一种基于光栅莫尔条纹的阵列光镊

本发明涉及光学操控技术领域，更具体地说，涉及一种基于光栅莫尔条纹的阵列光镊。

背景技术：

光镊就是如同传统机械镊子一样能挟持和操纵微小物体的工具，其基于光和物质之间动量传递来实现对微纳米尺寸颗粒的捕获和操纵。光镊由于其温和的非机械接触的方式而在微米到纳米尺度对单个微粒操控有独到之处，故在胶体物理、生命科学和微流体等领域得到广泛应用。

在面对多细胞、多分子的操控时，在微观环境中仍然使用单焦点进行光捕获控制操控不是个高效的选择，为了实现更复杂、多样化的功能和更高的自由度，光镊由最初的单光镊到多光镊，并且各种技术相结合，形形色色的新型光场光镊不断呈现。

现有技术中，多光阱阵列产生的主要方法包括分时复用法、分离光路法和动态全息光镊。其中，分时复用法是当单个激光束以足够快的速度分时复用产生不同位置的焦点时，实现对多微粒的光学捕获；分离光路法是把激光光束分成两个光束，如双光束干涉实现光场的强度的再分配；动态全息是将计算机设计好的全息图加载到空间光调制器上，可以生成任意复杂的光场形式，并能实现动态调节。

但是，上述现有技术所述的方法，组装的装置结构复杂，成本昂贵，操作难度大，甚至对于样本的不同需要对装置进行更换，不能满足普通实验人员的需求。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种基于光栅莫尔条纹的阵列光镊，结构简单，搭建成本低，易于操作，可以在样品台上产生光斑数目和大小可调的多光阱阵列，并对多个样品进行捕获并操纵。

本发明的技术方案如下：

一种基于光栅莫尔条纹的阵列光镊，包括依次设置的激光光源、产生莫尔条纹的光栅系统、物镜、样品台，激光光源发出的激光经光栅系统产生莫尔条纹，将莫尔条纹引入物镜，经物镜聚焦至样品台上的样品池，在样品池中生成多光阱阵列，实现对微粒的捕获和操纵。

作为优选，光栅系统包括依次设置并互相重叠的主光栅、指示光栅，主光栅的栅线与指示光栅的栅线之间的夹角通过调整主光栅或指示光栅的角度或位置进行调整。

作为优选，激光光源发出的激光入射至主光栅、指示光栅，透过主光栅、指示光栅后形成固定周期的交变光，产生莫尔条纹。

作为优选，主光栅与指示光栅之间产生相对运动时，透过的激光光强进行明暗交替变化，指示光栅相对于主光栅移动n个小节距时，莫尔条纹对应移动n个条纹间隔，实现对多个粒子的操纵。

作为优选，激光光源与光栅系统之间设置有扩束准直系统，激光光源发出的激光经扩束准直系统进行扩束整形后，再入射至光栅系统。

作为优选，光栅系统与物镜之间还设置有望远系统，莫尔条纹经望远系统照射至物镜。

作为优选，光栅系统与望远系统之间还设置有二向色反射镜，莫尔条纹经二向色反射镜进行反射，再入射至望远系统。

作为优选，还设置驱动装置，分别控制主光栅或指示光栅在其所在平面旋转或位移，进而调整主光栅的栅线与指示光栅的栅线之间的夹角。

作为优选，设置照明光源、分光镜、成像装置、分析系统，照明光源、样品台、分光镜依次排列设置；分光镜用于将莫尔条纹引导进入物镜，同时反射照明光源发生的照明光至成像装置，分析系统获取成像装置输出的光学影像，并进行处理与分析，得到分析结果；或者，根据分析系统获得的分析结果，反馈控制驱动装置调整主光栅的栅线与指示光栅的栅线之间的夹角。

本发明的有益效果如下：

本发明所述的基于光栅莫尔条纹的阵列光镊，利用光栅组产生的莫尔条纹所形成的阵列，用于多个微粒子的捕获与操控。工作过程中，样品池保持静止不动，微粒在环境中不会受到外界的影响，微粒会被莫尔条纹形成的光阱牢牢束缚并跟随其移动从而达到稳定操控的效果。莫尔条纹的放大倍率仅仅取决于两个光栅之间的角度，移动一个光栅节距莫尔条纹的一个周期，会在空间尺度上放大几百倍，在捕获和操纵过程中可以根据不同的精度和范围进行任意调整形成不同阵列。本发明中，莫尔条纹成周期性变化，便于仪器观察和消除随机误差。

本发明结构简单，搭建成本低，易于操作，利于商业化的推广。

附图说明

图1是本发明的结构示意图；

图2是光栅系统形成的横向莫尔条纹示意图；

图3是横向莫尔条纹在样品池中形成的点列阵的示意图；

图中：10是激光光源，11是扩束准直系统，12是光栅系统，13是二向色反射镜，14是望远系统，15是物镜，16是样品台，17是样品池，20是分光镜，21是成像装置，22是分析系统，23是照明光源。

具体实施方式

以下结合附图及实施例对本发明进行进一步的详细说明。

为了解决现有技术存在的不足，本发明提供一种基于光栅莫尔条纹的阵列光镊，如图1所示，包括依次设置的激光光源10、扩束准直系统11、产生莫尔条纹的光栅系统12、二向色反射镜13、望远系统14、分光镜20、物镜15(可采用较高数值孔径的显微物镜15)、样品台16、照明光源23，以及成像装置21(如cmos相机)、分析系统22(如pc机)，分光镜20与成像装置21、分析系统22依次排列设置。激光光源10发出的激光经扩束准直系统11进行扩束和准直整形后，再入射至光栅系统12；光束经光栅系统12产生莫尔条纹；莫尔条纹经二向色反射镜13进行反射，再入射至望远系统14；莫尔条纹经望远系统14照射至物镜15；将莫尔条纹引入物镜15，经物镜15聚焦至样品台16上的样品池17，在样品池17中生成多光阱阵列，实现对微粒的捕获和操纵。分光镜20用于将莫尔条纹引导进入物镜15；同时反射照明光源23发生的照明光至成像装置21，进而，本发明的捕获和操纵过程的图经透镜像传入成像装置21，图像信息被采集后，分析系统22获取成像装置21输出的光学影像，并进行处理与分析，得到分析结果。

本实施例中，扩束准直系统11为两个透镜组成的光束耦合器；望远系统14由两个透镜组合。光栅系统12包括依次设置并互相重叠的主光栅、指示光栅，主光栅的栅线与指示光栅的栅线之间形成一个较小的夹角，如图2所示。激光光源10发出的激光入射至主光栅、指示光栅，透过主光栅、指示光栅后形成固定周期的交变光，产生莫尔条纹，并在样品池17上形成多光阱阵列，实现对粒子的捕获。主光栅与指示光栅之间产生相对运动时，透过的激光光强进行明暗交替变化，指示光栅相对于主光栅移动n个小节距时，莫尔条纹对应移动n个条纹间隔，实现对多个粒子的操纵。本实施例中，主光栅和指示光栅的栅距(光栅节距)可以相等，也可以不相同，根据具体使用环境决定。

主光栅的栅线与指示光栅的栅线之间的夹角通过调整主光栅或指示光栅的角度或位置进行调整，以形成不同方向的莫尔条纹，从而改变阵列的形状，实现在微粒群里不同精度和范围的捕获，使其满足不同精度、不同范围的微粒个性化捕获要求。

本实施例中，调整栅线之间的夹角，得到横向莫尔条纹，形成横向排列的粒子捕获阵列，具体地，设p1表示主光栅的栅距，p2表示指示光栅的栅距，θ表示主光栅的栅线与指示光栅的栅线之间的夹角；则，当p1＝p2cosθ时，光栅系统12产生横向莫尔条纹，如图2所示(图中，b为莫尔条纹的宽度)，形成横向排列的粒子捕获阵列，如图3所示。

当调整指示光栅的位移时，可使莫尔条纹移动，实现阵列中捕获的多个粒子的移动。莫尔条纹将位移放大了倍，当莫尔条纹移动p2，则莫尔条纹移动一个莫尔条纹宽度，粒子群在阵列中稳定跟随莫尔条纹的光束移动。

为了实现对主光栅或指示光栅的角度或位置的调整，本发明还设置驱动装置(如电机，图中未示出)，分别控制主光栅或指示光栅在其所在平面旋转或位移，进而调整主光栅的栅线与指示光栅的栅线之间的夹角。所述的粒子捕获阵列可通过驱动装置驱动主光栅或指示光栅进行微偏转，使栅线之间的夹角进行微小变化，以实现阵列形状和精度的设置。

进一步地，根据分析系统22获得的分析结果，反馈控制驱动装置调整主光栅的栅线与指示光栅的栅线之间的夹角，实现主光栅或指示光栅的偏转和移动，以改变粒子捕获阵列。

上述实施例仅是用来说明本发明，而并非用作对本发明的限定。只要是依据本发明的技术实质，对上述实施例进行变化、变型等都将落在本发明的权利要求的范围内。