光镊原理.docx

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1、1.1 光镣技术简介光银是以激光的力学效应为基础的一种物理工具，是利用强会聚的光场与微粒相互作用时形成的光学势阱来俘获粒子的【4】。1969年，A.Ashkin等首次实现了激光驱动微米粒了的试脸。此后他乂发觉微粒会在横向被吸入光束（微粒的折射率大于四周介质的折射率）。在对这两种现象探讨的基础上，Ashkin提出J利用光压操纵微粒的思想，并用两束相向照耀的激光，苜次实现了对水溶液中玻璃小球的捕获，建立了第一套利用光压操纵微粒的工具。1986年，A.Ashkin等人又发觉，单独一束强聚焦的激光束就足以形成三维稳定的光学势阱，可以吸引微粒并把它局限在焦点旁边，于是第一台光镣装置就诞生了15,6：也因

2、此，光镶的正式名称为“单光束梯度力势阱（sing1.e-beamoptica1.gradientforcetrap）*由于运用光镒来捕获操纵样品具有非接触性、无机械质伤等优点，这使得光嫌在生物学领域表现出了突出的优势。这些年来，随着探讨的深化和技术的不断完善，光镒在生物学的应用对象由细胞和细胞器逐步扩展到广大分子和单分子等。目前，光镶常被用来探讨生物过程中的细胞和分子的运动过程【7/0】,也常被用来测量生物过程中的一些力学特征（11-I41.1.2 光镣的原理与特点众所周知，光具有能量和动量，但是在实际应用中人们常常利用r光的能量：,却很少利用光的动量。究其缘由，这主要是因为在生活中我们接触到

3、的自然光和照明光等的力学效应都很小，无法引起人们可以干脆感受到或视察到的宏观效应。而科学家们利用激光所具有的富亮度和优良的方向性，使得光的力学效应在显微镜卜显现了出来，在这里我们要介绍的光诳技术正是以这种光的力学效应为基础发展起来的。121光压与单光束梯度力光阱光与物质相互作用的过程中既有能量的传递，也有动量的传递，动量的传递常常表现为压力，筒称光压。1987年，麦克斯韦依据电磁波理论论证了光压的存在，并推导出了光压力的计算公式。1901年，俄国人11H列别捷夫用悬在细丝下的悬体实现了光压的试验测证【15】“此后，美国物理学家尼克尔、霍尔也分别测量了光压【16】20世纪70年头，人们起先探讨激

4、光的辐射压力,并发展了原子束的激光偏转【17、激光冷却【18】、光子粘团【19】等试脸技术。在宏观微粒的光压力探讨方面，由光悬浮发展到光捕获、光致旋转等【20】，1970年，A.Ashkin21首次实现了水溶液中的光悬浮。随后的一些探讨22-25最终导致f光镒的独创.通常光对物体的作用力都是推力。但是，在肯定条件下光也可以对物体产生拉力，或更般的，产生束缚力。这就牵涉到光对物体作用的梯度力。为了阐明梯度力的概念，以透亮介质,小球为例说明。如图1.1所示，一个透亮介痂小球处于一个高斯分布的非匀称会聚xXx光场中，小球的折射率大于四周介质的折射率。当会聚激光束照耀到微粒上时，激光发生折射和反射，也

5、包括一部分汲取.i/j被微粒反射和汲取的光作用就是光辐射压Xjy力,或者称散射力，其方向与光传播方向b一样，它趋向于使小球沿光束传播方向运动。与此同时，光束经过微粒会发生多次、A折射，有些会聚光线折射后传播方向更趋卜向于光轴（即光束传播方向），从而增大了/轴向动3t因而绐与微粒与光传播方向相ra反的作用力，表现为拉力，这就是轴向梯图唯光束梯度力光阱度力的木质，由于此拉力的作用，导致粒子在轴向可以稳定在激光焦点旁边。而微粒在横向的偏离，由于光场的非匀称性，也会受到指向激光隹点的回第力，即横向梯度力。在梯度力和散射力的共同作用下，微粒被稳定束缚在激光焦点旁边。这就是雌光束梯度力光阱。122光慑技术

6、的特点光镒是对单光束梯度力光阱的形象的称呼，因为它与宏观的机械镣子具有相像的操控物体的功能。但与宏观的机械镒子相比，或衣与传统的操控微纳米粒子的显微微针或原子力显微镜等相比，光镒具有不行比拟的优越性.光镣对微粒的操控是非接触的遥控方式，不会给对象造成机械损伤。这使得光殴在生物学探讨特殊是单细胞单分子探讨领域应用特别合适。首先，光镒捕获微粒的尺度在儿十纳米到儿卜微米，正好是生物细胞、细胞器以及生物大分子的尺度位围。其次，光镀的温柔操控不会损失细胞，虽然激光会产生热，但可以通过选择合适的波长,避开细胞对光的汲取波长，将热效应降到最低“另外，由丁大部分细胞膜是透亮的，光可以穿过细胞腺操控细胞内部微粒

7、，这是其他操控手段无法做到的。光摄不仅可以操控微粒，还可以进行微小力的测量，粒子偏离捕获中心的距离和其受到的回夏力成正比，类似与弹黄，在操控过程中能实时惬应俘获粒子的微小负荷。因此，光镣是极其灵敏的力传感蹲，其作为微小力的探针，可以进行细胞和生物大分子之间的相互作用的定量测显，进步揭示细胞的功能以及活动规律。3.2单个光镣的光路设计在我们设计的纳米光被系统中将配备多个光被。而每个光锚的光路设计都遵循相同的设计要求。即激光束从光源出射起先，到通过物镜形成光摄,中间所经过的耦合光路，要保证物优输出的光束会聚度最大、像差最小，形成的光镒捕获效果最好。为此要求物镜后瞳能被光束完全充溢，以便提高光镀捕获

8、性能。本节以HeNC激光光镶为例，具体探讨单个光镒的光路设计。UU图3.2：HeNe光领光路示懑图图3.2为HeNe激光光镣的光路简图.我们采纳的倒置显微镜的光路为无穷远系统，因此激光进入物镜后瞳时应是平行光束,显微镜中有个固定在镜体内的透镜一焦距15Omm的协助透使T.它必需作为光镜系统中的一部分参加到光路设计中。为得到球可能大的激光束会聚度，即油浸物镀数值孔径NA所许可的最大会聚角度，激光器输出的光束必需被扩束，以满意耦合光路对光束直径的要求。当物镜像恻的孔径（后瞳）被高斯光束恰当地照明时，光束将会被聚焦为衍射极限的焦斑.物镜出射光束的志向会聚角度4为126度，由&=巨=1.274可得叫S

9、Q志向束股5为363nm.本装置中运用了一个IOX（如图3.2,由透镜1.1.和1.2组成）扩束器。HeNe激光器发出的激光束直径为065mm,经过扩束后光束直径为6.5mm。该光束被焦距250mm的透镜1.3会聚到物平面的共匏面C（该平面的位置为显微镜左侧的CCD接收靶面的位置）上，然后通过CCD通道进入显微镜，被45度二向色反射镜反射，再经过协助透镜T后，变换为合适直径的平行光束进入物镜。的后瞳，在物境的物平面形成会聚点，在该点旁边形成了光梃。在实际光路的设计中，除了要保证物镜后瞳被光束充溢，我们还须要考虑下列状况：阱位与焦点位置并不一样.为保证被捕获的微粒能够清楚成像到观测平面上,激光束

10、经过物镜后的会聚点应适当偏离物平面，而使阱位落在物平面上。通常被捕获微粒的比重大于四周液体，因此要求阱位也即物平而在焦点之内。上面描述的光路和元件参数就是基于这样的考虑，经过试救测量确定的。我们变更了光路中HeNe光束的扩束状况，使激光束经过扩束镜后并不是平行光束，而透镀1.3和协助透镀T之间的距离也被变更，并不严格等丁该两枚透镜的焦距之和。最终到达物镜后腼处的激光束并不平行，光斑直径约为6mm,梢大于物镜后瞳（5mm）。光束的隹点落在物平面之外.保证了被捕获样品的清楚成像。保证J被捕获样品的成像状态和光镒的捕获性能，并且由丁进入物镜后瞳的光斑稍大,这就使得当入射激光束有少许偏转的时候,物镜后

11、瞳依旧能保持充溢，光锻性能受到的影响较小。出于光镶光路调整的须要，也是为了在必要时对阱位作横向调整，光路中还插入了两个可进行俯仰、左右二维询整的反射镜。同样，必要时可通过对扩束镜中透镜位置的纵向（激光传播方向）调整实现光银阱位在纵向的移动，这些将在后文中进行具体介绍。3.3 多光镜的光路设计在多光镀系统的设计中，耦合光路要能地将多个光镶有机地耦合在一起，而不影响它们的独立操控。目前所运用的多光镣装置，可以分为两大类。第一，单光镣的分时更用：这种方式是在单光钳的基础上，在光镶中加入一个光学扫描部件，使单光镶依次反第在多个位置间进行快速的切换”,力每一个位置都按次序运用激光光源的一个时间片段。例如

12、：光镜在初始位置捕获一个微粒，然后快速地切换位置,在另个位置抓住其次个微粒。按这种方式，当光镒经过若干位置后，重又回到原来的位置，只耍切换速度足够快，第一个微粒还没有来得及脱离光镣捕获区域，因此又会被重新稳定在捕获位置。如此反豆即实现了光镀的分时发用。这种方式的机械困难度较高，运用的时候在光饿扫描的路途上都可以实现捕获，即可以实现多个微粒的捕获：微粒间的距离不易精确限制，不易实现光镶间相对的困难操作。第二，多光束实现多光镶：这种方法思路简洁，每个光悔都由独立的光束形成。实现方法主要有如下几种：1.对某一激光束进行分束，可以是能量分束或偏振分束。能量分束是将激光束依据能量比例分成多束。不过由于它

13、们来源于同一激光束，分束后的激光具有好的相干性，简洁发生干涉，对光捕获不利。偏振分束是将激光束分成偏振方向相瓦垂直的二束光I”这种方法简洁易行、能量损耗低，得到的二束偏振光之间无干涉效应，并I1.也可以通过光学器件对分束后两束偏振光的能量比进行连续调整。该方法形成的双光镶稔定，但最多只能形成两个光钳：2.对同一激光束作位相变换，使激光束波前形成所须要的分布，最终可以在光场内形成多个光镣U网.目前已有科研人员采纳液晶位相变换器实现了多光错EM,光镣数域可以达到上百个。这种方法适应范围广，但代价较高：3.用多个激光器形成多个光微，即采纳不同波长的激光罂。这对光学器件镀膜的耍求较高，而且增大/光路的

14、困难度，因此不宜采纳过多的不同波长激光。我们采纳偏振分束和不同波长激光两种方法相结合来实现三光镀装置。图3.3为设计简图.作为基本设置，三个光镒既可以协同实现单个刚性微粒在空间的精确定位与定向；也可以用二个光镀操控一线形大分子、第三个光镣操控单个微粒，探讨它们间的相互作用：也可以独立操控三个微粒，探讨它们的相互作用。三个光镣可以同时操作，也可以相对操作，它们的相互协作能够实现各种困难的操作组合，足以满意实际应用中的不同需求。（在设计上也为今后扩展为具备更多个光镀的系统作了考虑。）VZPHe我们研制的纳米光镣装置运用了波长632.8nm的IIeNe激光和波长为81Onm的半导体激光二种不同波长的

15、激光源。HeNe激光形成的光镣主要用于定量测量,通常是固定不动的。其光路已在前小节探讨，这里不再赘述。另二个光摄由同一个半导体激光器输出的激光经偏振分束后的双光束分别形成。激光束先经过个可连续旋转的810nm的半波片，以调整光束中两个相互垂直的线偏振揖量的相对强弱，即可通过旋转该半波片变更分束后双光束的功率比。然后激光束被偏振分束棱优（PBSD分成水平偏振和垂直偏振两束线偏振激光。这两个光束经过各自的光路，在其次个偏振分束棱镜（PBS2）处汇合为束光。将其次块偏振分束梭镀用作光束的合成器的好处是，可以将这两束偏振方向相瓦垂直的线偏振激光几乎无能量损失（除了在一些界面上的反射损失）的汇合进一个光

16、路之中。然后双光束在二向色镜处与HeNC激光束汇合。二向色镜反射81Onm的激光，透射632.8nm的激光。上述三束激光一起经过协助透镜T后，变换为平行光束进入物镜。的后瞳，由同一物镜分别形成三个光镣。每个光镀都可以实现对微米尺度粒子的捕获与操纵.3.4 三维操控光镇最基本的操控是对被捕获微粒的定位和沿肯定轨迹以肯定速度的拖动，事实上就是对光锻阱位的操控。作为光镣操控系统的设计，首先要解决的问题就是依据实际应用的须要，选择合适的操控方式和驱动方法，实现对光银阱位的敬捷限制。对于我们研制的多光镣装置，还要考虑各光钳操控的独立性和相互协作的问题，即实现它们相对盛个装置的运动和它们之间的相对运动，以

17、便完成各种困难的操作动作。操控方式和动方法通常有二种不同的操控方式来实现粒子与四周环埴之间的相对运动。一种是光镶阱位（以及被它捕获的微粒）不动，四周环境（样品池）运动，也即对粒子而言是被动的操控：另种是前齐运动，后者不动，是主动的操控。第种操控方式：在拖动过程中，光场分布不变，因而光镶的性能始终保持不变，这有利于对微小力进行测量。但这种方式不能变更多光镣间的相对位置。其次种操控方式正好相反，拖动是轼激光束偏转扫描来实现的.该过程中，光场陵之有相应的变更，导致光镣性能有微小变更。与前一种方式不同，这种操控方式在多光镒的情形，可以敏捷变更该扫描光诳与其它光镀间的相对位置。在我们研制的装置中，二种操

18、控方式都被采纳,以适应不同应用探讨的要求,例如，HeNe光悔主要用作定量测坡，因此在试验中该光束通常是固定不动的，以保证它在测量过程中始终保持有好的光镒性能，所以它的操控就采纳被动方式。纳米光悔一作为一种单个生物大分子的操控以及在分子水平上探讨生命过程的技术手段，其操控定位精度当然要与分子的尺度相当。因此所选择的驱动方法必需保证操控能达到纳米精度。不同的驱动方法能达到的精度是不同的，行程也各不相同。例如用压电转镜或声光偏转器偏转光束，即通过主动方式实现被捕获微粒与四周环境的相对运动“也可用纳米精度的压电扫描驱动器移动样品池，即通过被动方式实现被捕获微粒和四周环境的相对运动。这些方法的操控精度都

19、可以达到或优于纳米，但行程较小。而步进马达仃较大的行程，但通常操控精度只能达到微米星级。光帽阱位的限制精度和行程不但和设备本身的性能有关，通常还与驱动机构在光路中的位置以及相应的光学设计有关。在限制系统的设计中，驱动机构的选择，须要综合号虑精度的要求、行程的大小、在光路中的位置、以及价格因素、另外，还须要便于计算机限制。我们采纳了亚纳米精度的压电扫描平台（P-517.3C1.PI.German）,作为被动操控的驱动机构.它的移动范用是100X100W20w”.压电扫描平台通过稳固的中间平台固定于显微镜机体上，作为样品平台。通过计算机限制该压电扫描平台带动样品池整体相对显微镜运动，也即限制液体环

20、境（随样品池相对于显微镜运动）相对于三个光镶及它们所捕获的粒子（相对于显微镜静止）的运动.也就是说，这一操作能够实现样品相对四周环境的纳米精度的移动，但不变更光镣间的相对位置，光镶性能也不发生任何变更.实现多个光镀之间的相对运动，则须要采纳主动方式，即运用光束扫描的方法，使某个光束形成的光镒可以相对别的光镒进行三维运动。我们称这样的光镒为扫描光镶（或动态光镶）.通常，光镒的纵向扫描和横向扫描是分别进行的。纵向扫描可以通过光路中，某个透镜的轴向（沿光束传播方向）移动来实现。而横向扫描是通过光束偏转来实现的。对于图3.4这样的基本光路，阱位平面（很靠近物镜焦平面）的共匏面为C平面（该平面位置.很靠

21、近显微镜设计中的CCD祀面位置）。光镣的横向扫描也就是光束焦点在C平面上的扫描。由于显微光路把物平面的物放大100倍到C平面“即物平面和C平面之间有10（）倍的关系.假如我们须要光错在物平面水平移动10微米，相应地，也就是要激光束在C平面的会聚点在该平面上移动1玄米。光镀的横向扫描主要有三种方式：移动透镜法，声光偏转法，旋转反射镜法。移动透镜法是通过光路中某个透镜的三维移动，导致激光束会聚点的三维图3.5：移动透镜法横向扫描示意图运动，即可自由操作光镀“如图3.5,平行入射的激光束被透镜1.3会聚到C平面，如上所述C平面为阱位平面的共匏面。通过对透镜1.3的三维谢整，可以实现该光锻的三维自由运

22、动。这种方法简洁便利，通过对个光学部件的谢整即可以实现设计要求，缺点是移动透镜法会仃较大的像差，精度较差，并且从后面的耦合光路设计中可以看出它将使物镜后麻处的激光光斑发生.偏离或者在该处的光斑直径发生变更，将导致进入物镜后瞳的激光光束发生变更，从而引起光镒捕获性能的变更.声光偏转法是利用声光效应偏转光束的。在光路中添加两个正交放置的声光调制器AoI和A02组合成AOD,通过调整其驱动电压可以实现对光束方向精确而快速的限制.这种方法操作精度高，可以实现特别精确的二维运动限制，重史性好，晌应速度快。其缺点是由于形成光钳的是一级衍射光束，光路调整比较困琲，并且激光功率的利用率过低。图3.6：向光偏转

23、法横向扫描示意图我们在最终建立的装置中采纳了第三种方法一旋转反射镜法.如图3.4所示，激光束被反射镜M反射后会聚在C平面上，然后由高数值孔径的显微物镜0会聚在阱位平面，形成光镒.通过对反射镜M偏转角度的限制就可以实现光微在水平面的二维移动.反射镜M由计算机限制的压电偏转器驱动，操作精度高，可以实现高精度的光镣操作和定位，而且能量损失很低。综上所述，我们在纳米光微系统中采纳了压电偏转镜装置来实现光镶在横向上（水平面方向）的二维操作，通过步进马达装将限制光路中某个透镜沿若激光传播方向进行移动，实现了光诳的阱位在轴向（垂直于水平面方向）的运动（在光路耦合部分将进行具体探讨）。这两种方法组合实现广光镣

24、的：.维操作。3.4.2主动操控方式下的光像光路设计光微的生动操控方式总是伴陵若光束在空间的变更。而在实际应用中，我们希望能够在采纳生动方式敏然操作光镒的同时，保证光镀的性能稳定，以降低对忒验操作的影晌。为了保证主动操控过程中光镣具有尽可能相同的捕获性能，就要求入射激光束在物镜后瞳处的状况尽可能保持相同或者变更不大。我们分别考虑在这样的要求下，光路设计上如何实现光镶横向和纵向操作。A.光镀在水平方向的移动光镶光路中，激光束在进入物镜后瞳前为准平行光束若该准平行光束以不同角度入射进入物镜后瞳，物镜出射激光束集点的位置也就不同，阱位就发生了变更。即通过限制偏转镜的偏转角度就可变更光镶在水平方向的位

25、置.为了在光束偏转的过程中尽量保证激光束在物镜后喊的充溢状态，可以让物镜后瞳平面和偏转镜反射面形成共赛ifii,这样当激光束被偏转镜M偏转一个微小角度（,激光束光轴始终经过偏转镀Y的中心），在物镜后瞳处的激光束传播方向将发生偏转，但是激光束在物镣后朦处的位置和尺寸战本不会发生变更，这样就保证了物镜后瞳处激光束的充溢状态。如图3.7,光路中物镜O和协助透镜T的距离4=90,协助透镜T的焦距为4=150w。若透镜1.3的焦距/；=300m,则T和1.3之间的距离%,=4+人=450叽。我们可以依据几何光学计算偏转镜M和会聚透镜1.3之间应有的距离D=A回；科-。代入以上数据即可以得到O=54（M1

26、.m.JTJ1.此时假如偏转镜M偏转伉，引起物镜后瞳处激光束偏转内，则z=-2宁4=一物物镜有效焦距=.5nun,得到相应的光微水平移动距离为Jrr=61.（）-,4我们采纳的压电转检（S-330.30,PI,German）的最小扫描精度为0.05即在样品平面可以实现0.3纳米的阱位操控精度，而其扫描范围为2”/,即在样品平面的扫描范围为12微米。这样的操作使该光镣可以相对其他光锻作纳米精度的扫描运动。并且由于偏转镜偏转时，没有给激光束带来任何沿光轴（Z方向）的变更，所以在物镜后瞳处的光束直径和位置都保持不变，光镣的捕获性能相基本不受到影响。B.光镒的纵向调整为实现光镣阱位纵向（沿激光传播方向

27、）上的操控，考察如卜光银光路图（图3.8）。可以看到，激光器出射光束经过第个无穷远系统（扩束镜组1.I,1.2）后，光束被扩束，然后再经过其次个无穷远系统（镜组1.3,T）,使光束以合适的直径通常为充溢物镜后瞳）入射到物镜，形成光被。图3.8：光镒在纵向的移动光路中两个无穷远系统均由正透镜组成，正透镀之间的距离为它们的焦距之和。当某个无穷远系统中两个透镜中的一个沿光轴作微小的移动，就使物镜后瞳处的激光束的会聚度发生微小变更,从而使物镜出射光束的焦点在纵向有移动，即变更了光镶阱位，实现了光镇的纵向调整。在调挖透镜实现光镣（阱位）的纵向调整时，也须要考虑如何使透镜在轴向运动的同时,保证物镜后瞳始终

28、被激光束充溢。由协助透镜T为显微镜的固定组件，因此假如通过调整会聚透镜1.3的位置来进行调整，必定会引起物镜后瞳处光斑直径的变更，不利于保持光殴的捕获性能不变。所以通常并不实行这种方式来实现纵向调整，即不变更透镜1.3和T的位置。而调整第一个无穷远系统中的1.1.或者1.2透镜，也可以实现光镜阱位的纵向调整。此时物镜后瞳和偏转镜面近似是共和面，假如能让激光束在偏转镜上的光斑直径与光束的公聚或发散状况无关，则物镜后瞳的充溢状态也不会发生变更.在上图中，若透镜1.1.和1.2之间的距离为。t”，透镜1.2和压电偏转镜之间的距离为。CM，假如入射到1.I上的激光束直径为,，则在压电偏转镜处的激光束械

29、面直径九=W-一）（AM一人）a明显，当OW=人，有d”=SJ1.即当压电转镜放冏在距离我次枚透镜1.2的距离等与1.2的焦距时，我们可以通过调整1.1.沿光轴方向的位置来实现光镶阱位的纵向调整，此时压电转镜上的光斑尺J始终保持不变，即意味着进入物镜后瞳的光束直径不发生变更，保证了在纵向调整时间镣性能受到的影响较小。若透镜1.1.位置变更Ah，则光撮阱位的纵向位移为z=|十I代入上述各透镜的焦距可知，为了使阱位移动精度达到纳米，透镜1.I移动精度应优于10微米.因而可以选用这一精度的步进电机来实现这二个光镶纵向阱位的操控。实际装概中，我们采纳了两台由计修机限制的步进电机，分别限制二路半导体光慑

30、光路中相应透镜的轴向移动，以实现这两个光镒纵向阱位的操控。在上述参数下，且透镜1.2的焦隹和1.3的焦距相等的时候，由于步进电机的精度为10微米，行程为5cm,也即阱位移动的精度达到1纳米，行程为5微米。依据上述设计，本系统能够保证光镒的三维自由操作达到纳米精度，且光悔的性能保持稳定。3.5 其它影响因素在理论设计基础上，我们选取了合适的多光诳方案、操作限制方案和各种基本光路设备与限制设备.但是为具体实现纳米光镶装置，还须要考虑如下几个因素的影响：光路布局的影响为了实现各种功能，光路中还添加各种光学器件，例如环形器件、光强调整部件等，并且预置了光隔离器等部件的扩展空间，它们也是光路设计的重要因

31、素，光锻操作范围和操作精度的要求作为纳米光镶系统，它对微粒的操作、定位精度均可达到纳米量级。但在实际应用时，多数状况下还须要该装置在保证肯定精度的状况下,能够供应尽量大的操作范围。而通常操作精度较面的时候，操作范围就会受到限制，所以我们要依据具体探讨的要求，综合考虑操作精度和范围，以选取合适的光路设计。作为光微操作的被动方式，其操作精度和范用完全由用电扫描平台说定，其操作精度为亚纳米，范围为100X1.ooW”X20”。而主动操作方式，即通过压电转镜实现的光微平面扫描，其精度和范围不仅受到设备本身的限制(用电转镜(S-330.30,PI,Gernan)的最小扫描精度为005扫描范围为2”),而

32、且还受到光路设计布局的影响。从上节提出的光路设计，可以知道通过被动方式在样品平面可以实现03纳米精度的阱位操控，其扫描范围为12微米，很明显在这种状况下，扫描精度高，但扫描他国过小，给试验带来了困难.如图3.7,为了提高动态光做的扫描范闹，依据理论设计，必需增大透镜1.3的焦距。依据上文分析,偏转镜M和会聚透镜1.3之间的距高D=卜W*%1.frJt将会明显的增大。例如假如要将操作范用从上文设计的12微米提高到36微米，此时扫描精度将为Inm0则透镜1.3的焦距人=900，”，须要O=A丝Ya1.A=3060W”,明显光路过长，给光路布同带来了困难。3.6 好用化的纳米光镣系统光路依据上述设计

33、时所要考虑的各种因素，我们结合试验工作的要求设计了如卜的纳米光镒光路。A:810nm.150mW半导体强光器;B810nm半波片：C:整形梗钱；D:810nm.45度全反馈：E:81Onm.偏嫌分光植镇；F:5x1.TH;1.3:f,75Omm透耀，H:810nm45度全反短压电培康:1:81Onmfe透633nm45度全反说1.1f-100mm三t;1.2:f=250mmaW：1.3:f300mmi8tt;N:633nm.10mWHe-Ne1.tjS;R:灰度衰减片；1.3:f=250mmaW.Q:633nm,810nm45度全反其余波长地透分束镇.1.44三150mm;0：显微镜100倍物

34、镜.NA-1.30.65mm纳米光镒系统光源及耦合光路图图3.9：纳米光会系统光源及耦介光路图图3.9为我们最终采纳的，好用化的纳米光镒光路设计方案。该设计中，为扩展动态光锈的扫描范围，保证多光镒操作的性能，在光路设计中变更了压电偏转镜的位置，并且相应的变更了一系列光路参数。该设计主要思想是通过牺牲激光功率的利用效率，来提高光镶的生动操作性能，主要是扩展光镀的操作葩隹I。因为在大多数的应用探讨中，激光器功率已经足够满意试验须要，不成为限制因素。反而为了试验的便利，须要光镣可以进行较大范围的操作.而且在该光路中，主要的定量测址工作均由稳定的、固定的HeNe光镜实现；半导体双光镜主要作为实现操作和

35、定位的光学机械手，即在肯定程度上，只要它们能够实现程定的捕获就满意了试验要求。半导体激光器出射的激光先经过一个大数值孔径的透镜，被准直成椭圆极面的平行光束，再通过一个半波片，然后被推形棱镜将其窄边扩展为原来的3倍，使光班成为直径5间左右的近回形光班，激光束随即被第块偏振分束棱镜分成水平偏振和垂直偏振两个光束。第一束激光经过5X的扩束系统，然后被焦距750mm的会聚透镜将光束会聚，再经过压电偏转镜，在其次块偏振分束棱镜处和其次束半导体激光汇合，然后通过反射镜引入显微镜形成光镀。其次束半导体激光束在被分束出来以后，先经过2.5X的扩束系统，然后被焦距30011的透镜会聚，在其次块偏振分束棱镜处和第

36、一束半导体激光重合，再被引入显微镜形成其次个半导体光镣“HeNe激光器出射激光束首先经过IOX的扩束镜组，然后被会聚透镜会聚，再在二向色镜I处和二路半导体光束汇合。最终该光束被引入显微镜形成HeNc光镶，作为主要的测量和定点光镣.在一个半导体光镣光路中采纳了压电偏转镜来实现光镶的纳米精度的水平扫描和定位。在该设计中，压电扫描转镜现在在光路中的位置，使动态光镒的水平扫描范围提高到了32微米，扫描步长为0.5纳米。但此时压电扫描转镜和物镜后瞳不再是共和面，所以扫描过程中，入射到物镜后瞳的激光束将发生位置变更。为f尽fit减小这种影响，我们让人射到物铺后瞳的光束直径略微大于物镜后朦，使得在该处的光斑

37、即使由于激光束偏转而发生了位置,变动，也能锵充溢物镜后瞳，以保证光微的性能基本不变。通过试脸测量，当光蹑位置到达扫描极限时，光镶捕获性能要比它在原始位置时下降约20V30,通过上面的设计，我们实现了精确的主动光诳扫描，和光镀的被动操作方式相结合，该多光镒系统已经足以满意大多数试验的须要，般不须要再在其次条光路中也采纳类似的主动操作方式，但是明显其次条光路也完全能扩展为主动扫描光镣，可依据具体试验要求进行调挖。光镶的纵向调整是通过步进电机限制光路中某个透镜的轴向位置来实现的.二路半导体光摄均实现了阱位的纵向自动限制。其中一个光路，步进电机限制该光路1.1.透镜的轴向位置，其光路布局接近志向设计，

38、因此轴向位置变动对物镜后瞳处光斑的影响很小，依据图中参数和步进电机参数可以计算得到光镖阱位的纵向调整范围为35m”,另个光路中,步进电机限制的是该光路1.3透镜的轴向位置，其纵向阱位调整葩围为5?，尽管这样变更了物镜后腼处的光斑大小，但是变更的也比较微小，结合物镜后瞳处光婀稍大于物镜后瞳的设计，在多数状况下，对光微性能的影响可以忽视。综上所述，我们实现了纳米光镒系统中多光摄的三维操作设计，结合其他协助手段，该装置可以实现困难的微米量级样品的各种操作，操作定位精度可以达到纳米星级。在设计中，为了弥补激光束在物镜后瞳处位置偏离和光即直径变更带来的对光镶性能的影响，物镜后赚处的光斑被扩大，这样虽然降低了激光器的功率利用效率，但是使光钳性能对由于光路偏转而带来的影响具有肯定的容错实力。3.7总结在纳米光蹑系统的光路设计中，我们考虑了激光器、显微镜等基础部件的特性，选择了合适的部件：并且对实现光镣的基本要求、多光镶的设计、光镣的三雄操作功能的实现进行了综合探讨.结合具体的试验条件，建立了具符：.光镒的纳米光镀系统的光路部分，可实现对微米小球的纳米精度定位与操作。