一种俘获及探测复用的扫描光镊系统

摘要

本发明提供一种俘获及探测复用的扫描光镊系统，该系统在物镜后焦面共轭面扫描俘获光束形成扫描光镊；在物镜后焦面收集被俘获小球散射光斑，将物镜后焦面的光斑以共轭成像方式投影到四象限探测器上；俘获光路与探测光路通过半反半透平面镜复用光路；当颗粒偏离光阱中心时改变光斑的对称性，实现对颗粒位移的高精度探测；光镊扫描时颗粒在物镜后焦面光斑的共轭像中心位置的仍在探测器靶面上，从而实现对光束扫描光镊的位移探测。本发明简化传统扫描光镊的系统设计，同时保持在不同扫描位置的光镊探测，达到高精度探测的要求。

主权项

1.一种俘获及探测复用的扫描光镊系统，其特征在于：该系统将激光器（1）发出的俘获激光光束通过透镜组扩束到合适比例成近平行光束传播，该透镜组包括第一透镜（2）和第二透镜（3），经过计算机控制的扫描转镜（4）偏转光束；偏转的光束经过45度半反半透的镜片（7）反射到阱位透镜（9），由平行传播的光束聚焦在显微镜左侧通道中心共轭点C处；透射的部分激光用挡光板（8）遮挡；将显微镜内部左侧光口所对应的分光棱镜替换为针对激光45度全反射的二色镜（10）；扫描转镜所处位置A与显微镜物镜后焦面B共轭，光束经过光路中这些透镜后光束光斑大小与物镜后瞳大小一致，进入高数值孔径物镜（12）聚焦，这样就形成了扫描光镊；探测光束和俘获光束为同一激光束；光阱中颗粒的背向散射光都经过高数值孔径物镜（12）收集，沿俘获光束的光路原路反向传播；具体的为：经过物镜收集在B处的散射光斑经过第四透镜（11）和阱位透镜（9），成像在B处共轭面A’，直接用QPD探测A’光斑便实现对扫描光镊的探测；其中，在光路中，A和A’都与B为共轭成像关系，A和A’分别在阱位透镜（9）的焦平面；C为无穷远显微镜左侧通光孔的成像共轭点；位置a和位置b分别为物镜成像面上不同散射点；第三透镜（6）将A’光斑成像在四象限探测器靶面（5）上；对于俘获光路和探测光路中的具体透镜位置可用图3所示的等效光路表示。在设计具体光学参数时，假定探测器靶面、激光器准直出光的光斑和物镜后瞳孔径的一维尺寸分别为S₁、S₂和S₃；俘获激光束经过第一透镜（2）和第二透镜（3）的扩束比为M1；第三透镜（6）、阱位透镜（9）和第四透镜（11）的焦距分别为f₁、f₂和f₃；物镜放大倍率为M_obj；扫描器件角度扫描范围和分辨率分别为θ₀和Δθ，若系统设计时需要在显微镜视察内一维扫描范围为S₄，阱位透镜焦距f₂和扫描精度位移ΔS满足：$f_2=\frac{S_2{M}_{\mathrm{obj}}}{{\theta }_0}---\left(1\right)$ΔS＝S₄Δθ/θ₀。   ⑵由无穷远系统可知阱位透镜（9）和第四透镜（11）在C处共焦点，L₃=f₂+f₃，显微镜成像共轭面C为显微镜左侧通道中固定位置，第四透镜（11）是固定在显微镜内部的透镜，阱位透镜（9）和第四透镜（11）构成的扩束镜放大倍率为M₂=f₃/f₂，则激光器准直出光扩束比M₁=S₃/(S₂M₂)，由于光束扫描角度都很小，因此A点到阱位透镜（9）的距离L_A满足：$L_A=f_2+(f_3-L_4)/M_2^2.---\left(3\right)$其中，参数θ₀、Δθ、M_obj、S₂、S₃、f₃和L₄为固定值，S₄为设计的要求，则L_A的光程便可公式（3）所确定。