專利名稱：激光的力學(xué)參數(shù)測量方法及其裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及激光的力學(xué)參數(shù)測量領(lǐng)域光壓概念的提出可以追溯到開普勒和牛頓時(shí)代，而光壓的存在和麥克斯韋對(duì)輻射壓力的理論預(yù)言則直至本世紀(jì)初葉才被實(shí)驗(yàn)證實(shí)。激光作為極高亮度相干光的出現(xiàn)使光壓研究發(fā)生了革命。在70年代初，人們開始對(duì)激光輻射壓力進(jìn)行全面和深入的研究。特別是對(duì)原子在各種不同條件下所受輻射壓力的性質(zhì)和機(jī)理進(jìn)行了理論探討和實(shí)驗(yàn)觀測，從而發(fā)展了諸如原子束的激光偏轉(zhuǎn)、激光冷卻、光學(xué)粘膠及原子噴泉等實(shí)驗(yàn)技術(shù)，發(fā)展激光冷卻的技術(shù)已經(jīng)可以使物質(zhì)的溫度降低到24PK！光壓是在光子與微粒發(fā)生動(dòng)量傳遞時(shí)產(chǎn)生的，由于原子所受輻射壓力是在原子與光場發(fā)生相互作用如原子發(fā)生共振或近共振量子躍遷時(shí)出現(xiàn)的，因而這類問題屬于量子光學(xué)領(lǐng)域。朱棣文和他的同事利用光壓原理發(fā)展了用激光冷卻和幽禁原子的方法，獲得了1997年度諾貝爾物理學(xué)獎(jiǎng)。過去二十多年來，與原子的激光冷卻等熱門課題同時(shí)開始，但不為人們注意的另一類有關(guān)光壓的研究也在持續(xù)地進(jìn)行，這就是激光對(duì)于介觀微粒的輻射壓力研究，包括宏觀介質(zhì)微粒的光捕陷、光懸浮和光操縱。這類光壓之產(chǎn)生不涉及構(gòu)成介質(zhì)材料的原子或分子的內(nèi)部能態(tài)的變化，而是在宏觀微粒作為一個(gè)整體對(duì)于入射光波的經(jīng)典散射過程中出現(xiàn)。所處理的微粒直徑在數(shù)十納米至數(shù)十微米之間，對(duì)于可見光而言，相當(dāng)于由瑞利散射(微粒直徑遠(yuǎn)小于光波長)到米氏散射(微粒直徑接近或大于光波長)的整個(gè)范圍。
二十余年來對(duì)這一課題的規(guī)模不大但從未間斷的研究已取得豐碩的成果，研究者搞清了各類光捕陷、光懸浮的物理原理，對(duì)光阱的特性及其形成條件做了定量分析，有關(guān)實(shí)驗(yàn)技術(shù)發(fā)展更快，除實(shí)現(xiàn)了液體、空氣及真空中各種材料微粒的光懸浮之外，還發(fā)展出“測力光壓光譜”、“激光捕陷光譜”及“光阱干涉儀”等新技術(shù)，分別用于介質(zhì)表面波共振、表面化學(xué)結(jié)構(gòu)及分子生物學(xué)研究。
由于光捕陷、光懸浮和光操縱在基礎(chǔ)物理學(xué)、大氣物理、生命科學(xué)、化學(xué)、精密測量及技術(shù)領(lǐng)域等方面具有重要的應(yīng)用價(jià)值。但至今為止，在高等光學(xué)教程中尚無表現(xiàn)光的力學(xué)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)的配套實(shí)驗(yàn)，其主要原因是沒有相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)設(shè)備。
本發(fā)明的目的在于提供一種能夠演示光力學(xué)性質(zhì)的激光力學(xué)參數(shù)測量方法及其裝置。
本發(fā)明采用如下方式實(shí)現(xiàn)。
本發(fā)明的測量方法是將一束連續(xù)TEMoo基模高斯激光束經(jīng)過耦合元件射入一個(gè)強(qiáng)會(huì)聚效果的透鏡，產(chǎn)生強(qiáng)光場分布在樣品室內(nèi)形成光阱，移動(dòng)樣品室，使微粒在光阱中沿X-Y平面運(yùn)動(dòng)和沿光束方向運(yùn)動(dòng)，改變樣品室移動(dòng)的速度，就可根據(jù)公式F＝6πηrV得出微粒在光阱的作用下通過媒質(zhì)的臨界粘滯力。
實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的測量方法的裝置由循環(huán)操作器、激光器、顯微鏡、CCD攝像頭、錄像機(jī)和監(jiān)視器構(gòu)成，循環(huán)操作器由樣品容器、微流量計(jì)、樣品池、樣品回收池構(gòu)成，樣品池放在樣品臺(tái)上，顯微鏡的目鏡與物鏡之間設(shè)置有雙色分束器由光學(xué)耦合器全反射鏡和雙向分束板構(gòu)成，錄像機(jī)的一端與監(jiān)視器相連，另一端與CCD攝像頭相連，CCD攝像頭的另一端接入顯微鏡的多通道接口。
本發(fā)明所依據(jù)的原理是1.光不僅攜帶能量，而且也攜帶動(dòng)量。由于動(dòng)量的傳遞，光會(huì)對(duì)被照射的物體施加一定的力，這種由于光輻射對(duì)物體產(chǎn)生的力常常表現(xiàn)為壓力，因而稱之為輻射壓力或簡稱光壓。
根據(jù)牛頓力學(xué)，作用在物體上的力就等于光引起的單位時(shí)間內(nèi)物體動(dòng)量的改變，由此可得作用在物體上的力為F＝dP/dt其中P是光的動(dòng)量，t是時(shí)間。如果光束作用的面積為S，則單位面積受到的力即光壓強(qiáng)p為P＝F/S2.單光束梯度光阱擬用單光束梯度光阱，它是由一束強(qiáng)會(huì)聚的激光束構(gòu)成的，無論從理論和實(shí)際上看，它都是最簡單的一種激光勢阱。在瑞利散射范圍內(nèi)，捕獲的穩(wěn)定性是梯度力和散射力平衡的結(jié)果，梯度力總是把微粒拉向激光的強(qiáng)聚焦點(diǎn)處，而散射力則努力把微粒從強(qiáng)聚焦點(diǎn)處沿光線的入射方向推跑微粒。實(shí)驗(yàn)已證明單光束梯度光阱可以捕獲得和操控微米量級(jí)的微粒和許多生物微粒諸如活細(xì)胞及細(xì)胞內(nèi)的細(xì)胞器。
附

圖1是對(duì)介質(zhì)小球捕獲的定性描述。一對(duì)典型捕獲得光線a和b經(jīng)折射后產(chǎn)生的力Fa和Fb，它們的矢量和F總是沿軸向或橫向指向介質(zhì)小球的捕獲焦點(diǎn)f處。
在假設(shè)介質(zhì)小球的表面沒有反射的情況下，我們用一對(duì)會(huì)聚的光線a和b產(chǎn)生的合力來描述光阱作用在介質(zhì)球上的力。在這個(gè)假設(shè)下，力Fa和Fb是完全由于折射產(chǎn)生的且方向指向動(dòng)量改變的方向。從上圖中可以看出，當(dāng)小球的球心0和焦點(diǎn)f間有一事實(shí)上位移時(shí)，F(xiàn)a和Fb的合力F總是指向焦點(diǎn)f處，是一個(gè)回復(fù)力，從而形成穩(wěn)定光阱。
光鑷是依靠光的梯度力形成的。對(duì)于用一束光造成的光鑷來講，只需要一個(gè)三維的光學(xué)梯度場，使光最強(qiáng)點(diǎn)位于光束中心就能夠?qū)崿F(xiàn)。這種梯度場存在于任何激光焦點(diǎn)附近，光束的會(huì)聚度越大，產(chǎn)生的光強(qiáng)梯度也越大。當(dāng)梯度大到保證焦點(diǎn)附近的梯度力大于散射力時(shí)才能形成一個(gè)三維光學(xué)勢阱而穩(wěn)定地捕獲生物微粒。由此，一個(gè)光鑷可以由一束激光通過一個(gè)短焦距透鏡來實(shí)現(xiàn)。例如用一個(gè)高數(shù)值孔徑的顯微物鏡，將激光會(huì)聚成波長量級(jí)的衍射極限光斑，產(chǎn)生足夠強(qiáng)的光場梯度從而完成一個(gè)單光束梯度勢阱。
附圖2是一個(gè)以倒置顯微鏡為基礎(chǔ)的光鑷裝置基本框圖。它包括捕獲光源，捕獲聚焦鏡，一個(gè)合適的樣品池，一套調(diào)節(jié)光阱與待捕獲微粒間距并對(duì)微粒進(jìn)行操作的裝置，實(shí)現(xiàn)各配件與顯微鏡光學(xué)耦合的器件，以及一套觀察和記錄光鑷對(duì)微粒的操作過程，阱中微粒的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的瞬息變化的實(shí)時(shí)監(jiān)測系統(tǒng)。
捕獲聚焦鏡是能夠把非均勻光場的激光會(huì)聚成衍射極限光斑并實(shí)現(xiàn)對(duì)微粒捕獲的會(huì)聚透鏡。捕獲聚焦鏡一般都采用高倍顯微物鏡。因?yàn)楦弑讹@微物鏡具有高的數(shù)值孔(N.A)，即高的空間分辨率，同時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)的聚焦效果即產(chǎn)生強(qiáng)的光場分布梯度，從而滿足形成三維光學(xué)阱的需要。如N.A＝1.25的100X物鏡就是較理想的捕獲聚焦鏡。選擇顯微物鏡的另一個(gè)重要原因是，以顯微物鏡為核心的顯微鏡的光學(xué)成像系統(tǒng)正是光鑷微米量級(jí)操作的顯微觀察所必備的裝置，所以，成熟的光學(xué)顯微系統(tǒng)為形成光鑷提供了十分有利的基本設(shè)備。通常光鑷是用一束激光通過一臺(tái)顯微鏡而構(gòu)成的。
高倍率大數(shù)值孔徑的物鏡在實(shí)現(xiàn)強(qiáng)光場梯度的同時(shí)，也具有高的放大倍率，這顯然有利于光鑷操縱和分辨物體精細(xì)的結(jié)構(gòu)。
3.操作阱臺(tái)阱臺(tái)，也就是顯微鏡中的操作臺(tái)，它用于承載樣品室，操作臺(tái)在X-Y平面和沿光軸方向都可以連續(xù)地調(diào)節(jié)，所以同時(shí)也可用來調(diào)節(jié)光阱與待捕獲微粒之間在三維空間的相對(duì)位置。
由于光鑷作用的微粒都是在微米量級(jí)，相應(yīng)地要求三維阱臺(tái)的操作精度在微米或亞微米量級(jí)。普通的顯微操作臺(tái)在Z方向精度為2微米(即調(diào)焦精度)，在X-Y平面的地捕獲微粒及可捕獲微粒的尺寸范圍。而光學(xué)勢阱僅形成在梯度力與散射力彼此平衡的地方。
4.阱力的計(jì)算與測量實(shí)驗(yàn)上捕獲力的測量方法是基于找出光鑷操控的微粒在液體中克服粘滯阻力所達(dá)到的速度，即光阱力和粘滯阻力達(dá)到平衡時(shí)的速度。
該粘滯阻力由Stokes公式給出
F＝6πηrV其中η為粘滯系數(shù)，r為微粒的半徑，V為運(yùn)動(dòng)速度。利用循環(huán)的液體流速間接地確定一個(gè)微粒從光阱逸出時(shí)的速度，可以給出捕獲力與光功率的函數(shù)關(guān)系，即微粒在此狀態(tài)下所受到的作用力F。
光場力學(xué)性質(zhì)研究不僅對(duì)認(rèn)識(shí)光的本質(zhì)具有重大學(xué)術(shù)意義，而且它也是一個(gè)跨學(xué)科的研究領(lǐng)域，為物理學(xué)、計(jì)算科學(xué)、化學(xué)研究提供了非常重要的基礎(chǔ)知識(shí)，新的研究對(duì)象和實(shí)驗(yàn)手段。
通過光力學(xué)效應(yīng)實(shí)驗(yàn)，可以使學(xué)生在學(xué)習(xí)期間掌握一些基本規(guī)律和現(xiàn)象。激光問世至今人們在研究激光與物質(zhì)相互作用上注意為大都集中在非線性光學(xué)效應(yīng)的現(xiàn)象，如光諧波、光混沌、多光子效應(yīng)，瞬態(tài)光學(xué)效應(yīng)等，隨著更多的應(yīng)用場合顯示出的光的力學(xué)效應(yīng)并提出激光力學(xué)這一概念，微粒因此建立演示光力學(xué)性質(zhì)的實(shí)驗(yàn)可以提供人們微粒一種全新的了解自然本質(zhì)的方法和發(fā)現(xiàn)未知自然規(guī)律的手段。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是1.采用單光束力光阱，設(shè)備簡單可靠。
2.輔助微流量裝置，可實(shí)現(xiàn)對(duì)力的定性了解和半定量測量以加深學(xué)生對(duì)光阱力的直觀認(rèn)識(shí)和PN量級(jí)的概念。
3.整套設(shè)備簡單造價(jià)不高，易于普及。錄像-TV顯示，實(shí)時(shí)監(jiān)控，可供多人觀察、分析、微粒示教，并進(jìn)行存檔，錄像機(jī)的慢放功能可以在時(shí)間上分解各種動(dòng)態(tài)演化過程。
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
附圖1，對(duì)介質(zhì)小球捕獲的定性描述。一對(duì)典型捕獲得光線a和b經(jīng)折射后產(chǎn)生的力Fa和Fb，它們的矢量和F總是沿軸向或橫向指向介質(zhì)小球的捕獲焦點(diǎn)f處。
附圖2，激光的力學(xué)參數(shù)測量裝置示意圖。其中，1-光鑷光源，2-光學(xué)耦合器，3-全反射鏡，4-雙向分束板，5-會(huì)聚透鏡/高倍物鏡，6-樣品臺(tái)(可三維運(yùn)動(dòng))，7-循環(huán)樣品池，8-樣品照明光源，9-激光濾色片，10-CCD攝像頭，11-錄像機(jī)，12-監(jiān)視器。
附圖3，循環(huán)樣品系統(tǒng)示意圖。其中，13-循環(huán)用樣品池，14-醫(yī)用輸液瓶，15-微流量計(jì)，16、17-輸液管或細(xì)導(dǎo)管，18-液體回收池1，19-樣品注入通道，20、21-管夾。
附圖4，力的參數(shù)測量示意圖。
參見附圖2，顯微鏡選用帶有熒光通道的顯微鏡；光鑷光源采用單橫模(TEMoo)半導(dǎo)體激光，波長為780nm，連續(xù)輸出功率為60mw；光學(xué)耦合器2為一個(gè)可變焦擴(kuò)束望遠(yuǎn)鏡，可調(diào)節(jié)光阱阱位與顯微物鏡的成像關(guān)系，使操控的微粒與物平面保持一致，光學(xué)耦合器2位于光鑷光源前；全反射鏡3對(duì)780nm波長在45°角時(shí)全反射；雙向分束板4位于會(huì)聚透鏡/高倍物鏡5與激光濾色片9之間，對(duì)780nm對(duì)可見光透過的45°反射；會(huì)聚透鏡/高倍物鏡為NA0.6～1.25高倍高數(shù)值孔徑物鏡；樣品臺(tái)6可X、Y、Z三維移動(dòng)手動(dòng)操作；循環(huán)樣品池7位于樣品臺(tái)6上；樣品臺(tái)6上方是樣品的照明光源8；激光濾色片9為780mm濾光片，透過可見光；CCD攝像頭10為敏通1881黑白面陣CCD；錄像機(jī)11為J25錄像機(jī)，帶有續(xù)放功能；監(jiān)視器為20時(shí)監(jiān)視器或彩電。
該裝置的特點(diǎn)是1.固定光束，樣品臺(tái)成X、Y方向運(yùn)動(dòng)，可實(shí)現(xiàn)微粒在X-Y平面操控。2.縱向調(diào)節(jié)物鏡可控制微粒沿光束方向運(yùn)動(dòng)3.固定樣品池與光束采用液體相對(duì)光束的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)臨界力的測量4.利用錄像機(jī)正常速度記錄，然后以微粒幀/s的慢放功能，實(shí)現(xiàn)對(duì)阱域，阱力的測量。
參見附圖3，循環(huán)用樣品池13的內(nèi)池尺寸約50×20×1mm，除了一個(gè)進(jìn)、出口、外加一個(gè)樣品注入通道，醫(yī)用輸液瓶14選用500ml～1000ml，液體回收池18選用100ml。
參見附圖，一束連續(xù)的TEMoo模激光束經(jīng)過光學(xué)耦合元件2.3.4射入一個(gè)強(qiáng)會(huì)聚效果的透鏡產(chǎn)生強(qiáng)光場梯度分布在樣品室內(nèi)形成光阱。光學(xué)元件2用于調(diào)節(jié)激光束的會(huì)聚角保證光阱阱位與物平面一致，使被捕獲微粒成像清晰。一旦微粒被子光捕獲，在X、Y、Z方向操控樣品(光束相對(duì)不變)應(yīng)實(shí)現(xiàn)了微粒X-Y沿平面的運(yùn)動(dòng)和沿光束方向的縱向運(yùn)動(dòng)。
改變平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)速度，即可根據(jù)流體力學(xué)Stokes公式計(jì)算克服微粒和液體粘滯力光阱控制的最大速度，也應(yīng)是測量了從小球在光阱的作用下通過媒質(zhì)的微粒臨界粘滯力。
F＝6πηrV其中η為液體粘滯系數(shù)，r為微粒的半徑，V液運(yùn)動(dòng)速度。
光阱力學(xué)參數(shù)的測量，根據(jù)F＝6πηrV(1)已知η、r，求VV＝s/t (2)附圖4中“+”為光阱所在位置當(dāng)微粒距光阱S距離時(shí)開始向光阱“+”處運(yùn)動(dòng)、記錄微粒運(yùn)動(dòng)所需時(shí)間t＝ts－t0。
(一)測量出S代入公式(1)求得平均速度。
(二)已知液體的粘滯系數(shù)和微粒半徑，可以代入公式(1)求出光阱作用于小球的受力的大小。
(三)圖4中的S便為在一定激光功率下阱域的半徑，因此阱域?yàn)榈摹?”標(biāo)志為中心，以S為半徑的范圍。
(四)改變流速V則可在獲得微粒在某特定速度下所受到的光阱力。
(五)當(dāng)以某速度運(yùn)動(dòng)時(shí)，微粒逃逸出光阱，此速度即為逃逸速度，即測得光阱克服微粒粘滯力的臨界作用力一逃逸力。
(六)確定小球半徑和其的速度運(yùn)動(dòng)，則可通過Stokes公式獲得對(duì)未知液體粘滯系數(shù)的測量η=F6πγV]]>其中F后在已知η的標(biāo)準(zhǔn)液下事先標(biāo)定。改變液體或微粒折射系數(shù)n，在同樣的光功率下可獲得折射系數(shù)對(duì)捕獲力的影響。
權(quán)利要求
1.一種激光力學(xué)參數(shù)測量方法，其特征在于將一束連續(xù)TEMoo模激光束經(jīng)過耦合元件射入一個(gè)強(qiáng)會(huì)聚效果的透鏡，產(chǎn)生強(qiáng)光場梯度分布在樣品室內(nèi)形成光阱，移動(dòng)樣品室，使微粒在光阱中沿X-Y平面運(yùn)動(dòng)和沿光束方向運(yùn)動(dòng)，改變樣品室移動(dòng)的速度，就可根據(jù)公式F＝6πηrV得出微粒在光阱的作用下通過媒質(zhì)的臨界回復(fù)力。
2.一種實(shí)現(xiàn)上述激光力學(xué)參數(shù)測量方法的裝置，其特征在于它由循環(huán)操作器、激光器、顯微鏡、CCD攝像頭、錄像機(jī)和監(jiān)視器構(gòu)成，循環(huán)操作器由樣品容器、微流量計(jì)、樣品池、樣品回收池構(gòu)成，樣品池放在樣品臺(tái)上，顯微鏡的目鏡與物鏡之間設(shè)置有雙向分束器由光學(xué)耦合器全反射鏡和雙向分束板構(gòu)成，錄像機(jī)的一端與監(jiān)視器相連，另一端與CCD攝像頭相連，CCD攝像頭的另一端接入顯微鏡的多通道接口。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種能夠演示光力學(xué)性質(zhì)的激光力學(xué)參數(shù)測量方法及其裝置。本發(fā)明參數(shù)測量方法是將一束連續(xù)TEMoo模激光束經(jīng)過耦合元件射入一個(gè)強(qiáng)會(huì)聚效果的透鏡,產(chǎn)生強(qiáng)光場梯度分布在樣品室內(nèi)形成光阱,使微粒在光阱中沿X－Y平面運(yùn)動(dòng)和沿光束方向運(yùn)動(dòng),改變樣品室移動(dòng)的速度,就可得出微粒在光阱的作用下通過媒質(zhì)的臨界回復(fù)力。本發(fā)明裝置由循環(huán)操作器、激光器、顯微鏡、CCD攝像頭、錄像機(jī)和監(jiān)視器構(gòu)成。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:采用單光束力光阱,設(shè)備簡單可靠。輔助微流量裝置,可實(shí)現(xiàn)對(duì)力的定性了解和半定量測量以加深學(xué)生對(duì)光阱力的直觀認(rèn)識(shí)和PN量級(jí)的概念。整套設(shè)備簡單造價(jià)不高,易于普及。
文檔編號(hào)G01D21/00GK1334443SQ0011240
公開日2002年2月6日 申請日期2000年7月15日 優(yōu)先權(quán)日2000年7月15日
發(fā)明者李銀妹 申請人:中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)