[发明专利]一种同时演示光衍射效应和力学效应的装置

说明书

本发明涉及一种同时演示光衍射效应和力学效应的装置。该装置包括沿光路由激光器、第一薄透镜、第二薄透镜、第一45度全反射镜、第二45度全反射镜、二色镜、显微物镜、样品池和载物台构成的光镊系统和沿光路由照明光源、载物台、样品池、显微物镜和二色镜构成显微成像系统。激光束经过物镜之后，由于物镜出光口的尺寸很小，光束发生衍射，在样品池载玻片上能观察到衍射环光斑。另外，由于物镜的数值孔径很高，经过物镜强会聚后的每条激光衍射亮条纹，可以对微米颗粒施加光梯度力，将颗粒束缚于亮条纹中。本发明可以将微米颗粒按激光衍射图案有序排列，对直观理解光衍射效应和力学效应具有较高的展示度，对理解光镊形成的机理也具有重要意义。

技术领域

本发明属于光学技术领域，具体涉及演示光衍射效应和力学效应的装置。

背景技术

光具有能量和动量，光的动量是光的基本属性。携带动量的光与物质相互作用，它们间会有动量的交换，从而表现为光对物体施加力，作用在物体上的力可引起的物体运动，称之为光的力学效应。光力学效应的典型应用是光镊技术。1986年，Ashkin等人利用一束强会聚激光束实现了对生物细胞的三维捕获。这一发明被称为单梯度力光阱或光镊。光镊技术的发明丰富和推进了光学领域的发展，彰显出了它独特而不可替代的作用。

光在传播过程中，遇到障碍物或小孔（窄缝）时，它有离开直线路径绕到障碍物阴影里去的现象。这种现象叫光的衍射，可以分为单缝衍射、圆孔衍射、圆板衍射等。光镊中捕获物镜的通光孔是个小孔，因此捕获光从物镜出射时会发生衍射。

现有技术中，演示光力学效应常用的技术是三维光镊技术，演示衍射效应常用光束经过小孔后观察衍射光斑。但是，两种光学效应的演示都是分开，需要使用两种不同的设备。目前还没有能够同时演示光的衍射效应和力学效应的系统。

发明内容

为了实现同时演示光衍射效应和力学效应，本发明提供一种同时演示光衍射效应和力学效应的装置。

一种同时演示光衍射效应和力学效应的装置包括激光器1、显微镜，所述显微镜包括显微物镜7、样品池11、载物台8和照明光源9，照明光源9位于显微镜的载物台8的下方；

与激光器1的出光口对应依次设有第一薄透镜2、第二薄透镜3和第一45度全反射镜4，与第一45度全反射镜4对应设有第二45度全反射镜5，与第二45度全反射镜5对应设有二色镜6；所述二色镜6呈45度角，二色镜6的出光端对应着显微镜的显微物镜7，与二色镜6的出光端相反一侧设有相机10；

其中沿光路由激光器1、第一薄透镜2、第二薄透镜3、第一45度全反射镜4、第二45度全反射镜5、二色镜6、显微物镜7、样品池11和载物台8构成光镊系统；

沿光路由照明光源9、样品池11、显微物镜7和二色镜6构成显微成像系统；

用于演示光衍射效应时，将一片载玻片放置在载物台8上；激光器1发出的基模高斯光束通过第一薄透镜2和第二薄透镜3的扩束，经过第一45度全反射镜4和第二45度全反射镜5将光束抬高，平行光束被二色镜6反射进入显微成像系统的显微物镜7，在样品池11的底面形成衍射环，通过显微成像系统观察光衍射效应，并通过CMOS相机10拍摄该衍射环；

用于演示光力学效应时，样品池11放置在载物台8上，样品池11内放入微米小球悬浮液；激光器1发出的基模高斯光束通过第一薄透镜2和第二薄透镜3的扩束，经过第一45度全反射镜4和第二45度全反射镜5将光束抬高，平行光束被二色镜6反射进入显微成像系统的显微物镜7，在离样品池11的底面高度5-100微米处，可以捕获直径为1-10微米聚苯乙烯颗粒，并通过CMOS相机10拍摄被捕获的微粒；