[发明专利]一种基于塔尔博特效应的新型全息光镊系统

说明书

技术领域

本发明涉及激光全息光镊，特别涉及一种基于塔尔博特效应的新型全息光镊系统。

背景技术

光镊技术是一种利用光与物质间动量传递的力学效应而形成的三维梯度光陷阱来捕获和操纵微小粒子的工具，在分子生物学、实验原子物理和胶体化学等领域中发挥了极其重要的作用。随着多光阱操控技术在众多的实验研究和应用中显得越来越重要，光镊仪器由最初的单光镊逐渐演化出了多种类型的多光镊，如双光镊、扫描光镊、飞秒光镊、全息光镊等。其中全息光镊由于其在多粒子操控方面的优势，为光镊技术走向实用化、规模工业化打开了新局面。全息光镊是利用全息元件构建的具有特定功能的光强梯度分布场而形成的多光镊，所采用的全息元件通常为衍射光学元件(DOE)或空间光调制器(SLM)，其优点在于不仅可实现多种功能的光阱，而且可实现三维光阱阵列，可同时对多个微粒进行捕获、操纵和分选等操作。传统全息光镊的缺点在于所采用的衍射光学元件或空间光调制器的衍射效率很低，激光能量利用率低下，并且由于全息光镊所形成的光陷阱数量多，激光能量须分配到每个光陷阱上，因此为了满足每个光阱的捕捉能力，往往需要配备昂贵并且难以维护的大功率激光器。这已经成为制约全息光镊进一步发展和走向实用化的瓶颈。在传统的全息光镊技术中，使用空间光调制器的全息光镊还有另外一个缺陷：对捕获的微粒进行操纵需要进行大量复杂的傅立叶全息图的计算，因此传统全息光镊系统往往需要配备高性能的计算设备，并且光阱移动系统复杂，操作技能要求高，这进一步增加了全息光镊系统的成本，限制了全息光镊的推广应用。

本申请人在中国专利ZL200610122343.0中公开一种可方便制作高质量大面积光子晶体的无透镜光学装置。设有激光器、扩束空间滤波器、组合光学元件和全息记录干版，扩束空间滤波器设于激光器的光束输出光路上，组合光学元件设于扩束空间滤波器的输出光路上，全息记录干版放置于干涉区域。组合光学元件以硬质不透明材料为基板，在基板上设置有3个对称排列的全息图，全息图之间相隔120°并与基板中心有相同距离。基板上设有3或4个孔，3个孔环绕基板中心对称排列，3个孔之间相隔120°并与基板中心有相同距离；另1个孔设在基板中心。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提供一种结构简单，可操作性强的基于塔尔博特效应的新型全息光镊系统。

本发明设有激光器、第1透镜、第2透镜、反射镜、全息元件、倒置显微镜、CCD图像传感器和计算机；第1透镜和第2透镜依次前后设于激光器的激光光束输出端与反射镜之间，激光器、第1透镜和第2透镜同光轴，激光器发出的激光经过第1透镜和第2透镜，第1透镜和第2透镜的初始位置使焦点重合，通过微调第1透镜与第2透镜之间的距离以控制激光光束聚焦点的位置，使激光光束聚焦点落于全息元件上；微粒置于倒置显微镜的置物台上，通过调整倒置显微镜的置物台与全息元件的距离，使微粒落于全息元件的塔尔博特自成像的位置上；通过CCD图像传感器观察微粒，CCD图像传感器的信息输出端接计算机，用于图像的分析和处理。

所述激光器可采用功率可调的氩离子激光器。所述第1透镜和第2透镜均可采用具有较高数值孔径的透镜，所述具有较高数值孔径的透镜可采用40倍的显微镜物镜，其数值孔径为0.65。所述全息元件可采用二维周期性微结构元件。

微粒的操纵可通过引入结构或者透过率可变的全息元件，例如空间光调制器，通过改变全息元件的结构或者透过率来实现。

本发明基于塔尔博特效应的产生梯度力光阱的方法，是一种基于这种方法的的新型全息光镊系统，以解决传统全息光镊成本昂贵，计算复杂等问题。

本发明通过使用塔尔博特效应实现全息光镊，有效突破了衍射效率的瓶颈，省去了复杂繁琐的傅立叶全息图的计算。由于突破了衍射效率的瓶颈，全息光镊所需要的激光的功率大大减低，从而不需要配备昂贵且难以维护的大功率激光器，降低了全息光镊系统的成本。由于省去了复杂繁琐的傅立叶变换全息图的计算，且无需配备昂贵的计算设备，因此不仅进一步降低了成本，而且系统紧凑稳定，使得全息光镊有望走出实验室，实现产业化。