基于有限远光学系统的光镊设计和调整

光镊可以非接触、无损伤地操纵尺度位于数纳米到数十微米之间的生物细胞、亚细胞、生物大分子以及胶体粒子,已经成为生命科学和胶体化学领域不可缺少的研究工具。根据几何光学,对基于有限远光学系统显微镜的光镊光路进行了分析计算。这类系统由捕获光源、准直透镜、倒置生物显微镜、大数值孔径物镜、成像系统和CCD相机组成,可以在保持物镜后瞳充满度的情况下调整阱位和刚度,具有捕获力大、被捕获的粒子成像清晰等优点,可以很好地满足科研和教学需求。     

产生环形光阱的多种方法及结果比较

介绍了实现环形光阱时采用的几种方法:取高级衍射光斑法、锥透镜组法和位相片法,并从形成的环形光束在准平行性、光斑实空部分能量对比度及会聚后焦斑大小等方面比较了上述方法的优缺点,指出采用锥透镜组法的合理性. 100×物镜对光场具有强会聚作用,捕获效果好,但工作距离短且要用油镜,给实验工作带来不便.40×物镜会聚度低,光束轴心处散射力大,不能实现轴向捕获,但它工作距离长.环形光阱轴心处直射光场几乎为零,不产生散射力.用环形光作为光源可以用40×物镜来形成光阱,提高捕获效果.针对100×物镜和40×物镜光场分布对捕获效果的适用性分析,证明环形光有利于开发低倍物镜,具有推广价值.(OF8)     

激光整形器件在光镊中的应用及进展北大核心CSCD

光镊是一门利用光的动量与物质相互作用产生光势阱效应以实现粒子捕获的重要技术,该技术被广泛应用于纳米或微米级微粒的捕获及操控领域。当今技术和需求的发展对光镊系统的光束变换提出了更高的要求,因此需要对捕获光源的光束进行整形,获得光镊所需的光场分布。以激光光束整形的器件为主线,分别介绍在光镊系统中使用棱镜、衍射光学元件、液晶空间光调制器、数字微镜器件、光纤等光学元件进行捕获光源光束整形的情况。列出了这些器件组成的典型整形光路,以及近年来这些器件在光束整形方面的研究进展。同时还介绍了在捕获光源的整形设计中,上述方法的各自特点及相应的捕获能力。     

近红外荧光扫描用共聚焦光学系统设计

为了实现近红外荧光的高分辨率扫描,设计了用于近红外荧光扫描的激光共聚焦光学系统。采用复消色差显微物镜结构设计了物镜,采用凹凸双透镜结构设计了点光源光路和照明光路,采用柯克物镜结构设计了发射光路,并采用ZEMAX软件进行了光学设计和仿真。实验表明：物镜的数值孔径为0.42;点光源光路的焦点弥散斑小于0.2 μm,将圆形光斑激光很好地转换成了点光源,其离焦弥散斑的直径小于40 μm,满足照明针孔的尺寸要求;照明光路的焦点弥散斑小于1 μm,且焦点弥散斑的能量在2 μm范围内超过了83%,因此焦点光斑的能量集中度很高;发射光路的离焦弥散斑的直径小于100 μm,满足照明针孔的尺寸要求;同时照明光路和发射光路都具有较高的光学传输效率。该激光共聚焦光学系统具有数值孔径较大、工作于近红外光谱区、分辨率高的优点。     

光刻机照明光瞳测量用傅里叶变换物镜光学设计

浸液光刻投影物镜的数值孔径目前已经达到1.35,这对与之匹配的照明系统光瞳测量提出了十分苛刻的需求,为此设计了一种用于照明光瞳测量的傅里叶变换物镜。分析了傅里叶变换物镜应该满足的畸变要求,并针对照明光瞳测量实际需求分析了傅里叶变换物镜的正弦条件偏离的阈值,采用对不同视场角预留不同负畸变值的方法,实现了一种傅里叶变换物镜光学设计,采用5块透镜、1种光学材料,满足照明光瞳测量对正弦条件偏离阈值的要求,成像质量接近衍射极限,并对傅里叶变换物镜逆向光路也进行了分析计算。通过傅里叶变换物镜光学设计的具体实例,证实了通过对不同视场角预留不同负畸变值设计方法的有效性,利用该方法可以获得满足实际照明光瞳测量要求的傅里叶变换物镜。     

用于光束整形的环带相位型光瞳滤波器

高数值孔径物镜下,必须采用矢量衍射方法研究焦点区域的光强分布.根据矢量衍射理论,研究了利用三环相位光瞳滤波器实现光束整形的技术.通过对数值孔径为0.85的物镜焦点区域光强分布的数值模拟,利用优化搜索算法得到了可以实现光束整形的三环相位结构.模拟结果表明,利用三环相位光瞳滤波器,不仅可以在焦面上实现光强的平顶分布,而且还...     

激光三角法改进的显微镜快速自动对焦方法

为了满足TFT-LCD显微镜光学检测系统在工业上的需求,基于激光三角测距法提出一种改进的显微镜快速自动对焦方式,并建立了光路数学模型。该方法在可见光光路中加入一路808 nm波长的激光,激光光束在被检测物体表面反射后经过一系列光学器件投射在CCD相机上形成一个半圆光斑。以对焦完成时CCD上的光斑半径最小为基准,给出了离焦量与光斑信息探测量之间的数学模型关系,实时控制PZT进行自动调焦。根据给定的数学模型,利用高斯曲线拟合对光斑中心进行定位并计算离焦量,实现对实时控制压电陶瓷的自动对焦。在50倍物镜下的实验结果表明:实际测量值与理论值有很好的线性度,在±30μm的对焦平面上对焦重复定位精度可达到0.2μm,对焦时间在0.26 s。与传统的显微镜对焦方法相比,该方法有较高的精度、较好的线性度和更高速等优点,可满足工业光学检测的需求。     

艾里光束调控与三维显微成像应用

艾里光束具有无衍射、自修复和自加速的传播特性,在光操控、非线性光学、光学成像等领域受到关注.本文介绍利用空间光调制器所构建的4f系统产生和调控艾里光束的方法.通过调控艾里光束的自弯曲传播点扩散函数,设计并实现了艾里光束三维重建显微镜,研究了该显微镜的成像性能,在40×/0.75 NA物镜下实现了横向分辨率约为0.5μm...     

新型组合正轴棱锥产生局域空心光束

提出了一种产生局域空心光束(Bottle beam)的新型光学元件,此元件由两个底面半径不等的正轴棱锥胶合而成,具有结构简单、容易加工等优点。研究了其沿径向分布不同部分光线的ABCD传输矩阵,通过几何光学分析了其产生Bottle beam的原理,数值模拟了平面波通过此新型光学元件后的纵向光场分布和沿轴向不同距离处的二维光斑图。为产生Bottle beam提出了一种新方法,对Bottle beam在光镊、光捕获等方面的应用有较好的指导意义。     

基于LED光源可自由转化光斑形状大小的组合透镜

基于非成像光学理论,根据LED光源特性,文中提出一款由两个透镜组合形成的光学系统,其可自由转化光斑形状和大小。从基本的透镜结构出发,利用SolidWorks软件,建立有微阵列结构和曲面条纹的透镜,再利用光学软件LightTools仿真模拟光路,可以通过改变两透镜间距实现光斑形状由矩形光斑到椭圆光斑到圆形光斑之间的转化,同时还可以改变光斑大小,发散角可由20°变化到50°,整体系统发光效率均可保持在93%以上。     

光镊中油浸物镜数值孔径利用率的研究

本文利用光线光学模型,对使用高数值孔径的油浸物镜时,由于折射率的不匹配引起球差,导致光阱捕获力下降的物理原因进行了分析,引进了数值孔径利用率这一参数,并给出了具体计算公式。进而在不同条件下进行了数值计算,给出了数值孔径的利用率与光阱纵向刚度系数的依赖关系。     

近场光镊技术的研究进展和应用前景

近场光镊是近场光学领域中的新型技术,因其可对纳米尺度微粒直接进行捕获和操纵而受到广泛关注.简述了该技术的原理,详细介绍了近场光镊技术的研究进展及其在众多学科领域中的潜在应用.     

分离式光盘光学头光学问题讨论

本文根据几何光学与物理光学基本原理,分析了分离式光学头导向误差、光束孔径匹配问题,给出了单光束分离式光学头结构.     

粒子在单束激光势阱中的束缚力

本文在几何光学近似下,考虑到强聚焦高斯光束的结构,导出了TEM_(oo)高斯光束对透明球状粒子作用力的计算公式,数值计算给出了单束激光阱存在的条件,并讨论了光吸收的影响。     

T矩阵在光阱分析中的应用

光镊技术被广泛应用于许多生物领域。光镊本身结构简单,用单光束就可以捕获单个粒子,但对光阱力的精确计算却存在一定的难度。可以用一些近似的方法如几何光学或瑞利假设分析光阱力,但这些方法仅能在特定限制条件下适用。文中把电磁散射理论作为一种通用的方法来解决光阱力的计算问题。论述了如何使用T矩阵方法进行光阱力计算。计算结果为实验系统参量的选择提供了理论依据。     

毛细管中生物细胞的光微操纵实验研究

细胞是生命结构和功能的基本单位,光镊透过毛细管管壁捕获毛细管中的酵母菌细胞或血红细胞,实现光镊沿光束纵向和横向操纵毛细管中的生物细胞,并使其沿光束横向移动。实验测量了毛细管中酵母菌细胞的皮牛顿量级的光阱力。实现了光镊对毛细管中生物活体样品的非接触无损伤操纵和测量。     

飞秒激光光镊轴向力的计算与分析

光镊已成为捕获和操纵微米尺度粒子和生物细胞的有效手段，而目前常用的光镊光源为连续激光或长脉宽的脉冲光。提出飞秒激光光镊的概念．将飞秒激光序列脉冲视为对连续光的周期抽样，借助于连续光光镊的分析方法，建立了飞秒激光光镊对电介质微粒产生的轴向光学力的理论模型。给出影响捕获微粒的主要因素，指出存在最佳束腰半径和被捕获粒子半径。数值计算结果表明选取合适的飞秒激光脉冲能量、束腰半径、脉冲波长以及微粒与周围媒质的相对折射率．微米尺寸的微粒完全能被飞秒激光稳定捕获。综合考虑被捕获微粒所受的脉冲式光学梯度力、重力和布朗惯性力的作用，讨论了飞秒激光光镊轴向光学梯度力的脉冲式特点及实现稳定捕获的条件。     

径向偏振双曲正弦高斯光束深聚焦产生光链的研究

基于Richards-Wolf的矢量衍射积分公式,研究了径向偏振双曲正弦高斯光束经过衍射光学元件(DOE)和高数值孔径(NA)透镜组成的光学系统后的聚焦特性,分析了相关参量对深聚焦特性的影响。研究表明,入射光束经过此光学系统后,在焦点附近产生沿光轴方向的三维多点光俘获结构——光链;改变相关参数,在焦平面附近产生一种针形光束—光渠。这些结果对于径向偏振双曲余弦高斯光束在粒子操控等方面的应用有着重要意义。     

新型激光投影显示方棒照明系统的设计

以非成像理论中光学扩展量的传递规律为依据,给出了激光二极管(LD)阵列作为光源的新型激光投影显示系统中方棒照明光路元器件尺寸及入射光束孔径角的确定方法。选用3×8红光LD阵列作为光源,0.45inch(1inch=25.4mm)硅基液晶(LCOS)芯片为空间光调制器(SLM),应用光学设计软件Zemax给出了方棒照明系统的设计实例,包括LD阵列光源光束整形系统、方棒匀光系统、方棒中继系统的设计。结果显示方棒照明系统具有较高的光能利用率及较好的光斑均匀性。由此得出较高光能传递质量的新型激光投影显示系统中方棒照明系统的设计方法。