GCS-TLTS 激光光镊原理与技术实验系统

利用激光微束的动力学效应操纵和控制微小粒子运动是 20 世纪 70 年代初提出的一项高新技术，最早的研究是

基于控制原子运动的考虑，如加速、偏转、冷却原子束。激光微束操纵原子的技术于 80 年代中后期移植到生物微体 上，已经用“光阱”成功地捕获了电解质小球、病毒、细菌、活细胞、细胞器，甚至 DNA 等，并在理论上给予了深 入的研究。本实验将激光束整形聚焦技术与同轴照明显微技术通过“大恒共轴系统”完美结合在一起，既可以让使 用者清晰地观察到微米级的细胞粒子世界，又可以通过激光束精确地实现对细胞粒子的捕捉与移动，还可以进一步 拓展成为课题性研究激光束、光束梯度力、微粒大小与质量之间的关系与现实应用的实验系统。

◆ 知识点：

激光光束整形聚焦、高斯光斑、同轴耦合照明、显微倍率、光阱、梯度力

◆ 涉及课程：

几何光学、物理光学、激光原理

◆ 实验内容：

·搭建调试激光束聚焦系统

·搭建调试同轴照明显微成像系统

·制备酵母菌细胞培养液，在构建的光镊系统下，对细胞进行抓取操控

·改变激光强度，观察激光强度与光镊束缚力大小的关系

◆ 实验原理：

光辐射将对物体产生力，主要表现为压力，称之为光辐射压力或光压。光压也可看成是光子流产生的压强。光 压虽然很小，往往只有几个 pN，但它足以克服微米级粒子的重力或摩擦力，实现对微粒的束缚与搬运。

如果微粒的折射率大于周围的介质折射率，微粒所受光束的合力方向指向光束焦点，力的大小与光束的会聚程

度与功率有关，正比于光的强度梯度，称之为梯度力。一旦微粒进入光束焦点附近，就可能被捕捉。 可用简单的数学公式表达几何光学近似下梯度力 F 的大小为：

n 为微粒周围介质的折射率，P 是激光束功率，c 为光速，Q 为一个小于 1 的无量纲数，称为陷阱效率系数，它 与被捕获粒子特性和光束会聚程度有关，通常由实验具体研究获得。

◆ 原理示意图：

光路示意图（正置）

光镊示意图（倒置）

◆ 效果图：

◆ 技术指标：

·同轴框架结构：高精度不锈钢杆主体框架模块，杆间距 30mm，杆数量 4 根；三维转接多节点模块；叉式压板不锈钢立 柱支撑模块；同轴框架可搭载移动式 Φ25.4mm 镜框、LED 光源架、分光棱镜架等主要光学原件支撑架；

·固体激光器：波长 532nm，输出功率不小于 50mW，横模分布 TEM00，TEC 温度控制范围 15-25℃；激光稳定性约 3%；

（可扩展其他波长与输出功率）

·多孔固定板：长宽 600*450mm，M6 螺纹孔，孔间距 25*25mm，表面发黑处理；

·同轴照明 LED 光源：功耗 >1W，亮度可调；

·反射镜组件：K9 基底，表面镀高反铝膜，Φ25.4mm，R>95%；

·中继成像透镜组件：K9 基底，表面镀增透膜，Φ25.4mm，f=150mm；

·圆形可调衰减器组件：激光功率调整范围，0-1/1000 连续可调；

·显微成像系统：40×，长工作距平场设计，畸变小；

·X、Y 平移组件：二维移动行程 25mm，系统分辨率 1um，最小读数 10um，台面 65×65mm；

·Z 向移动组件：

行程 50mm，75mm 台面，系统分辨率 1um，滚珠丝杠传动；（正置光镊配置）

行程 25mm，台面尺寸 65*66mm，系统分辨率 10um，交叉滚珠导轨传动；（倒置光镊配置）

·CMOS 数字相机组件：

分辨率 2048×1536，量化深度 8bit，像素大小 3.2μm×3.2μm，USB2.0 通信接口；最小曝光时间 119us；（正置光镊配置） 分辨率 1280×1024，量化深度 8bit，像素大小 5.2μm×5.2μm，USB2.0 通信接口；最小曝光时间 119us；（倒置光镊配置）

·精密机械调整架：角度精度 ±4′，分辨率 0.005mm，调节机构保证等双轴等高，横向偏差 1′，纵向偏差 1′；

·光学元件 BK7 A 级精密退火材料，焦距 ±2%，直径 -0.2mm，中心偏差 3′，光圈 1-5；局部误差 0.2-0.5，面粗糙度 60/40（Scratch/Dig），氟化镁增透膜镀膜，有效孔径 90%；

◆ 设备成套性：

底座台板、XYZ 三维移动平台、同轴耦合照明显微成像与激光束整形聚焦立体共轴系统、数字摄像机、图像采 集及显示软件、激光功率调整器

◆ 选配清单：

光学平台、光学清洁箱、激光防护眼镜、光学存储干燥箱、实验设备展板

◆ 建议课时：

4 课时