CN101216414A - 多功能光学微操纵装置 - Google Patents
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Abstract
一种多功能光学微操纵装置，包括飞秒激光器、光镊激光器、光学系统、载物台、光源系统、成像系统、光谱测量系统和计算机；光学系统包括快门、衰减器、调焦镜、近红外反射镜、显微物镜；光源系统包括照明光源、聚光镜；显微物镜设置在载物台上方，可将激光发生器发出的激光聚焦至样品上；聚光镜设置在载物台下方，可将照明光源发出的可见光聚焦至样品上；成像系统包括依次设置在近红外反射镜的投射光路上的红外滤光片和CCD摄像机。本发明克服了现有激光微束技术的单一和不足，在一套系统中集成了激光光镊、飞秒激光光刀和显微光谱仪三种功能，可广泛用于生物学、医学，生物物理、材料化学以及纳米科技等领域的研究。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学微加工和测量装置。
背景技术
光学微操纵技术是指利用光学的方法对微小粒子进行精细操作和特性研究的技术，主要包括激光光镊技术、激光光刀技术以及显微光谱测量技术等。
激光光镊是一种新型的微操控手段，它利用的是光的力学效应。不同于传统的机械系统，它对微小“工件”(如生物细胞、细胞器及其它微小粒子)的夹持和移动都是用激光来实现的，是没有任何机械接触的微操纵。激光光镊的基本原理是利用光场强度空间变化形成的梯度力把微粒稳定地捕获在光场最强处，即光束的焦点位置，当激光束移动时就可以带动微粒一起运动，实现对微粒的精密操控。激光光镊具有广泛的用途，如在原子物理研究中，它可以用来研究原子冷却、玻色-爱因斯坦凝聚以及原子激光；在生物学和医学领域，它可以用来捕获单个活细胞，在细胞内操纵细胞器，完成细胞融合、染色体分选、转基因操纵等精细操作；在胶体物理研究中，它可以操作微小粒子，研究例如带相同电荷小球相互吸引的反常物理现象；在工业领域，它可用于对微小零部件进行调整、装配等微操作。中国专利99108824.7设计了一种使用光镊操控检测精子活力的装置；中国专利02262943.2设计了一种使用光镊测量分散体系稳定程度的系统。但二者都仅限于激光光镊的功能，而且应用范围非常有限。
激光光刀是一种新型的微加工手段，它利用的是光的能量效应，即将激光高度会聚到尺寸很小的一点，材料在该点吸收激光能量后产生高温气化。与普通机械加工相比，激光光刀可以实现高精度的微细切割和加工。常用的激光光刀装置包括CO2激光器和准分子激光器系统。中国专利200610029370.3设计了一种CO2激光线光刀治疗仪，但是CO2激光器工作在远红外波长，是利用其热效应对材料进行热烧蚀，缺点是切口大，速度慢。准分子激光器工作在紫外波长，通常应用于激光眼科手术中。但准分子激光器通常使用KrF气体，属于有毒气体，工作一段时间后需要重新补充，使用维护不方便。中国专利99115824.5设计了一种全固体倍频激光光刀，输出波长在208nm附近，脉宽约10ns，但该波长也属于紫外波段，紫外光在生物组织中的穿透深度很小，而且10ns的脉冲宽度也会对样品造成明显的热损伤。中国专利02160678.1设计了一种使用光镊和光刀技术相结合的用激光分选提取液相细胞内物质的技术，但是该专利没有对其使用的激光光源做任何说明，而且该技术应用面很窄，仅能用于液相细胞的研究。
工作在近红外波长(800nm)的钛宝石飞秒激光具有更深的穿透深度和更低的热损伤，非常适合生物和医学的研究。高峰值功率的飞秒激光脉冲可以用来激发强烈的多光子吸收，进而直接破坏分子键，产生多光子烧蚀。与普通连续激光和长脉冲激光烧蚀不同，飞秒多光子烧蚀具有很好的空间选择性和很小的热效应。也就是说，只有精确位于激光焦点位置的材料才能被多光子烧蚀，而位于光束其它位置的材料不受激光的影响。由于飞秒激光作用的时间极短，脉冲能量很小，它对激光焦点以外的材料产生的热效应很小。因此，飞秒激光光刀可以进行非常精细的三维微加工和切割。
显微光谱仪是一种可以非破坏性测量微小样品的透过、吸收、反射、荧光光谱特性的光学仪器。由于不同材料或样品不同区域的吸收、反射、透过特性是不同的，这种光谱分析法可以用来分析不同材料或样品不同区域的组成、浓度和结构。显微光谱仪具有一些独特的优点，比如它可以用来探测微米量级样品的光谱，同时还可以对样品实时成像，因而可广泛应用在生物、化工、材料、地矿、刑侦、制造业等领域。中国专利94244174.5设计了一种细胞光谱测定仪，可用于单细胞吸收光谱的测量。中国专利01229993.6设计了一种微区反射透射光谱仪。中国专利00117473.8设计了一种快速显微多道分光光度检测方法及其装置。但以上三种发明只能测量样品的吸收或反射光谱，由于没有激光激发装置，无法测量样品的荧光以及拉曼光谱，而且使用的都是普通的光栅光谱仪，结构复杂，体积大，不宜集成。中国专利200510027754.7设计了一种高灵敏度光镊拉曼光谱仪，将光镊技术与拉曼光谱技术结合，但仅限于细胞拉曼光谱的测量而且无法实现激光光刀的功能。
综上所述，国内外关于激光光镊、激光光刀以及显微光谱测量等技术的相关研究虽然都分别各有涉及，但目前还没有一种发明可以同时具有激光光镊、飞秒激光光刀以及显微光谱测量三种功能。
发明内容
本发明目的是提出一种多功能光学微操纵装置，同时具有激光光镊、飞秒激光光刀以及显微光谱测量三种功能，解决了现有的光学微操纵装置不同时具有激光光镊、飞秒激光光刀以及显微光谱测量等多种功能从而导致使用不方便的技术问题。
本发明的技术解决方案是：
一种多功能光学微操纵装置，包括激光发生器、光学系统、可放置样品18的载物台11、光源系统、成像系统，其特殊之处是，所述激光发生器包括飞秒激光器1；所述光学系统包括依次设置在激光光路上的快门5、衰减器6、调焦镜7、近红外反射镜9；所述光源系统包括照明光源13、聚光镜12；所述显微物镜设置在载物台上方，可将激光发生器发出的激光聚焦至样品18上；所述聚光镜12设置在载物台11下方，可将照明光源13发出的可见光聚焦至样品18上；所述成像系统包括显微物镜10。
上述激光发生器还可包括光镊激光器2，所述光学系统还包括设置在光镊激光器2前方的分束器4；所述分束器4设置在快门5和飞秒激光器1之间。
上述激光发生器还可包括光镊激光器2，所述光学系统还包括设置在飞秒激光器1前方的分束器4，所述分束器4设置在快门5和光镊激光器2之间。
上述激光发生器还可包括光镊激光器2，所述光学系统还包括设置在飞秒激光器1前方的反射镜3和设置在光镊激光器2前方的分束器4；所述反射镜3、分束器4、快门5、衰减器6、调焦镜7同轴线设置，其中分束器4设置在快门5和反射镜3之间。
上述激光发生器还可包括光镊激光器2，所述光学系统还包括设置在光镊激光器2前方的反射镜3和设置在飞秒激光器1前方的分束器4；所述反射镜3、分束器4、快门5、衰减器6、调焦镜7同轴线设置，其中分束器4设置在快门5和反射镜3之间。
上述多功能光学微操纵装置还包括光谱测量系统；所述光谱测量系统包括设置在近红外反射镜9的投射光路上的宽带分束器8以及设置在宽带分束器8反射光路上的光纤光谱仪16；所述宽带分束器8位于近红外反射镜9和红外滤光片14之间；所述光纤光谱仪16的光纤接收端到近红外反射镜9的距离与CCD摄像机15靶面到近红外反射镜9的距离相等。
上述成像系统还包括依次设置在近红外反射镜9的投射光路上的红外滤光片14和CCD摄像机15。
上述成像系统还包括与CCD摄像机15连接的监视器或者与CCD摄像机15连接的计算机17。
本发明的优点是：
1、本发明在一套系统中集成了激光光镊，飞秒激光光刀，显微光谱仪三种功能，克服了现有激光微束技术的单一和不足，同时具有激光光镊(对目标微粒进行捕捉、移动、分离)、飞秒激光光刀(对目标微粒进行打孔，切割)以及显微光谱测量(对微粒的结构与组成进行分析与检测)三大功能，可以对微粒进行捕获和三维移动，并可以进行微加工和微手术，同时还可以测量微小样品的吸收、反射、荧光以及拉曼光谱，通过光谱分析来进行样品检测。该装置为研究微小样品的光学性能提供了一个功能强大的光学微操纵平台。可广泛用于生物学、医学，生物物理、材料化学以及纳米科技等领域的研究。
2、本发明的激光光刀光源采用波长在800nm近红外波段的飞秒激光器，具有在样品内穿透深度大，热损伤小，切口精细的优点。
3、本发明使用光纤光谱仪采集微小样品的吸收、反射、荧光光谱，系统结构紧凑、体积小，可以在电脑上观察样品被测区域显微形貌的同时，实时测量选定区域的光谱。
4、本发明可将激光束聚焦至直径1μm，可对单个细胞，甚至单个细胞器进行处理，能满足大多数生物实验的要求。
附图说明
图1是多功能光学微操纵装置光路示意图，其中：1-飞秒激光器，2-光镊激光器，3-反射镜，4-分束器，5-快门，6-衰减器，7-调焦镜，8-宽带分束器，9-近红外反射镜，10-显微物镜，11-载物台，12-聚光镜，13-照明光源，14-红外滤光片，15-CCD摄像机，16-光纤光谱仪，17-计算机，18-样品；
图2是本发明装置在直径约100μm的PMMA小球表面微加工的显微照片图；
图3是本发明装置将叶绿体由植物细胞外转移到细胞内的显微照片图，其中图3a是内部没有叶绿体的植物细胞；图3b是移入外来叶绿体的植物细胞；
图4是本发明装置测量LCD彩色滤光片不同像素的吸收光谱的示意图(光谱取样空间尺寸Φ15μm@40X)。
具体实施方式
一种多功能光学微操纵装置，参见图1，包括激光发生器、光学系统、可放置样品18的载物台11、光源系统、成像系统、光谱测量系统和计算机17，激光发生器包括飞秒激光器1和光镊激光器2；光学系统包括设置在飞秒激光器1前方的反射镜3、设置在光镊激光器2前方的分束器4以及依次设置在激光光路上的快门5、衰减器6、调焦镜7、近红外反射镜9、显微物镜10，反射镜3、分束器4、快门5、衰减器6、调焦镜7同轴线设置，其中分束器4设置在快门5和反射镜3之间；光源系统包括照明光源13、聚光镜12；显微物镜设置在载物台上方，可将激光发生器发出的激光聚焦至样品18上；聚光镜12设置在载物台11下方，可将照明光源13发出的可见光聚焦至样品18上；成像系统包括依次设置在近红外反射镜9的投射光路上的红外滤光片14和CCD摄像机15；光谱测量系统包括设置在近红外反射镜9的投射光路上的宽带分束器8以及设置在宽带分束器8反射光路上的光纤光谱仪16(也可采用其他形式的光谱仪)，其中宽带分束器8位于近红外反射镜9和红外滤光片14之间，光纤光谱仪16的光纤接收端到近红外反射镜9的距离与CCD摄像机15靶面到近红外反射镜9的距离相等。飞秒激光器1可选用波长在800nm～1100nm近红外波段的钛宝石飞秒激光器或光纤飞秒激光器，光镊激光器2可选用波长位于650nm～1100nm的近红外波段连续的半导体激光器或固体激光器，快门5为电动快门，载物台11为电控载物台或手动载物台，CCD摄像机15为模拟CCD摄像机或数字CCD摄像机。
1、飞秒激光光刀操作
进行飞秒激光光刀操作时，飞秒激光束经过全反镜3、分束器4、快门5、衰减器6、调焦镜7、近红外反射镜9进入显微物镜10。控制载物台11精密移动使激光准确作用于样品的待处理位置，前后移动调焦镜7可以调节激光光斑的大小，由快门5控制飞秒激光的作用时间，衰减器6控制飞秒激光的作用强度，控制载物台11的三维精密移动可以在样品上打孔和切割。使用CCD摄像机15采集样品的静态照片。也可由软件设定图像采集时间范围，将样品在设定时间的变化动态过程(视频文件)存入计算机17。图2是本发明装置在直径约100μm的PMMA小球表面微加工的显微照片图。
2、激光光镊操作
待处理样品18置于载物台11上，通过显微物镜10成像，图像经CCD摄像机15输入计算机17，操作者可通过显示器进行观察，调节显微物镜10的高度与照明光源13的亮度使成像清楚。光镊激光经过分束器4、快门5、衰减器6、调焦镜7、近红外反射镜9进入显微物镜10，聚焦于样品18的目标微粒上进行捕获，前后移动调焦镜7可以调节激光光斑的大小，进行光镊移动操作时可以采用激光束捕获微粒不动，通过移动载物台11来实现微粒的相对移动，也可以通过调节分束器4的角度来控制激光束扫描从而移动微粒。图3是本发明装置将叶绿体由植物细胞外转移到细胞内的显微照片图，其中图3a是内部没有叶绿体的植物细胞；图3b是移入外来叶绿体的植物细胞。
3、显微光谱测量
进行样品18的显微吸收或反射光谱测量时，关掉飞秒激光器1和光镊激光器2，样品18位于载物台11上，调节照明光源13的亮度使样品成像清晰，照明光通过样品18后经过宽带分束器8进入光纤光谱仪16，通过计算机17控制光谱采集软件可以直接获得待测样品在视场中心区域的吸收以及反射光谱。图4是本发明装置测量LCD彩色滤光片不同像素的吸收光谱的示意图(光谱取样空间尺寸Φ15μm@40X)。
进行样品18的显微荧光或拉曼光谱测量时，打开飞秒激光器1，控制载物台11精密移动使飞秒激光准确作用于样品18的待测量位置。利用飞秒激光的高峰值功率诱导样品产生双光子荧光以及拉曼散射，从而测量样品的显微荧光以及拉曼光谱。
Claims (10)
1.一种多功能光学微操纵装置，包括激光发生器、光学系统、可放置样品(18)的载物台(11)、光源系统、成像系统，其特殊之处是，所述激光发生器包括飞秒激光器(1)；所述光学系统包括依次设置在激光光路上的快门(5)、衰减器(6)、调焦镜(7)、近红外反射镜(9)；所述光源系统包括照明光源(13)、聚光镜(12)；所述显微物镜设置在载物台上方，可将激光发生器发出的激光聚焦至样品(18)上；所述聚光镜(12)设置在载物台(11)下方，可将照明光源(13)发出的可见光聚焦至样品(18)上；所述成像系统包括显微物镜(10)。
2.根据权利要求1所述的多功能光学微操纵装置，其特征在于：所述激光发生器还包括光镊激光器(2)，所述光学系统还包括设置在光镊激光器(2)前方的分束器(4)；所述分束器(4)设置在快门(5)和飞秒激光器(1)之间。
3.根据权利要求1所述的多功能光学微操纵装置，其特征在于：所述激光发生器还包括光镊激光器(2)，所述光学系统还包括设置在飞秒激光器(1)前方的分束器(4)，所述分束器(4)设置在快门(5)和光镊激光器(2)之间。
4.根据权利要求1所述的多功能光学微操纵装置，其特征在于：所述激光发生器还包括光镊激光器(2)，所述光学系统还包括设置在飞秒激光器(1)前方的反射镜(3)和设置在光镊激光器(2)前方的分束器(4)；所述反射镜(3)、分束器(4)、快门(5)、衰减器(6)、调焦镜(7)同轴线设置，其中分束器(4)设置在快门(5)和反射镜(3)之间。
5.根据权利要求1所述的多功能光学微操纵装置，其特征在于：所述激光发生器还包括光镊激光器(2)，所述光学系统还包括设置在光镊激光器(2)前方的反射镜(3)和设置在飞秒激光器(1)前方的分束器(4)；所述反射镜(3)、分束器(4)、快门(5)、衰减器(6)、调焦镜(7)同轴线设置，其中分束器(4)设置在快门(5)和反射镜(3)之间。
6.根据权利要求1至5之任一权利要求所述的多功能光学微操纵装置，其特征在于：所述成像系统还包括依次设置在近红外反射镜(9)的投射光路上的红外滤光片(14)和CCD摄像机(15)。
7.根据权利要求6所述的多功能光学微操纵装置，其特征在于：所述成像系统还包括与CCD摄像机(15)连接的监视器或者与CCD摄像机(15)连接的计算机(17)。
8.根据权利要求1至5之任一权利要求所述的多功能光学微操纵装置，其特征在于：所述多功能光学微操纵装置还包括光谱测量系统；所述光谱测量系统包括设置在近红外反射镜(9)的投射光路上的宽带分束器(8)以及设置在宽带分束器(8)反射光路上的光纤光谱仪(16)；所述宽带分束器(8)位于近红外反射镜(9)和红外滤光片(14)之间；所述光纤光谱仪(16)的光纤接收端到近红外反射镜(9)的距离与CCD摄像机(15)靶面到近红外反射镜(9)的距离相等。
9.根据权利要求8所述的多功能光学微操纵装置，其特征在于：所述成像系统还包括依次设置在近红外反射镜(9)的投射光路上的红外滤光片(14)和CCD摄像机(15)。
10.根据权利要求9所述的多功能光学微操纵装置，其特征在于：所述成像系统还包括与CCD摄像机(15)连接的监视器或者与CCD摄像机(15)连接的计算机(17)。
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