像傳感器、顯微物鏡、可上下移動載物臺、載物基片、支架和用于產生激光光鑷并將光鑷聚焦到物體上的數字光學位相共軛裝置，鏡筒固定在支架上，可上下移動載物臺通過齒條連接在支架上，載物基片放置在可上下移動載物臺上，用于對放置在載物基片上的物體進行放大成像的顯微物鏡安裝在鏡筒的底部，用于記錄放大顯微圖像的圖像傳感器設置在鏡筒內并位于顯微物鏡上方。本發明提高光鑷的聚焦精度和定位精度；無需精密機械馬達，提高光鑷的移動速度；可增加光鑷數目，并對任意一個激光光鑷進行獨立操作，通過多個光鑷的配合實現高精度復雜微觀操作。
文檔編號G02B21/32GK102436063SQ20111032254
公開日2012年5月2日 申請日期2011年10月21日 優先權日2011年10月21日
發明者李志揚 申請人:李志揚