[發明專利]一種基于塔爾博特效應的新型全息光鑷系統

有效

• 申請號: 201110125640.1
• 申請日: 2011-05-13
• 公開（公告）號: CN102162908A
• 公開（公告）日: 2011-08-24
• 發明（設計）人: 任雪暢;王燦輝;劉國華;劉守;張向蘇
• 申請（專利權）人: 廈門大學
• 主分類號: G02B21/32
• 分類號: G02B21/32;G21K1/00;G02B5/32
• 代理公司: 廈門南強之路專利事務所 35200
• 代理人: 馬應森

技術領域

本發明涉及激光全息光鑷，特別涉及一種基于塔爾博特效應的新型全息光鑷系統。

背景技術

光鑷技術是一種利用光與物質間動量傳遞的力學效應而形成的三維梯度光陷阱來捕獲和操縱微小粒子的工具，在分子生物學、實驗原子物理和膠體化學等領域中發揮了極其重要的作用。隨著多光阱操控技術在眾多的實驗研究和應用中顯得越來越重要，光鑷儀器由最初的單光鑷逐漸演化出了多種類型的多光鑷，如雙光鑷、掃描光鑷、飛秒光鑷、全息光鑷等。其中全息光鑷由于其在多粒子操控方面的優勢，為光鑷技術走向實用化、規模工業化打開了新局面。全息光鑷是利用全息元件構建的具有特定功能的光強梯度分布場而形成的多光鑷，所采用的全息元件通常為衍射光學元件(DOE)或空間光調制器(SLM)，其優點在于不僅可實現多種功能的光阱，而且可實現三維光阱陣列，可同時對多個微粒進行捕獲、操縱和分選等操作。傳統全息光鑷的缺點在于所采用的衍射光學元件或空間光調制器的衍射效率很低，激光能量利用率低下，并且由于全息光鑷所形成的光陷阱數量多，激光能量須分配到每個光陷阱上，因此為了滿足每個光阱的捕捉能力，往往需要配備昂貴并且難以維護的大功率激光器。這已經成為制約全息光鑷進一步發展和走向實用化的瓶頸。在傳統的全息光鑷技術中，使用空間光調制器的全息光鑷還有另外一個缺陷：對捕獲的微粒進行操縱需要進行大量復雜的傅立葉全息圖的計算，因此傳統全息光鑷系統往往需要配備高性能的計算設備，并且光阱移動系統復雜，操作技能要求高，這進一步增加了全息光鑷系統的成本，限制了全息光鑷的推廣應用。

本申請人在中國專利ZL200610122343.0中公開一種可方便制作高質量大面積光子晶體的無透鏡光學裝置。設有激光器、擴束空間濾波器、組合光學元件和全息記錄干版，擴束空間濾波器設于激光器的光束輸出光路上，組合光學元件設于擴束空間濾波器的輸出光路上，全息記錄干版放置于干涉區域。組合光學元件以硬質不透明材料為基板，在基板上設置有3個對稱排列的全息圖，全息圖之間相隔120°并與基板中心有相同距離。基板上設有3或4個孔，3個孔環繞基板中心對稱排列，3個孔之間相隔120°并與基板中心有相同距離；另1個孔設在基板中心。

發明內容

本發明的目的在于針對上述現有技術的不足，提供一種結構簡單，可操作性強的基于塔爾博特效應的新型全息光鑷系統。

本發明設有激光器、第1透鏡、第2透鏡、反射鏡、全息元件、倒置顯微鏡、CCD圖像傳感器和計算機；第1透鏡和第2透鏡依次前后設于激光器的激光光束輸出端與反射鏡之間，激光器、第1透鏡和第2透鏡同光軸，激光器發出的激光經過第1透鏡和第2透鏡，第1透鏡和第2透鏡的初始位置使焦點重合，通過微調第1透鏡與第2透鏡之間的距離以控制激光光束聚焦點的位置，使激光光束聚焦點落于全息元件上；微粒置于倒置顯微鏡的置物臺上，通過調整倒置顯微鏡的置物臺與全息元件的距離，使微粒落于全息元件的塔爾博特自成像的位置上；通過CCD圖像傳感器觀察微粒，CCD圖像傳感器的信息輸出端接計算機，用于圖像的分析和處理。

所述激光器可采用功率可調的氬離子激光器。所述第1透鏡和第2透鏡均可采用具有較高數值孔徑的透鏡，所述具有較高數值孔徑的透鏡可采用40倍的顯微鏡物鏡，其數值孔徑為0.65。所述全息元件可采用二維周期性微結構元件。

微粒的操縱可通過引入結構或者透過率可變的全息元件，例如空間光調制器，通過改變全息元件的結構或者透過率來實現。

本發明基于塔爾博特效應的產生梯度力光阱的方法，是一種基于這種方法的的新型全息光鑷系統，以解決傳統全息光鑷成本昂貴，計算復雜等問題。

本發明通過使用塔爾博特效應實現全息光鑷，有效突破了衍射效率的瓶頸，省去了復雜繁瑣的傅立葉全息圖的計算。由于突破了衍射效率的瓶頸，全息光鑷所需要的激光的功率大大減低，從而不需要配備昂貴且難以維護的大功率激光器，降低了全息光鑷系統的成本。由于省去了復雜繁瑣的傅立葉變換全息圖的計算，且無需配備昂貴的計算設備，因此不僅進一步降低了成本，而且系統緊湊穩定，使得全息光鑷有望走出實驗室，實現產業化。