先鋒科技 | 關(guān)于光鑷的應(yīng)用

光鑷技術(shù)是美國(guó)科學(xué)家于 1986 年發(fā)明的。光鑷又稱為單光束梯度光阱。簡(jiǎn)單的說(shuō)。就是用一束高度匯聚的激光形成的三維勢(shì)阱來(lái)俘獲，操縱控制微小粒子。自誕生以來(lái)，光鑷技術(shù)已經(jīng)在微米尺度 量級(jí)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(jiǎng)：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?cè)谠S多研究中從被動(dòng)的觀察轉(zhuǎn)而成為主動(dòng)的操控,同時(shí)光鑷對(duì)于捕獲微小粒子、測(cè)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(duì)細(xì)胞操控的研究、對(duì)細(xì)胞應(yīng)變能力的研究、對(duì)細(xì)胞橫向光阱力的研究、光鑷與拉曼熒光光譜測(cè)量技術(shù)的結(jié)合、光鑷與光刀的結(jié)合等等。

針對(duì)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(duì)應(yīng)的部件：

1. 激光器

光鑷應(yīng)用對(duì)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(duì)于實(shí) 驗(yàn)起著至關(guān)重要的作用。Laser Quantum 公司成立于 1994 年 , 位于英國(guó)柴郡 , 是英國(guó)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(chǎng)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(dá) 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(guó) 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(jì)緊湊、結(jié)實(shí)、噪音低、穩(wěn)定性高，壽命長(zhǎng)，波長(zhǎng)范圍473nm，532nm，561nm，660nm， 671nm 可選，是科研市場(chǎng)的*選產(chǎn)品。由于其功率和波長(zhǎng)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(lán)線為輸出功率 , 紅線為 RMS 噪聲隨二極體泵浦源驅(qū)動(dòng)電流的變化圖右圖 , Ventus 532 出光 100 個(gè)小時(shí)后的輸出功率 ( 藍(lán)線 ) 及噪聲。

1.2 Finesse 系列

Finesse 系列激光器是一款取得諾貝爾獎(jiǎng)獲得者首肯并且被全球行業(yè)用戶認(rèn)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(guò)fto2f非線性干涉儀對(duì)CEP進(jìn)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(jiǎn)單的光學(xué)系統(tǒng)整合方案。

Finesse pure 超過(guò) 70 小時(shí)的出光測(cè)試 ,噪聲 ( 紅線 )~0.01%, 功率穩(wěn)定度 ( 藍(lán)線 )<0.05%。

2. 激光測(cè)量產(chǎn)品

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

以色列OPHIR公司具備超過(guò)40年的激光功率能量研發(fā)制造經(jīng)驗(yàn)，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(zhǎng)、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(zhǔn)能力。所有的探頭校準(zhǔn)都采用可溯源NIST的標(biāo)準(zhǔn)功率激光器 或標(biāo)準(zhǔn)探頭。除了針對(duì)探頭在各個(gè)波長(zhǎng)進(jìn)行校準(zhǔn)外，功率能量探頭的設(shè)計(jì)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(duì)熱釋電探頭響應(yīng)的影響、脈沖寬度/平均功率對(duì)能量損傷閾值的影響 OPHIR 借助豐富的經(jīng)驗(yàn)，在研發(fā)設(shè)計(jì)中充分考量這些因素，并在校準(zhǔn)時(shí)予以完*、準(zhǔn)確定量計(jì)量，確保用戶能獲得完整的計(jì)量準(zhǔn)確性。

除了激光功率/能量外，激光在傳輸方向橫截面的強(qiáng)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(lái)設(shè)計(jì)光路；定量科學(xué)實(shí)驗(yàn)和高品質(zhì)激光加工都需要實(shí)際測(cè)量激光焦點(diǎn)的分布。同時(shí)，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(cè)試激光光斑有助于提前發(fā)現(xiàn)衰減傾向，及早維護(hù)，降低維護(hù)成本、縮短停機(jī)時(shí)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(qiáng)度分布的測(cè)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(fù)盛名的激光光束分析儀和 M2 生產(chǎn)廠家，自上世紀(jì)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(cè)量的 ISO11146-3 標(biāo)準(zhǔn)。產(chǎn)品種類覆蓋 CCD 相機(jī)式光束分析儀、InGaAs 面陣相機(jī)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(dòng) M2 測(cè)量?jī)x、高功率激光聚焦測(cè)試儀等，波長(zhǎng)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(tuán)，使后者成為激光測(cè)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(duì)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(jī)組件不僅僅是簡(jiǎn)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(qiáng)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(jī)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(jì)理念源于對(duì)光學(xué)系統(tǒng)搭建過(guò)程的深入理解。其核心思想是將各個(gè)光學(xué)元件以*優(yōu)的方式集成到一起，使得搭建過(guò)程變得更為簡(jiǎn)單、精確且高效。這不僅降低了搭建過(guò)程的復(fù)雜性，同時(shí)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(jì)巧妙，功能豐富。它不僅可以實(shí)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(jìn)行各種精細(xì)的微調(diào)，如俯仰、偏轉(zhuǎn)、旋轉(zhuǎn)或 XYZ 平移等。這種設(shè)計(jì)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(shí)驗(yàn)效果。

4.氣浮隔振光學(xué)平臺(tái)

為了保證最佳的實(shí)驗(yàn)效果，隔振平臺(tái)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(jì)的高性能氣浮隔振平臺(tái)，豎直方向和水平方向隔振性能好、振動(dòng)恢復(fù)時(shí)間短。

NAP系列氣浮隔振光學(xué)平臺(tái)特點(diǎn)：

• 引入對(duì)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(hù)板，具有臺(tái)面氣浮高度指示功能，調(diào)節(jié)更便捷。

• 標(biāo)準(zhǔn)臺(tái)面上臺(tái)板材料為SUS430（1Cr17）高導(dǎo)磁不銹鋼，臺(tái)面也可選擇整體材料為SUS304弱磁不銹鋼面包板， 臺(tái)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?yán)庾V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(jìn)的光鑷微控技術(shù)與拉曼分子識(shí)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(shí)控制大量(200個(gè))目標(biāo)和高精度的微納米級(jí)顆粒物的分析測(cè)量。

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

1. 控制目標(biāo)更多 ：可以產(chǎn)生 200 個(gè)以上的光阱 ， 同時(shí)捕獲 200 個(gè)以上的目標(biāo)微粒；

2. 控制激光強(qiáng)度 ：0~100% ，可獨(dú)立控制每個(gè)光阱

3. 控制光阱移動(dòng) ：軌跡、步長(zhǎng)、速度等

4. 降低光阱的漂移 ：光阱間漂移僅 0.05nm/min

5. 提高測(cè)力精度 ：更加精確定位光阱坐標(biāo)

6. 降低系統(tǒng)噪音 ：無(wú)機(jī)械振動(dòng) ，提高整體穩(wěn)定性

系統(tǒng)介紹

RTS-LTRS 光鑷?yán)庾V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(biāo)準(zhǔn)RTS顯微共聚焦拉曼光譜儀的基礎(chǔ)上配置具有雙層無(wú)限遠(yuǎn)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(zhǎng)激光器，也可外部耦合激光器，拉曼信號(hào)通過(guò)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(biāo)準(zhǔn) RTS 顯微共聚焦拉曼光譜儀的基礎(chǔ)上配置具有雙層無(wú)限遠(yuǎn)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(jìn)入，拉曼信號(hào)原路返回接光譜儀，可內(nèi)置不 同波長(zhǎng)激光器，也可外部耦合激光器，拉曼信號(hào)通過(guò)光纖或者空間光路耦合到光譜儀，光路如下：