单光束光镊系统&全息光镊系统

概述

光的本质是一种携带能量和动量的电磁波，当电磁波与物体发生相互作用时，其能量和动量均发生变化。当光与物质发生相互作用时，通常会伴随着动量的交换，而动量的交换就会表现为光与物体之间的相互作用力。所谓光镊就是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学势阱。与传统镊子夹持物体时需与物体接触并施加相对压力的工作方式不同，光镊是使物体受到光的梯度力束缚，然后通过移动光束来实现对的物体捕获、迁移。

光镊对粒子的捕获过程，实际上是动量守恒原理的体现。简单的说，光镊就是用一束高度汇聚的激光形成的三维势阱来俘获，操纵控制微小粒子。自诞生以来，光镊技术已经实现微米尺度量级粒子的操纵控制；并且在光电教学实验、生物医学、胶体物理、原子物理等领域被广泛应用。

系统工作原理

激光器发出的细激光束经扩束系统扩束成粗激光束后入射到二向色镜上；然后经二向色镜反射进入显微物镜，经显微物镜聚焦后进入样品池；样品池放置于XYZ三维精密位移台上，可实现样品在X，Y，Z三轴方向上的精细位移；与此同时，下方的LED照明光源经准直镜准直，反射镜反射后入射到二向色镜上；照明光源透过二向色镜并经物镜后聚焦到样品池而实现对样品的照明；最后被照明的样品成像于CMOS相机模块，通过CMOS相机可以观测到激光与样品，调节使之处于共焦；调试完成后，开启激光、照明光源、CMOS相机及软件，缓慢移动三维平移台，便可实现和观察光镊的捕获效果。

光镊系统的原理光路图如下图所示：

光镊系统原理光路图

单光束光镊系统产品

本光镊系统可实现可见光波段，红外波段微米级稳定捕获，在生物医学、胶体物理、原子物理等领域被广泛应用。

单光束光镊系统产品实物图

光镊系统产品规格说明表

特点

系统紧凑，易于集成，可以满足各种应用和需求；

硬件设备留有光电一体化模块，可灵活实现多光束，多波段集成升级；

自主研发模块结构及光电驱动系统，可提供多种捕获类型的产品。

实验效果

单小球捕获

全息光镊

基于SLM全息光镊通过计算机实时加载与转换全息图像，使得在物镜焦区得到预期的光场，从而可对阵列中任意光阱的微粒进行独立动态操控。本全息光镊系统，具体原理图如下所示。

全息光镊系统示意图

全息光镊技术通过调制入射光波前可以产生具有特殊模式的光阱，如拉盖尔高斯光束、贝塞尔光束和艾里光束等，此可以完成对微粒的旋转、输运与分选等功能操作。

应用领域

作为非侵入型的力学操控系统，光镊可以应用于细胞生物学、气溶胶科学、物理化学等交叉学科的基础研究，包括细胞微环境的改变、形变拉伸、微粒力学参数的测量等等。也可以将光镊与图像识别结合，做到自动捕获粒子和分拣；将光镊与光学显微镜相结合，可以量化细胞、分子的动力学特性，在细胞生物学中有巨大的研究空间。

审核编辑 黄宇