一种利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置和方法与流程

1.本发明属于一种校正光镊漂移的装置和方法，属于光镊领域，特别是涉及一种利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置和方法。


背景技术：

2.光镊利用聚焦光束形成的光阱能够实现对微纳尺度物体的捕获，目前已经广泛应用在包括核酸酶的运动步长，停顿和回溯(backtracking)，以及蛋白质/核酸的折叠在内的各种生物物理问题的研究中。
3.传统的光镊通常采用表面耦合的构型，实验中样品的一端连接在盖玻片表面，样品的另一端连接在被光阱捕获的聚苯乙烯小球上。这种构型下样品通过盖玻片连接到周围的环境中，容易受到环境噪声的干扰。因此，表面耦合构型的光镊往往存在较大的漂移，从而影响其分辨率和稳定性，限制了其分辨样品的细微运动和精细结构的能力。为了进一步提升光镊的分辨率和稳定性，需要降低光镊的漂移。
4.目前降低光镊漂移主要有两种方法：一种是采用双光束构型的光镊，这种构型的光镊使用两束光捕获样品的两端，通过将样品悬浮于盖玻片表面来隔离周围的环境噪声。双光束构型的光镊由于两束光有着近乎完全相同的光路，在受到外界噪声干扰的时候，光束会在样品面上产生相同的运动，从而抵消了噪声。通过这种差分探测的方式，双光束构型的光镊能够很好地消除漂移。另一种是探测并消除表面耦合构型光镊的漂移，通过微纳加工的方法在盖玻片表面制备基准标记，并且引入第二束不同波长参考激光来测量该基准标记位置就可以得到光镊的漂移，之后可以通过纳米压电平台主动反馈来消除漂移。
5.在现有的两种技术中，都存在不同程度的局限。首先，双光束构型的光镊要同时探测两个光阱产生的力和位移，需要额外的探测器和设备，并且需要对实验环境进行精确的控制才能降低光镊的漂移，实现高的空间分辨率。除此之外，由于样品两端都需要光阱捕获，额外还需要结合微流控系统来形成样品。所以相比于表面耦合构型的光镊，双光束构型的光镊更加复杂，昂贵，并且在形成样品上更加费时，整体实验效率更低。
6.其次，目前使用的参考激光测量盖玻片表面的基准标记位置来校正表面耦合光镊漂移的方法，同样需要增加额外的激光和探测器，并且需要通过微纳加工的方法制备基准标记。因此，目前仍没有可以简单有效、低成本地校正表面耦合光镊漂移的方法。


技术实现要素：

7.鉴于以上内容，本发明的目的是提供一种简单有效地利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置和方法。
8.本发明的目的及解决其技术问题是通过以下技术方案来实现的。
9.依据本发明提出的一种利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置，包括：
10.光源光路，包括激光器、第一偏振分束器，分束光路和第二偏振分束器；激光器产生的线偏振连续光经所述第一偏振分束器分成参考光束和捕获光束，所述参考光束经所述
分束光路进入所述第二偏振分束器，所述捕获光束进入所述第二偏振分束器，所述第二偏振分束器将接收到的所述分束光路的参考光束和捕获光束合并为合并光束；
11.样品光路，包括第一二色镜、样品台和位置敏感探测器，所述第一二色镜接收所述第二偏振分束器出射的合并光束，并反射至所述样品台，与捕获样品作用后的光束进入所述位置敏感探测器；
12.相机光路，包括相机，所述相机获取经样品台的光线以拍摄所述参考光束的反射光斑和参考球；
13.处理器，用于根据所述参考球的位置和所述参考光束的聚焦位置确定所述捕获光束中光阱相对于所述样品面的漂移数值后，根据所述漂移数值校正所述捕获光束与样品面的相对漂移。
14.根据本发明实施例的利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置，所述分束光路包括分束光路反射镜，所述第一偏振分束器出射的参考光束经所述分束光路反射镜反射后，进入所述第二偏振分束器。
15.根据本发明实施例的利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置，调整所述分束光路反射镜的反射角度，使得所述参考光束和捕获光束在所述样品面上相距6
‑
10微米距离。
16.根据本发明实施例的利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置，所述分束光路还包括一组等焦距透镜，所述第一偏振分束器出射的参考光束经所述等焦距透镜组后，由反射镜将所述分束反射至所述第二偏振分束器。
17.根据本发明实施例的利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置，调整所述等焦距透镜组中第二透镜的位置以移动所述参考光束的轴向聚焦位置，直至所述聚焦位置相对于所述捕获光束的聚焦位置的更靠近所述物镜一侧200～400纳米。
18.根据本发明实施例的利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置，所述光源光路还包括半波片，所述激光器产生的线偏振连续光经所述半波片改变线偏振方向后，进入所述第一偏振分束器。
19.根据本发明实施例的利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置，所述样品光路还包括物镜、聚光镜、第三偏振分束器，所述第一二色镜，所述第一二色镜反射的合并光束经所述物镜聚焦于所述样品台后，与捕获样品作用后的光束依次经所述聚光镜、第二二色镜反射后，经透镜和所述第三偏振分束器进入所述位置敏感探测器。
20.根据本发明实施例的利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置，还包括光源，所述光源产生的照明光线经所述第二二色镜和聚光镜照射在所述样品台上，经物镜收集后，依次经第一二色镜、反射镜和透镜进入所述相机成像。
21.根据本发明实施例的利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置，所述样品台设有压电平台，所述处理器根据所述漂移数值控制所述压电平台移动以控制样品表面与捕获激光之间的相对距离来校正所述捕获光束与样品面的相对漂移。
22.依据本发明提出的一种利用激光反射光斑来校正光镊漂移的方法，包括以下步骤：
23.将线偏振连续光分成参考光束和捕获光束，并将所述参考光束和捕获光束合并为合并光束；
24.所述第一二色镜反射所述合并光束至样品台，使得所述合并光束的捕获光束与捕
获样品作用后的光束进入位置敏感探测器；
25.所述位置敏感探测器检测所述样品台承载的样品面上样品球相对于捕获激光束的位置或者所述样品台承载的样品所受到的力以及发生的位移，所述相机拍摄所述参考光束的反射光斑和参考球；
26.根据所述参考球的位置和所述参考光束的聚焦位置确定所述捕获光束中光阱相对于所述样品面的漂移数值后，根据所述漂移数值校正所述捕获光束与样品面的相对漂移。
27.借由上述技术方案，本发明具有如下优点和有益技术效果：
28.1)本发明所述利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置和方法通过将线偏振连续光分成参考光束和捕获光束，通过相机拍摄参考光束和参考球的位置变化，由于参考光束和捕获光束经过的光路基本一致，参考光束有着与捕获光束相同的位置变化，根据所述参考球的位置变化和所述参考光束的位置变化确定所述捕获光束中光阱相对于所述样品面的漂移数值后，根据所述漂移数值校正捕获光束与样品面的相对漂移。
29.2)这样，利用激光反射光斑校正了光阱与样品表面之间的漂移，使表面耦合光镊在不同的实验条件下都能实现分钟量级时间内亚纳米到1
‑
2纳米的定位精度和稳定性。通过视频追踪参考光束和参考球可以直接测量表面的机械漂移和激光的指向漂移，主动反馈纳米压电平台来稳定表面与激光之间的相对距离。
30.3)本发明使得光镊能够以亚纳米的精度和相对较高的时间分辨率(如100赫兹)测量出固定在表面的聚苯乙烯小球的2纳米移动步长。在dna和dna发夹恒力实验中，光镊测量的dna样品的长度误差能够在分钟量级时间内都稳定在1
‑
2纳米，与未校正的数据相比有显著改善，这进一步证明了本发明能校正光镊的漂移，使得光镊拥有更高的分辨率和稳定性。
附图说明
31.图1是利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置的结构示意图。
32.图2a是参考光束和捕获光束与样品之间的示意图(实际实验时)。
33.图2b是参考光束和捕获光束与样品之间的示意图(测试性能提升时)。
34.图3a是校正光镊漂移后与未校正之前的在x方向的(平移)漂移数据对比图。
35.图3b是校正光镊漂移后与未校正之前的在y方向的(平移)漂移数据对比图。
36.图4是校正漂移后与未校正漂移之前的allan标准差的对比图。
37.图5a是校正漂移后与未校正漂移之前在非平衡条件下的恒力下dna样品长度的对比图(在y方向平移)。
38.图5b是校正漂移后与未校正漂移之前在平衡条件下的恒力下dna样品长度的对比图(在y方向平移)。
39.图6a是校正漂移后与未校正漂移之前在非平衡条件下的恒力下dna发夹样品长度的对比图(在y方向平移)。
40.图6b是校正漂移后与未校正漂移之前在平衡条件下的恒力下dna发夹样品长度的对比图(在y方向平移)。
41.图中：
[0042]1‑
激光器，2
‑
半波片，3
‑
分束光路反射镜，4
‑
第一透镜，5
‑
第二透镜，6
‑
分束光路反
射镜，7
‑
第一偏振分束器，8
‑
第二偏振分束器，9
‑
第一二色镜，10
‑
反射镜，11
‑
透镜，12
‑
相机，13
‑
物镜，14
‑
样品台，15
‑
聚光镜，16
‑
第二二色镜，17
‑
光源，18
‑
透镜，19
‑
第三偏振分束器，20
‑
位置敏感探测器。
具体实施方式
[0043]
图1是利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置的结构示意图。如图1所示，利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置包括光源光路、第一二色镜9、样品光路、相机光路和处理器(图中未示出)。光源光路产生的偏振光束经第一二色镜9反射至样品光路和相机光路，视频追踪参考光束和参考球可以直接测量表面的机械漂移和激光的指向漂移，实现对光摄漂移的校正。
[0044]
该光源光路包括激光器1、半波片2、第一偏振分束器7，分束光路和第二偏振分束器8。激光器1产生的线偏振连续光经半波片2改变线偏振方向后，进入所述第一偏振分束器7。所述第一偏振分束器7分成参考光束和捕获光束。
[0045]
所述参考光束经所述分束光路进入所述第二偏振分束器8，所述捕获光束进入所述第二偏振分束器8，所述第二偏振分束器8将接收到的所述分束光路的参考光束和捕获光束合并为合并光束。具体的，所述分束光路包括分束光路反射镜(分束光路反射镜3和分束光路反射镜6)和一组等焦距透镜(第一透镜4和第二透镜5)，所述第一偏振分束器7出射的参考光束经所述分束光路反射镜3反射后，依次进入一对等焦距透镜(第一透镜4和第二透镜5)后，再次经另一分束光路反射镜6反射后进入所述第二偏振分束器8。
[0046]
图2a是参考光束和捕获光束与样品之间的示意图(实际实验时)。如图2a所示，在使用过程中，可以通过调整所述分束光路反射镜3和分束光路反射镜6的反射角度，使得所述合并光束的参考光束和捕获光束在所述样品面上相距6
‑
10微米，优选为8微米。通过调整所述第一透镜4和第二透镜5之间的位置以移动所述参考光束的轴向聚焦位置，直至所述聚焦位置位于所述捕获光束的聚焦位置的靠近所述样品一侧200～400纳米，优选为300纳米。所述参考光束和所述捕获光束进入所述第二偏振分束器8，所述第二偏振分束器8将接收于所述分束光路的参考光束和捕获光束合并为合并光束。
[0047]
图2b是参考光束和捕获光束与样品之间的示意图(测试性能提升时)。为了测试本方法使用视频追踪激光反射光斑来消除光镊漂移的效果，通过采用另外一种独立方法，即后焦面干涉法，来测量光镊中漂移(测试例1和测试例2中的情况)。捕获光束与样品球(直径为800纳米)作用之后的激光在后焦面形成的干涉图案，后焦面干涉法将该图案通过透镜成像到位置敏感探测器上来测量捕获激光与表面的相对距离。如图2b所示，d
视频
为本方法使用视频探测得到的光镊漂移，d
干涉
为后焦面干涉法得到的光镊漂移。测试过程中使用压电平台反馈使得d
视频
的值为零，记录干涉法得到的漂移d
干涉
。
[0048]
样品光路包括物镜13、样品台14、聚光镜15、第二二色镜16、第三偏振分束器19和位置敏感探测器20。所述第一二色镜9接收所述第二偏振分束器8出射的合并光束，并反射至所述样品台14，与与捕获样品作用后的光束依次经所述聚光镜15、第二二色镜16反射后，经透镜和所述第三偏振分束器19进入所述位置敏感探测器20，以检测所述样品台14承载的样品的样品面上的参考球的位置。
[0049]
相机光路包括相机12，例如ccd相机，所述相机12获取经样品台14的光线以拍摄所
述参考光束和参考球(直径为3微米)的位置。本实施方式中，ccd相机12采样率最高为200赫兹，然后，使用更高亮度的光源17以及更高效的分析程序将有助于提升反射光斑的分析速度，提升追踪和反馈漂移的速度。
[0050]
处理器用于根据所述参考球的位置和所述参考光束的聚焦位置确定所述捕获光束中光阱相对于所述样品面的漂移数值后，根据所述漂移数值校正捕获光束与样品面的相对漂移。本实施方式中，该装置还包括包括光源17，所述光源17产生的照明光线经所述第二二色镜16和聚光镜15照射在所述样品台14上，经物镜13收集后，依次经反射镜10和透镜进入所述相机12成像。
[0051]
在获取到所述的漂移数值后，所述样品台14设有压电平台，所述处理器根据所述漂移数值控制所述压电平台移动以控制样品表面与捕获激光之间的相对距离来校正所述光阱的位置。
[0052]
以下详细描述该利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置的工作过程。
[0053]
如图1所示，所述激光器1发射的线偏振连续光经过半波片2改变线偏振方向后，经过第一偏振分束器7分成两束相互正交的两束线偏振光：第一束线偏振光(参考光束)经第一偏振分束器7反射到分束光路反射镜3，经过分束光路等焦距透镜组中的第一透镜4和第二透镜5，再经过分束光路中另一反射镜6入射到第二偏振分束器8。第二束线偏振光(捕获光束)穿过第一偏振分束器7，入射到第二偏振分束器8。第二偏振分束器8将参考光束和偏振光束重新合成一束光，即合并光束。合并光束经过第一二色镜9反射至物镜13，经物镜13聚焦在样品台14，与捕获物体作用之后的光束经聚光镜15收集，经过第二二色镜16反射到透镜18，经过第三偏振分束器19入射到位置敏感探测器20，以探测所述样品台14承载的样品或者样品球(直径800纳米)位置。
[0054]
此外，光源17发出的照明光线经过第二二色镜16和聚光镜15，照射在样品台14上。照明光线经过物镜13收集后，依次经过第一二色镜9，反射镜10，入射到透镜11，最终成像在相机12上，以拍摄所述参考光束和参考球(直径为3微米)的位置。
[0055]
最后，根据所述参考球的位置和所述参考光束的聚焦位置确定所述捕获光束中光阱相对于所述样品面的漂移数值后，根据所述漂移数值校正所述捕获光束与样品面的相对漂移。由于两束光(参考光束和捕获光束)经过的光路基本一致，参考光束有着与捕获光束相同的位置变化。本实施方式中，相机12拍摄的参考光束在盖玻片和水的交界面处的反射光斑图案可以表示捕获光束在样品面的位置变化，而样品面上的聚苯乙烯参考球可以表示样品面位置的变化，通过相机12拍摄反射光斑和参考球的位置变化，两者的差值即是光镊中光阱相对于表面的漂移。在得到漂移的数值后，可以通过纳米压电台实时反馈校正漂移或者在实验后续的数据处理中减去漂移。
[0056]
在使用过程中，可以调节分束光路反射镜来移动参考光束在样品面上的位置，使得参考光束与捕获光束在样品面上相距大约6
‑
10微米，例如可以是8微米。通过调节分束光路中等焦距透镜组中的第一透镜4和第二透镜5之间的位置来移动参考光束的轴向聚焦位置，使得参考光束的聚焦位置大约在捕获激光聚焦位置下方200～400纳米，例如可以是大约300纳米，从而使得反射光斑在相机12上看起来更加清楚。
[0057]
以下结合多个实验对上述的装置和方法的校正效果进行测试。
[0058]
测试例1
[0059]
图3a是校正光镊漂移后与未校正之前的在x方向的(平移)漂移数据对比图，图3b是校正光镊漂移后与未校正之前的在y方向的(平移)漂移数据对比图。如图3a和图3b所示，比较使用本发明的方法校正光镊漂移后与未校正之前的漂移数据。本测试例中使用后焦面干涉法测量固定在样品面上的聚苯乙烯小球(直径为800纳米)相对于捕获激光的位置移动，即光镊的漂移。校正之后的漂移相比校正之前有了明显的降低。在10分钟的测量中，在使用本发明的方法进行漂移校正之前，光镊在x和y方向漂移的标准差分别是5.4纳米和19.2纳米。而在使用了本发明的校正漂移方法之后，光镊在x和y方向漂移的标准差分别是1.6纳米和2.3纳米，相比于校正之前，分别缩小了3.4倍和8.3倍。
[0060]
测试例2
[0061]
图4是校正漂移后与未校正漂移之前的allan标准差的对比图。结合图4说明测试例2，比较使用本发明的方法校正漂移后与未校正漂移之前的allan标准差。本测试例中使用与实例例1相同的测量方法，即后焦面干涉法测量光镊的漂移。将测量到的10分钟的漂移数据根据allan标准差的公式(下式)计算出校正前后的allan标准差。
[0062][0063]
结果显示，校正漂移后，在x和y方向上的分辨率和稳定性能在0.002
‑
100秒的时间尺度内维持在1纳米以下，相比于没有校正之前的数据只能在0.001
‑
0.1秒的时间尺度内维持在1纳米以下，能保持高分辨率和稳定性的时间尺度扩大了3个数量级。
[0064]
测试例3
[0065]
图5a是校正漂移后与未校正漂移之前在非平衡条件下的恒力下dna样品长度的对比图(在y方向平移)，图5b是校正漂移后与未校正漂移之前在平衡条件下的恒力下dna样品长度的对比图(在y方向平移)。如图5a和图5b所示，比较使用本发明的方法校正漂移后与未校正漂移之前的恒力下dna的样品长度。本测试例中使用光镊拉伸2.8kbp的双链dna，测量dna样品长度在120秒时间内的变化。为了测试本发明方法的鲁棒性，在两种状态下测量数据，分别是非平衡状态和平衡状态。
[0066]
非平衡状态指的是样品刚放上光镊10分钟，这个时候由于显微镜浸油等的影响，样品表面存在较大的漂移，激光也因为刚开启，存在较大的指向不稳定性。平衡状态指的是样品放上光镊2个小时后，这个时候浸油与样品台14的接触达到平衡，激光也达到稳定状态，样品台14和激光的漂移都明显降低。无论是在非平衡状态还是在平衡状态，使用本发明的方法校正漂移之后，测到的dna样品长度数据的漂移都明显减小。在使用本发明的方法进行漂移校正之前，dna长度在非平衡状态和平衡状态下的标准差分别为7.0纳米和3.3纳米。而在使用了本发明的校正漂移方法之后，dna长度在非平衡状态和平衡状态下的标准差分别减小为1.7纳米和1.2纳米，相比于没有校正之前，分别缩小了4倍和2.8倍。
[0067]
测试例4
[0068]
图6a是校正漂移后与未校正漂移之前在非平衡条件下的恒力下dna发夹样品长度的对比图(在y方向平移)，图6b是校正漂移后与未校正漂移之前在平衡条件下的恒力下dna发夹样品长度的对比图(在y方向平移)。
[0069]
如图6a和图6b所示，比较使用本发明的方法校正漂移后与未校正漂移之前的恒力下dna发夹的样品长度。本测试例中使用光镊拉伸双链dna发夹，测量dna发夹样品长度在
120秒时间内的变化。与实例例3相同，本实例也在非平衡状态和平衡状态两种状态下测量实验数据。在使用本发明的方法进行漂移校正之前，dna发夹在非平衡状态和平衡状态下的长度变化(源自dna发夹的打开或合上)分别是12.4
±
1.5纳米和12.8
±
1.1纳米。而在使用了本发明的校正漂移方法之后，dna长度变化在非平衡状态和平衡状态下的标准差分别是13.2
±
0.7纳米和13.0
±
0.7纳米，相比于没有校正之前，长度更加接近理论的真实值13.5纳米，并且长度变化的误差缩小了大约2倍。
[0070]
本发明只需要很少的硬件改动就可以很容易地集成到大多数的光镊系统中，能够有效地提升了光镊的分辨率和稳定性，这为将使用中的光镊进行升级或者搭建新的高性价比光镊提供了一个良好的解决方案。相比之前的方法，本发明的具有以下优点：
[0071]
1)鲁棒性好，可适用于噪声相对大的环境。本发明中的光镊搭建在商用倒置显微镜上，不需要再定制支架等额外的组件来增强稳定性。此外，原有光镊整体光路较长，并且为了调节方便，光路暂时没有封闭，容易受到空气扰动的影响。即使在这种噪声相对较大的环境中，本发明的方法仍能帮助光镊在分钟量级的时间尺度内获得亚纳米
‑
纳米级的分辨率和稳定性。
[0072]
2)结构简单且价格较低。本发明中只需要少量的偏振分束器和反射镜，不需要额外的昂贵设备，如纳米压电振镜。反射模式对表面平移运动不敏感，不需要像现有技术中，在实验中必须通过增加压电振镜移动激光来跟踪表面标记的移动。
[0073]
3)参考光束和参考球均采用同一台相机探测，避免了以前方法中存在的多个探测器之间的机械漂移和时间同步问题，也避免了不同探测器间由校准带来的误差。
[0074]
综上，本发明所述利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置和方法通过将线偏振连续光分成参考光束和捕获光束，通过相机拍摄参考光束和参考球的位置变化，由于参考光束和捕获光束经过的光路基本一致，参考光束有着与捕获光束相同的位置变化，根据所述参考球的位置变化和所述参考光束的位置变化确定所述捕获光束中光阱相对于所述样品面的漂移数值后，根据所述漂移数值校正所述捕获光束与样品面的相对漂移。这样，利用激光反射光斑校正了光阱与样品表面之间的漂移，使表面耦合光镊在不同的实验条件下都能实现分钟量级时间内亚纳米到1
‑
2纳米的定位精度和稳定性。通过视频追踪参考光束和参考球可以直接测量表面的机械漂移和激光的指向漂移，主动反馈纳米压电平台来稳定表面与激光之间的相对距离。
[0075]
本发明使得光镊能够以亚纳米的精度和相对较高的时间分辨率(如100赫兹)测量出固定在表面的聚苯乙烯小球的2纳米移动步长。在dna和dna发夹恒力实验中，光镊测量的dna样品的长度误差能够在分钟量级时间内都稳定在1
‑
2纳米，与未校正的数据相比有显著改善，这进一步证明了本发明能校正光镊的漂移，使得光镊拥有高的分辨率和稳定性。
[0076]
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明技术方案的范围内。

技术特征：
1.一种利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置，其特征在于，包括：光源光路，包括激光器、第一偏振分束器，分束光路和第二偏振分束器；激光器产生的线偏振连续光经所述第一偏振分束器分成参考光束和捕获光束，所述参考光束经所述分束光路进入所述第二偏振分束器，所述捕获光束进入所述第二偏振分束器，所述第二偏振分束器将接收的所述分束光路的参考光束和捕获光束合并为合并光束；样品光路，包括第一二色镜、样品台和位置敏感探测器，所述第一二色镜接收所述第二偏振分束器出射的合并光束，并反射至所述样品台，与捕获样品作用后的光束进入所述位置敏感探测器；相机光路，包括相机，所述相机获取经样品台的光线以拍摄所述参考光束的反射光斑和参考球；处理器，用于根据所述参考球的位置和所述参考光束的聚焦位置确定所述捕获光束中光阱相对于样品面的漂移数值后，根据所述漂移数值校正所述捕获光束与样品面的相对漂移。2.如权利要求1所述的利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置，其特征在于，所述分束光路包括分束光路反射镜，所述第一偏振分束器出射的参考光束经所述分束光路反射镜反射后，进入所述第二偏振分束器。3.如权利要求2所述的利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置，其特征在于，调整所述分束光路反射镜的反射角度，使得所述参考光束和捕获光束在所述样品面上相距6
‑
10微米距离。4.如权利要求2所述的利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置，其特征在于，所述分束光路还包括一组等焦距透镜，所述第一偏振分束器出射的参考光束经所述等焦距透镜组后，将所述分束由反射镜反射至所述第二偏振分束器。5.如权利要求4所述的利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置，其特征在于，调整所述等焦距透镜组中第二透镜的位置以移动所述参考光束的轴向聚焦位置，直至所述聚焦位置位于所述捕获光束的聚焦位置的靠近物镜一侧200～400纳米。6.如权利要求1所述的利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置，其特征在于，所述光源光路还包括半波片，所述激光器产生的线偏振连续光经所述半波片改变线偏振方向后，进入所述第一偏振分束器。7.如权利要求6所述的利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置，其特征在于，所述样品光路还包括物镜、聚光镜、第三偏振分束器，所述第一二色镜，所述第一二色镜反射的合并光束经所述物镜聚焦于所述样品台后，与捕获样品作用后的光束依次经所述聚光镜、第二二色镜反射后，经透镜和所述第三偏振分束器进入所述位置敏感探测器。8.如权利要求7所述的利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置，其特征在于，还包括光源，所述光源产生的照明光线经所述第二二色镜和聚光镜照射在所述样品台上，经物镜收集后，依次经第一二色镜、反射镜和透镜进入所述相机成像。9.如权利要求8所述的利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置，其特征在于，所述样品台设有压电平台，所述处理器根据所述漂移数值控制所述压电平台移动以控制样品表面与捕获激光之间的相对距离来校正所述捕获光束与样品面的相对漂移。10.一种利用激光反射光斑来校正光镊漂移的方法，其特征在于，包括以下步骤：
将线偏振连续光分成参考光束和捕获光束，并将所述参考光束和捕获光束合并为合并光束；第一二色镜反射所述合并光束至样品台，使得所述合并光束的捕获光束与捕获样品作用后的光束进入位置敏感探测器；所述位置敏感探测器检测所述样品台承载的样品面上样品球相对于捕获激光束的位置或者所述样品台承载的样品所受到的力以及发生的位移，相机拍摄所述参考光束的反射光斑和参考球；根据所述参考球的位置和所述参考光束的聚焦位置确定所述捕获光束中光阱相对于所述样品面的漂移数值后，根据所述漂移数值校正所述捕获光束与样品面的相对漂移。
技术总结
本发明公开了一种利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置和方法。该利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置，其结构包括：光源光路，包括激光器、第一偏振分束器，分束光路和第二偏振分束器；样品光路，包括第一二色镜、样品台和位置敏感探测器；相机光路，包括相机，所述相机获取经样品台的光线以拍摄所述参考光束的反射光斑和参考球；处理器，用于根据所述漂移数值校正所述捕获光束的漂移。本发明所述利用激光反射光斑来校正光镊漂移的装置和方法通过将线偏振连续光分成参考光束和捕获光束，由于参考光束有着与捕获光束相同的位置变化，根据所述参考球的位置变化和所述参考光束的位置变化确定漂移数值后校正捕获光束与样品台的相对漂移。的相对漂移。的相对漂移。


技术研发人员：马杰 刘文钊
受保护的技术使用者：中山大学
技术研发日：2021.03.25
技术公布日：2021/6/29