先锋科技-光镊应用分享

先锋科技 | 关于光镊的应用

      光镊技术是美国科学家于 1986 年发明的。光镊又称为单光束梯度光阱。简单的说。就是用一束高度汇聚的激光形成的三维势阱来俘获，操纵控制微小粒子。自诞生以来，光镊技术已经在微米尺度量级粒子的操纵控制，粒子间的相互作用等方面的研究中发挥了重要作用。迄今为止，与光镊技术相关的工作已获得三次诺贝尔物理奖：1997年激光原子冷却技术、2001年玻色*因斯坦凝聚以及2018年光镊技术。

      光镊的发明使光的力学效应走向实际应用，使人们在许多研究中从被动的观察转而成为主动的操控，同时光镊对于捕获微小粒子、测量微小作用力及生产微小器件等许多方面都有非常重要的意义：对细胞操控的研究、对细胞应变能力的研究、对细胞横向光阱力的研究、光镊与拉曼荧光光谱测量技术的结合、光镊与光刀的结合等等。

      针对光镊应用，卓立汉光可以配合老师搭建完整的系统或是提供对应的部件：

1. 激光器

      光镊应用对于激光器的稳定性以及光束质量有着较高的要求，选择一款稳定可靠的激光器对于实验起着至关重要的作用。Laser Quantum 公司成立于1994 年 , 位于英国柴郡 , 是英国*大的激光器制造商 , 现有员工120人 , 连续20年向全*科研和工业市场提供连续激光器、超快激光器和振荡器。连续激光器高功率高达 16W。Laser Quantum 公司*特的二极管泵浦固体激光器 (DPSS) 以 OEM 方式被很多著名公司选用 , 如法国 JY 公司的拉曼光谱仪等等。

1.1.Ventus 紧凑型低噪音 DPSS 激光器

      Ventus 系列激光器设计紧凑、结实、噪音低、稳定性高，寿命长，波长范围473nm，532nm，561nm，660nm， 671nm 可选，是科研市场的*选产品。由于其功率和波长范围广，Ventus系列激光器可应用在拉曼光谱、光镊、光遗传和荧光成像。

左图 , Ventus 532 蓝线为输出功率 , 红线为 RMS 噪声随二极体泵浦源驱动电流的变化图右图 , Ventus 532 出光 100 个小时后的输出功率 ( 蓝线 ) 及噪声。

1.2 Finesse 系列

      Finesse 系列激光器是一款取得诺贝尔奖获得者首肯并且被全*行业用户认可的产品。其显著特征是拥有低于0.02%的超低噪声及通过fto2f非线性干涉仪对CEP进行反馈控制。其功率*高可以做到16W。

      Finesse pure CEP 不需要外置的 AOM 元件 ,提供了简单的光学系统整合方案。

      Finesse pure 超过 70 小时的出光测试 ,噪声 ( 红线 )~0.01%, 功率稳定度 ( 蓝线 )<0.05%。

2. 激光测量产品

      光镊实验中，对于光源稳定的测试以及出射光斑的光束质量的测试很有必要。我司*家代理以色列OPHIR激光测试产品20年以上。

      以色列OPHIR公司具备超过40年的激光功率能量研发制造经验，拥有热电堆探头、热释电探头、光电管探头全线研发制造能力。自行开发的多种吸收材料、吸收体可各种类型激光器不同的波长、功率 / 能量范围、脉冲宽度等多样化需求。

      OPHIR公司具备全套专业的校准能力。所有的探头校准都采用可溯源NIST的标准功率激光器或标准探头。除了针对探头在各个波长进行校准外，功率能量探头的设计还有很多复杂而精巧的考量，例如探头表面不同位置响应的不一致性、脉冲频率对热释电探头响应的影响、脉冲宽度/平均功率对能量损伤阈值的影响 OPHIR 借助丰富的经验，在研发设计中充分考量这些因素，并在校准时予以完*、准确定量计量，确保用户能获得完整的计量准确性。

      除了激光功率/能量外，激光在传输方向横截面的强度分布以及激光的传输特性，也是激光器应用中决定性的因素：绝大多数应用需要根据激光的传输特性（M2）来设计光路；定量科学实验和高品质激光加工都需要实际测量激光焦点的分布。同时，很多激光器在使用中，泵浦源或光学器件衰减首先体现在激光光斑的变化上，定期测试激光光斑有助于提前发现衰减倾向，及早维护，降低维护成本、缩短停机时间，预防激光器性能突变导致产线灾害。

      激光的截面强度分布的测量（光斑分析）通常采用光束分析仪，而传输特性通常用M2表征。

      Spiricon 公司是业内久负盛名的激光光束分析仪和 M2 生产厂家，自上世纪七十年代末开始研发提供激光光束品质分析仪，并参与制定了光斑测量的 ISO11146-3 标准。产品种类覆盖 CCD 相机式光束分析仪、InGaAs 面阵相机光束分析仪、热释电晶体面阵光束分析仪、狭缝扫描式光束分析仪、全自动 M2 测量仪、高功率激光聚焦测试仪等，波长覆盖 13nm ~ 3000µm，广泛应用于激光器 制造、激光精密加工、光通讯、太赫兹、激光科学研究等领域。Spiricon公司2006年加入 OPHIR 集团，使后者成为激光测量全系解决方案的供应商。

3.定制光路系统-CS 系列笼式系统

      光镊应用同样对于光路系统的调整以及稳定性有着很高要求，卓立汉光的笼式系统光机组件不仅仅是简单的光学系统搭建工具，更为科研人员提供了一系列解 决方案的强大工具。CS系列笼式组件可用于*端科研仪器集成化的定制化搭建，可被广泛应用于如空间光调制器、DMD 衍射系统、 白光干涉仪、移相干涉仪、生物传感器系统、多相机成像系统、超辨系统、光镊系统、显微系统等领域。

      笼式系统的设计理念源于对光学系统搭建过程的深入理解。其核心思想是将各个光学元件以*优的方式集成到一起，使得搭建过程变得更为简单、精确且高效。这不仅降低了搭建过程的复杂性，同时也极大地提高了系统的稳定性和可靠性。

      笼式系统中的光学调整架设计巧妙，功能丰富。它不仅可以实现光学元件在三维空间中的自由调整，而且还可以进行各种精细的微调，如俯仰、偏转、旋转或 XYZ 平移等。这种设计使得科研人员可以更加灵活地调整光学元件的位置和角度，以获得*佳的实验效果。

4.气浮隔振光学平台

      为了保证*佳的实验效果，隔振平台也是必*可*的。NAP系列是卓立汉光采用三线摆技术、层流阻尼技术所设计的高性能气浮隔振平台，竖直方向和水平方向隔振性能好、振动恢复时间短。

NAP系列气浮隔振光学平台特点：

• 引入对隔振有较好效果的三线摆系统。

• 采用层流阻尼元件，系统反应更灵敏。

• 自带四角防护板，具有台面气浮高度指示功能，调节更便捷。

• 标准台面上台板材料为SUS430（1Cr17）高导磁不锈钢，台面也可选择整体材料为SUS304弱磁不锈钢面包板， 台面也可选择整体材料为SUS316极弱磁不锈钢面包板。

5. 光镊-拉曼光谱联用系统

      RTS-LTRS光镊拉曼光谱系统是北京卓立汉光仪器有限公司全新推出的光镊-拉曼联用系统，该系统结合先进的光镊微控技术与拉曼分子识别分析技术，高度集成、性能稳定、易于操作，能够实现同时控制大量(200个)目标和高精度的微纳米级颗粒物的分析测量。

光镊原理：采用100kHz AOD（声光偏转器）高速分时扫描不同位置，从而形成多个光阱；区别于传统的光镊技术 ，这种技术可以实现：

1. 控制目标更多 ：可以产生 200 个以上的光阱 ， 同时捕获 200 个以上的目标微粒；

2. 控制激光强度 ：0~100% ，可独立控制每个光阱

3. 控制光阱移动 ：轨迹、步长、速度等

4. 降低光阱的漂移 ：光阱间漂移仅 0.05nm/min

5. 提高测力精度 ：更加精确定位光阱坐标

6. 降低系统噪音 ：无机械振动 ，提高整体稳定性

系统介绍

      RTS-LTRS 光镊拉曼光谱系统有两种结构（如下图所示）

      结构一：在卓立汉光自主研制的标准RTS显微共聚焦拉曼光谱仪的基础上配置具有双层无限远光路的倒置显微镜 ，上层光路多光阱光镊系统，下层光路为拉曼光路出入口，可内置不同波长激光器，也可外部耦合激光器，拉曼信号通过光纤或者空间光路耦合到光谱仪，光路如下：

      结构二：在卓立汉光自主研制的标准 RTS 显微共聚焦拉曼光谱仪的基础上配置具有双层无限远光路的倒 置显微镜，上层光路多光阱光镊系统，拉曼激光从显微镜的侧口进入，拉曼信号原路返回接光谱仪，可内置不 同波长激光器，也可外部耦合激光器，拉曼信号通过光纤或者空间光路耦合到光谱仪，光路如下：