先鋒科技 | 關(guān)于光鑷的應(yīng)用

光鑷技術(shù)是美國科學(xué)家于 1986 年發(fā)明的。光鑷又稱為單光束梯度光阱。簡單的說。就是用一束高度匯聚的激光形成的三維勢阱來俘獲，操縱控制微小粒子。自誕生以來，光鑷技術(shù)已經(jīng)在微米尺度 量級粒子的操縱控制，粒子間的相互作用等方面的研究中發(fā)揮了重要作用。迄今為止，與光鑷技術(shù)相關(guān)的工作已獲得三次諾貝爾物理獎：1997 年激光原子冷卻技術(shù)、2001年玻色*因斯坦凝聚以及 2018 年光鑷技術(shù)。

光鑷的發(fā)明使光的力學(xué)效應(yīng)走向?qū)嶋H應(yīng)用，使人們在許多研究中從被動的觀察轉(zhuǎn)而成為主動的操控,同時光鑷對于捕獲微小粒子、測量微小作用力及生產(chǎn)微小器件等許多方面都有非常重要的意義： 對細胞操控的研究、對細胞應(yīng)變能力的研究、對細胞橫向光阱力的研究、光鑷與拉曼熒光光譜測量技術(shù)的結(jié)合、光鑷與光刀的結(jié)合等等。

針對光鑷應(yīng)用，卓立漢光可以配合老師搭建完整的系統(tǒng)或是提供對應(yīng)的部件：

1. 激光器

光鑷應(yīng)用對于激光器的穩(wěn)定性以及光束質(zhì)量有著較高的要求，選擇一款穩(wěn)定可靠的激光器對于實 驗起著至關(guān)重要的作用。Laser Quantum 公司成立于 1994 年 , 位于英國柴郡 , 是英國最大的激 光器制造商 , 現(xiàn)有員工120 人 , 連續(xù) 20 年向全球科研和工業(yè)市場提供連續(xù)激光器、超快激光器 和振蕩器。連續(xù)激光器高功率高達 16W。Laser Quantum 公司*特的二極管泵浦固體激光器 (DPSS) 以 OEM 方式被很多著名公司選用 , 如法國 JY 公司的拉曼光譜儀等等。

1.1.Ventus 緊湊型低噪音 DPSS 激光器

Ventus 系列激光器設(shè)計緊湊、結(jié)實、噪音低、穩(wěn)定性高，壽命長，波長范圍473nm，532nm，561nm，660nm， 671nm 可選，是科研市場的*選產(chǎn)品。由于其功率和波長范圍廣，Ventus系列激光器可應(yīng)用在拉曼光譜、光鑷、光遺傳和熒光成像。

左圖 , Ventus 532 藍線為輸出功率 , 紅線為 RMS 噪聲隨二極體泵浦源驅(qū)動電流的變化圖右圖 , Ventus 532 出光 100 個小時后的輸出功率 ( 藍線 ) 及噪聲。

1.2 Finesse 系列

Finesse 系列激光器是一款取得諾貝爾獎獲得者首肯并且被全球行業(yè)用戶認可的產(chǎn)品。其顯著特 征是擁有低于0.02%的超低噪聲及通過fto2f非線性干涉儀對CEP進行反饋控制。其功率最高可以做到16W。

Finesse pure CEP 不需要外置的 AOM 元件 ,提供了簡單的光學(xué)系統(tǒng)整合方案。

Finesse pure 超過 70 小時的出光測試 ,噪聲 ( 紅線 )~0.01%, 功率穩(wěn)定度 ( 藍線 )<0.05%。

2. 激光測量產(chǎn)品

光鑷實驗中，對于光源穩(wěn)定的測試以及出射光斑的光束質(zhì)量的測試很有必要。我司*家代理以色列OPHIR激光測試產(chǎn)品20年以上。

以色列OPHIR公司具備超過40年的激光功率能量研發(fā)制造經(jīng)驗，擁有熱電堆探頭、熱釋電探頭、光電管探頭全線研發(fā)制造能力。自行開發(fā)的多種吸收材料、吸收體可各種類型激光器不同的波長、功率 / 能量范圍、脈沖寬度等多樣化需求。

OPHIR公司具備全套專業(yè)的校準能力。所有的探頭校準都采用可溯源NIST的標準功率激光器 或標準探頭。除了針對探頭在各個波長進行校準外，功率能量探頭的設(shè)計還有很多復(fù)雜而精巧的考量，例如探頭表面不同位置響應(yīng)的不一致性、脈沖頻率對熱釋電探頭響應(yīng)的影響、脈沖寬度/平均功率對能量損傷閾值的影響 OPHIR 借助豐富的經(jīng)驗，在研發(fā)設(shè)計中充分考量這些因素，并在校準時予以完*、準確定量計量，確保用戶能獲得完整的計量準確性。

除了激光功率/能量外，激光在傳輸方向橫截面的強度分布以及激光的傳輸特性，也是激光器應(yīng)用中決定性的因素：絕大多數(shù)應(yīng)用需要根據(jù)激光的傳輸特性（M2）來設(shè)計光路；定量科學(xué)實驗和高品質(zhì)激光加工都需要實際測量激光焦點的分布。同時，很多激光器在使用中，泵浦源或光學(xué)器件衰 減首先體現(xiàn)在激光光斑的變化上，定期測試激光光斑有助于提前發(fā)現(xiàn)衰減傾向，及早維護，降低維護成本、縮短停機時間，預(yù)防激光器性能突變導(dǎo)致產(chǎn)線災(zāi)害。

激光的截面強度分布的測量（光斑分析）通常采用光束分析儀，而傳輸特性通常用M2表征。

Spiricon 公司是業(yè)內(nèi)久負盛名的激光光束分析儀和 M2 生產(chǎn)廠家，自上世紀七十年代末開始研 發(fā)提供激光光束品質(zhì)分析儀，并參與制定了光斑測量的 ISO11146-3 標準。產(chǎn)品種類覆蓋 CCD 相機式光束分析儀、InGaAs 面陣相機光束分析儀、熱釋電晶體面陣光束分析儀、狹縫掃描式光束分析儀、全自動 M2 測量儀、高功率激光聚焦測試儀等，波長覆蓋 13nm ~ 3000µm，廣泛應(yīng)用于激光器 制造、激光精密加工、光通訊、太赫茲、激光科學(xué)研究等領(lǐng)域。Spiricon公司2006年加入 OPHIR 集團，使后者成為激光測量全系解決方案的供應(yīng)商。

3.定制光路系統(tǒng)-CS 系列籠式系統(tǒng)

光鑷應(yīng)用同樣對于光路系統(tǒng)的調(diào)整以及穩(wěn)定性有著很高要求，卓立漢光的籠式系統(tǒng)光機組件不僅僅是簡單的光學(xué)系統(tǒng)搭建工具，更為科研人員提供了一系列解 決方案的強大工具。CS系列籠式組件可用于*端科研儀器集成化的定制化搭建，可被廣泛應(yīng)用于如空間光調(diào)制器、DMD 衍射系統(tǒng)、 白光干涉儀、移相干涉儀、生物傳感器系統(tǒng)、多相機成像系統(tǒng)、超辨系統(tǒng)、光鑷系統(tǒng)、顯微系統(tǒng)等領(lǐng)域。

籠式系統(tǒng)的設(shè)計理念源于對光學(xué)系統(tǒng)搭建過程的深入理解。其核心思想是將各個光學(xué)元件以*優(yōu)的方式集成到一起，使得搭建過程變得更為簡單、精確且高效。這不僅降低了搭建過程的復(fù)雜性，同時也極大地提高了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

籠式系統(tǒng)中的光學(xué)調(diào)整架設(shè)計巧妙，功能豐富。它不僅可以實現(xiàn)光學(xué)元件在三維空間中的自由調(diào)整，而且還可以進行各種精細的微調(diào)，如俯仰、偏轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)或 XYZ 平移等。這種設(shè)計使得科研人員可以更加靈活地調(diào)整光學(xué)元件的位置和角度，以獲得最佳的實驗效果。

4.氣浮隔振光學(xué)平臺

為了保證最佳的實驗效果，隔振平臺也是必*可*的。NAP系列是卓立漢光采用三線擺技術(shù)、層流阻尼技術(shù)所設(shè)計的高性能氣浮隔振平臺，豎直方向和水平方向隔振性能好、振動恢復(fù)時間短。

NAP系列氣浮隔振光學(xué)平臺特點：

• 引入對隔振有較好效果的三線擺系統(tǒng)。

• 采用層流阻尼元件，系統(tǒng)反應(yīng)更靈敏。

• 自帶四角防護板，具有臺面氣浮高度指示功能，調(diào)節(jié)更便捷。

• 標準臺面上臺板材料為SUS430（1Cr17）高導(dǎo)磁不銹鋼，臺面也可選擇整體材料為SUS304弱磁不銹鋼面包板， 臺面也可選擇整體材料為SUS316極弱磁不銹鋼面包板。

5. 光鑷-拉曼光譜聯(lián)用系統(tǒng)

RTS-LTRS光鑷拉曼光譜系統(tǒng)是北京卓立漢光儀器有限公司全新推出的光鑷-拉曼聯(lián)用系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)合先進的光鑷微控技術(shù)與拉曼分子識別分析技術(shù)，高度集成、性能穩(wěn)定、易于操作，能夠?qū)崿F(xiàn)同時控制大量(200個)目標和高精度的微納米級顆粒物的分析測量。

光鑷原理：采用100kHz AOD（聲光偏轉(zhuǎn)器）高速分時掃描不同位置，從而形成多個光阱；區(qū)別于傳統(tǒng)的光鑷技術(shù) ，這種技術(shù)可以實現(xiàn)：

1. 控制目標更多 ：可以產(chǎn)生 200 個以上的光阱 ， 同時捕獲 200 個以上的目標微粒；

2. 控制激光強度 ：0~100% ，可獨立控制每個光阱

3. 控制光阱移動 ：軌跡、步長、速度等

4. 降低光阱的漂移 ：光阱間漂移僅 0.05nm/min

5. 提高測力精度 ：更加精確定位光阱坐標

6. 降低系統(tǒng)噪音 ：無機械振動 ，提高整體穩(wěn)定性

系統(tǒng)介紹

RTS-LTRS 光鑷拉曼光譜系統(tǒng)有兩種結(jié)構(gòu)（如下圖所示）

結(jié)構(gòu)一：在卓立漢光自主研制的標準RTS顯微共聚焦拉曼光譜儀的基礎(chǔ)上配置具有雙層無限遠光路的倒置顯微鏡 ，上層光路多光阱光鑷系統(tǒng)，下層光路為拉曼光路出入口，可內(nèi)置不同波長激光器，也可外部耦合激光器，拉曼信號通過光纖或者空間光路耦合到光譜儀，光路如下：

結(jié)構(gòu)二：在卓立漢光自主研制的標準 RTS 顯微共聚焦拉曼光譜儀的基礎(chǔ)上配置具有雙層無限遠光路的倒 置顯微鏡，上層光路多光阱光鑷系統(tǒng)，拉曼激光從顯微鏡的側(cè)口進入，拉曼信號原路返回接光譜儀，可內(nèi)置不 同波長激光器，也可外部耦合激光器，拉曼信號通過光纖或者空間光路耦合到光譜儀，光路如下：