光阱位置操纵系统的研究
1 引 言
由于可实现对生物样品的非接触、无损伤操纵及可进行微作用力、微小位移的定量测定等优点,光镊已引起人们的热切关注,作为一种新兴的技术手段正日益广泛地在生物医学研究领域得到广泛的应用[1-2]。为了配合我国生物医学工作者开展这方面的工作,我们进行了光镊系统的研制工作。
人们已从不同的角度对光作用力的理论[3-5]及光镊系统[6-8]进行了研究。捕获在光阱中的样品将随光阱位置的变化而移动。在生物研究过程中,经常需要精确地移动和控制生物样品位置,特别是在双光镊操作系统中,不仅需要对每个光阱的位置进行精确而灵活的操纵,同时还需精确定量地控制和改变两个光阱间的相对距离。此外,对光阱位置进行有效而精确的操纵还是定量测定生物作用力、微小位移的前提,所以研制性能可靠的光阱位置操纵系统具有十分重要的实际意义。
平移反射镜实现光阱位置的横向操纵已有文献[2]提及,但未对其机理给以具体说明,也未对保证光阱质量的条件加以论述。本文首先对光镊系统的构成进行了简要的介绍,然后对平移反射镜及转动反射镜实现光阱位置横向操纵的机理进行了详细的阐述和比较。此外,本文还对光阱位置操纵过程中保证光阱质量不变的条件进行了具体的分析和说明。
2 光镊系统的构成
我们采用波长为λ=632.8nm的He-Ne激光器,在LEICA DMIRBE倒置研究型显微镜的基础上构建了可对样品进行三维操纵的光镊系统。图1中,卤钨灯、C1、C2组成科勒照明系统以在样品面获得均匀的照明场;透镜L1、L2构成激光扩束系统;透镜L3、T焦点重合;若忽略激光的发散,物镜O接收的激光为平行光束,平行激光束经物镜会聚而形成光阱。在我们的系统中透镜L1、L2、L3、T及物镜O的焦距分别为f1=50mm,f2=40mm,f3=200mm,fT=200mm,f0=2mm。此外,D为一谱段选择分束镜,CCD完成对操作过程的动态监视。
3 光阱位置三维操纵系统的实现
3.1 光阱纵向位置的操纵
光阱纵向位置的控制可通过物镜调焦来实现,我们所采用的LEICA DMIRBE型显微镜具有马达电动调焦功能,其液晶显示精度为1μm,实际经验表明利用此调焦系统可对光阱纵向位置进行小于0.1μm的操纵。
3.2 光阱横向位置的操纵
光阱的横向位置可采用平移及转动反射镜来实现。
3.2.1 平移反射镜实现光阱横向位置的操纵
如图2所示,可用的反射镜M3和M4组成一光阱横向位置操纵装置。其中M3、M4镜面均同水平面呈45度夹角,且激光束中心光线对应的反射面相互垂直。M3、M4分别沿L1、L2光轴的水平移动将引起光束相对透镜L2光轴的平移,光束经透镜L2折射后与其光轴产生一倾角θ,这将最终决定光阱位置的移动,其中M3、M4分别实现x,y方向的横向移动。在此,以平移M3为例来进行讨论,图2中分别用斜虚线表示反射镜M3的基准位置,设M3处于基准位置时激光束的中心光线同系统光轴重合。为了便于分析,我们在图2中做出了焦点F关于M4的镜向点F′,以及F′关于反射镜M3及其基准位置的镜向位置F"、F"b。
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