光镊轴向阱位操控及器件安装误差对径向阱位操控的影响

光镊利用光学梯度力捕获和操控微小粒子,已经成为深入研究生物分子间相互作用等微观机制的独特技术.光镊光束操控系统一般由扩束输入镜、扩束输出镜、调焦透镜、耦合透镜和压电转镜等光学元器件组成,以保证物镜后瞳充满的前提下实现光镊阱位操控.光镊阱位的三维精确操控是实现光镊位钳和力钳模式的基本条件.本文根据矩阵光学,对基于无穷远校正显微镜的光镊操控光路进行计算,分析扩束输入镜、调焦透镜和物镜轴向位置调整,以及压电转镜、调焦透镜和耦合透镜安装位置误差对光镊径向阱位操控精度的影响,得到了物镜高度调整基本不会影响光镊径向位置操控,压电转镜和调焦透镜的安装位置误差对光镊径向阱位操控精度影响最大等结论,提出了能够实现径向阱位精确操控的轴向阱位动态操控范围,为光镊设计和操控提供理论和实验指导.     

小型化可调光镊设计

光镊利用强会聚激光对微粒产生的梯度力来捕获微粒,可以进行无损、远程操控,同时具有皮牛精度的测力特性,已经成为物理学、生命科学和胶体化学等研究领域中不可缺少的研究工具。光镊效应可以表现微小的光子动量和角动量,是物理学的重要教学工具。本文根据高斯光束传播和变换规律,设计具有稳定捕获性能的最小化光镊,并给出了典型参数。光镊系统由捕获激光、光束耦合系统、倒置生物显微镜和大数值孔径物镜组成,成像系统由物镜、摄影目镜和CCD相机组成。本光镊系统具有紧凑特性,同时通过保持物镜后瞳充满度来实现稳定捕获。在该最小光镊系统上,可以根据用户需求增加光镊阱位操控系统、刚度调节系统和其他辅助设备以满足不同操控要求,可以很好地满足科研和教学需求。     

轴向多光阱微粒捕获与实时直接观测技术

传统的光镊技术使用单个物镜同时进行光学捕获与显微成像,使得捕获与成像区域被限制在物镜焦平面附近,无法同时观察到沿光轴方向(即Z向)捕获的多个微粒.本文提出一种轴平面(XZ平面)GerchbergSaxton迭代算法来产生沿轴向分布的多光阱阵列,将轴平面成像技术与光镊结合,实现了沿轴向对二氧化硅微球的多光阱同时捕获与实时观测.通过视频分析法测量了多个二氧化硅微球在轴向光镊阵列中的布朗运动,并标定了光阱刚度.本文提出的轴向多光阱微粒捕获与实时观测技术为光学微操纵提供了一个新的观测视角和操纵方法,为生物医学、物理学等相关领域研究提供了一种新的技术手段.     

聚焦透镜的像散对光阱力的影响

根据里查德-沃耳夫矢量积分公式,研究了径向偏振光通过具有像散的大数值孔径物镜后在焦点附近的光阱力。着重研究像散对轴向和横向光阱力的影响。研究结果表明,像散的存在导致了光阱力的势垒减弱,光阱中心的偏移,甚至是改变了有效捕捉区域,这将严重影响了光镊的轴向和横向对粒子的捕捉。通过对改变数值孔径的大小和孔径与光腰的比值,以及对不同大小的粒子捕捉效果的对比,可以改变像散对粒子捕捉影响的程度,从而改善像散对光阱力的影响,这对于光镊等精密仪器的操作是十分必要的。     

聚焦高阶Bessel-Gauss光束重建的理论和实验研究

提出利用薄透镜元件对聚焦后的高阶Bessel-Gauss光束进行重建. 基于衍射理论, 分析了高阶Bessel-Gauss光束聚焦后的重建行为, 数值模拟高阶Bessel-Gauss光束经薄透镜聚焦再通过另一薄透镜重建的三维光场分布和截面光强分布图. 结果表明, 高阶Bessel-Gauss光束经单个薄透镜后产生中空的局域空心光束, 在焦点位置处为圆环, 尔后迅速发散; 在焦点后合适位置处放入另一薄透镜可矫正焦点后发散的光束, 使得其后光场不变, 仍满足Bessel分布; 实验结果与理论分析相符合. 研究结果对光镊、粒子捕获与操控具有一定的指导意义. 关键词： 衍射理论 传输矩阵 高阶Bessel-Gauss光束 重建     

基于低损光学相变和超透镜的可控多阱光镊

为提升光镊在三维空间中对粒子的捕获性能,本文设计和分析了新型的双阱和多阱超透镜光镊方案.首先基于低损耗相变材料Sb₂S₃设计了可控超透镜双阱光镊,并对两个半径为250 mm的SiO₂粒子所受光力进行了矢量横向分析和轴向分析.仿真实验结果表明,当Sb₂S₃在晶态下时,超透镜捕获的两个粒子的横向光阱刚度k_x分别达到了约25.7 pN/(μm·W)和37.4 pN/(μm·W),轴向光阱刚度k_z均约为10.0 pN/(μm·W);而当Sb₂S₃在非晶态下时,k_x和k_z值均降低到其对应晶态下的1/10,且此时粒子在z方向上不能被稳定捕获,从而实现了在三维空间中对粒子的可控捕获.进一步本文给出了阵列式的可控多阱光镊.通过调控相变材料Sb₂S₃的晶态和非晶态,能形成不同组合粒子的三维捕获方案.这些新型可控光镊可实现多...     

基于视觉原理和流体力学法的全息光镊三维光阱刚度测量

为了检测全息光镊的捕获能力,将基于视觉原理的光学测量系统用于全息光镊三维光阱刚度的测量.光学系统采用对称分布的双光源照射样品池,形成两个像点,通过跟踪像点位移获取被全息光镊捕获微球的三维位移信息.结合流体力学法测出本光学系统中单、双光阱的三维光阱刚度.实验结果表明:单光阱中,沿X、Y水平方向光阱刚度相差不大,而轴向光阱刚度落在水平方向的1/3~1/4范围;双光阱中,离光轴(即衍射中心)近的光阱其三维刚度要比距离光轴稍远的光阱要大,说明越靠近衍射中心,光的衍射效率越高,产生的光阱捕获能力也越强.     

有限远目标潜望镜光学系统设计

基于潜望镜的基本原理,设计了一种用于教学训练的对有限远目标成像的潜望镜,该潜望镜是将投影仪投射出的有限远的模拟目标经物镜前组准直成平行光,再分别经物镜后组与转向透镜前组组成的望远系统、转向透镜后组与目镜组组成的望远系统传递到人眼,实现单双目变换、准双目观察、光学测距等功能。该系统视场光阑与孔径光阑重合并设置于转向透镜组之间的平行光路中。系统经仿真验证及像质分析证明,各项性能指标均满足设计要求。     

泽尼克多项式校正全息阵列光镊像差的实验研究

像差会影响光镊对粒子的捕获效果. 全息阵列光镊中, 像差不仅来自光学元件, 由特定算法设计的光阱相位片也会在光路中引入像差. 本文通过液晶空间光调制器加载泽尼克多项式相位图, 对全息阵列光镊中由光栅透镜组型算法引起的像差进行校正. 结果显示: 利用三阶泽尼克多项式可有效消除光路中由光栅透镜组型算法引 起的慧差, 使得捕获2 μm聚苯乙烯小球的阵列光阱刚度提高了约40%; 对比不同项的像差校正结果发现, 全息阵列光镊中由算法引起的慧差 与光学元件引起的像差一样, 也会对阵列光阱的捕获效果产生较大影响; 同时根据一阶像差校正结果可得光栅透镜 组型算法对于一阶泽尼克像差具有鲁棒性. 实验结果表明, 对全息阵列光镊中由 算法引起的像差进行校正, 对于提高光阱的捕获效果和深化对算法特性的认识都具有重要意义.     

一种新颖的实现冷原子或冷分子囚禁的可控制光学四阱及其二维光学晶格

原子光学晶格为精确操控中性原子和研究某些基本物理问题提供了一种方法。提出了一种利用单光束照明余弦型振幅光栅与透镜组合系统实现冷原子或冷分子囚禁的可控制光学四阱新方案,计算了四阱的光强分布,讨论了从光学四阱到双阱或单阱的演化过程,并导出了光学四阱的几何参量、光强分布、强度梯度及其曲率与光学透镜系统参量间的解析关系,获得了四阱间距与光栅空间频率的关系。研究表明通过改变余弦光栅的空间频率即可实现从光学四阱到双阱或单阱的连续双向演化。     

光纤探针型近场光镊光阱力特性研究

基于动量守恒原理,结合麦克斯韦应力张量和三维时域有限差分方法,建立了近场空间内激光光镊对纳米微粒的光阱力计算模型.分析了光纤探针型近场光镊的近场分布以及操作纳米微粒时各轴向光阱力的分布情况,并探讨了光纤探针尖端的捕获尺寸、捕获位置和操作稳定性.结果表明:微粒应处于光纤探针针尖的近场空间内才可实现稳定可靠的纳米操作,不同尺寸的微粒具有不同的捕获效果,且随初始位置的不同微粒的捕获位置亦不同.计算结果为激光近场光镊纳米操作装置的设计和制造提供了理论基础.     

激光核聚变诊断设备双光束交汇瞄准技术研究

 针对惯性约束激光核聚变诊断设备的精确安装瞄准问题,提出一种新的基于双光束交汇瞄准系统。瞄准指示光学系统采用里斯特显微物镜结构,物像距为180mm,放大倍率为10倍,数值孔径为0.25。机械结构设计采用二维指向可调、沿瞄准指示光学系统光轴可以移动的三维调整机构。系统整体占用空间锥角为28°,小于设计要求极限30°。分析了系统的瞄准误差,结果表明该系统的瞄准精度可达到25μm。该系统瞄准精度有望在激光核聚变靶室得到广泛应用。     

采用超连续谱激光的双光束光纤光阱实验

以超连续谱激光器作为捕获光源,首次提出并搭建了超连续谱双光束光纤光阱实验系统,实现了聚苯乙烯微球的捕获和操控。通过改变光纤端面间隔和调整捕获光功率的方式精确控制微球的位置,采用CCD图像分析方法实现了微球位置的精确测量。对微球受限布朗运动下的位置变化进行傅里叶变换,计算得到功率谱,与理论功率谱函数拟合后求出了其光阱刚度。结果表明,捕获光束的功率为28 mW时,光阱刚度达到1.3×10-6N/m,高于相同实验条件下单波长光纤光阱的刚度。与传统采用单色光作为捕获光源的光镊系统不同,超连续谱双光束光阱系统利用其宽谱优势,通过研究被捕获微粒的散射光谱信息可获取其尺寸、折射率等物理特征参数。     

高斯光束与谐振腔基模模式光路谐振匹配的分析与校准

为了降低高斯光束与谐振腔耦合过程中失调量和失配量对基于无源谐振腔测量技术精度的影响, 采用高斯光束变换规律、模式耦合有关理论以及光束传播坐标变换等相关理论, 就失调量和失配量对基模耦合效率的影响分别进行分析和模拟, 并据此给出了一般情况下两个参考量同时存在时基模耦合效率的表达式. 分析表明: 失配量的存在主要影响激光器与谐振腔的耦合效率, 而对高阶模式的激发影响较小, 因此对谐振腔的衰减线型影响较小; 失调量的存在对谐振腔高阶模式的激发起主要作用, 给测量带来严重误差. 该结论为利用腔出射光信号来确定误调参量值的实验方案提供了依据. 因此, 在考虑光源光谱线宽的情况下, 就光源光谱线宽的特性提出两种装调校准方案: 基于法布里-珀罗干涉仪法和基于多维象限探测器探测谐振腔出射光的调节回路, 这将为分析基于无源谐振腔的相关技术测量误差来源以及实现测量系统的高精度装调提供理论指导.     

激光法红外热像镜组中心偏测量与调校研究

论述了多镜片成像光学镜组中心偏的理论表征 ,以及自准反射旋转法测量中心偏的原理。设计了用于红外光学镜组的中心偏检测系统。系统包括用于 8～ 14 μm红外光学系统中心偏测量的CO2 激光 ;可调焦望远镜 ;采用TGS热释电热像仪与计算机配合的数据读出及处理系统 ;径向跳动≤ 1μm ,轴向晃动≤ 1″的高精密基准轴工作台。系统测量中心偏精度为 :角度≤ 2″ ,线度≤ 0 .0 2mm。给出了中心偏数据处理程序。系统也可用于在线装校 ,更换光源 (用He Ne激光代替CO2 激光 )系统可用于 3～ 5 μm红外光学系统的测量。进一步改进并利用激光的相干特性 ,系统可实现中心偏测量精度≤ 1μm。     

基于偏振衍射色散共焦的光学元件轴向间距测量

光学元件轴向间距测量对精密光学系统的定位和装调具有重要意义。针对现有色散共焦测量系统中色散物镜结构复杂、色散范围小的问题,提出基于偏振衍射色散共焦的光学元件轴向间距测量方法,将传统折射共焦镜头几百毫米的轴向尺寸和复杂的装调需求简化为数毫米的单片镜,简化了系统结构。透镜间距和厚度测量实验表明,间距测量误差为10 μm。     

采用可见光源和分划板快速装调激光光路

 分析了激光测量光路的特点和装校要求,给出了采用可见光源、分划板装校激光光路的原理。以预放测量模块为例,介绍了装校的流程及装校中的注意事项,分析了装校所能达到的精度,并用内调焦望远镜进行了装校精度检查。结果表明,采用可见光源、分划板装校的激光光路透镜光轴正过心的偏心极限误差小于等于0.07 mm,光轴倾斜极限误差小于等于25″。     

CONSTRUCTION OF AN OPTICAL TWEEZERS—CALCULATION AND EXPERIMENTS

We report the construction of an optical tweezers system and the results of the trapping and the moving of living algal cells. Experimental study on trapping polystyrene spheres demonstrates the effects of the system parameters on the trap. The trapping forces on dielectric spheres are calculated using Ashkin's ray-optics model. The result shows that an objective with higher numerical aperture can build a more stable trap along axial direction than an objective with lower numerical aperture, though their transverse trapping forces are on the same order.