先鋒科技 | 關于光鑷的應用

光鑷技術是美國科學家于 1986 年發明的。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，光鑷技術已經在微米尺度 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揮了重要作用。迄今為止，與光鑷技術相關的工作已獲得三次諾貝爾物理獎：1997 年激光原子冷卻技術、2001年玻色*因斯坦凝聚以及 2018 年光鑷技術。

光鑷的發明使光的力學效應走向實際應用，使人們在許多研究中從被動的觀察轉而成為主動的操控,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的結合、光鑷與光刀的結合等等。

針對光鑷應用，卓立漢光可以配合老師搭建完整的系統或是提供對應的部件：

1. 激光器

光鑷應用對于激光器的穩定性以及光束質量有著較高的要求，選擇一款穩定可靠的激光器對于實 驗起著至關重要的作用。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 , 現有員工120 人 , 連續 20 年向全球科研和工業市場提供連續激光器、超快激光器 和振蕩器。連續激光器高功率高達 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 系列激光器設計緊湊、結實、噪音低、穩定性高，壽命長，波長范圍473nm，532nm，561nm，660nm， 671nm 可選，是科研市場的*選產品。由于其功率和波長范圍廣，Ventus系列激光器可應用在拉曼光譜、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用戶認可的產品。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 ,提供了簡單的光學系統整合方案。

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

2. 激光測量產品

光鑷實驗中，對于光源穩定的測試以及出射光斑的光束質量的測試很有必要。我司*家代理以色列OPHIR激光測試產品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制造經驗，擁有熱電堆探頭、熱釋電探頭、光電管探頭全線研發制造能力。自行開發的多種吸收材料、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，功率能量探頭的設計還有很多復雜而精巧的考量，例如探頭表面不同位置響應的不一致性、脈沖頻率對熱釋電探頭響應的影響、脈沖寬度/平均功率對能量損傷閾值的影響 OPHIR 借助豐富的經驗，在研發設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，也是激光器應用中決定性的因素：絕大多數應用需要根據激光的傳輸特性（M2）來設計光路；定量科學實驗和高品質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，泵浦源或光學器件衰 減首先體現在激光光斑的變化上，定期測試激光光斑有助于提前發現衰減傾向，及早維護，降低維護成本、縮短停機時間，預防激光器性能突變導致產線災害。

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 公司是業內久負盛名的激光光束分析儀和 M2 生產廠家，自上世紀七十年代末開始研 發提供激光光束品質分析儀，并參與制定了光斑測量的 ISO11146-3 標準。產品種類覆蓋 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，廣泛應用于激光器 制造、激光精密加工、光通訊、太赫茲、激光科學研究等領域。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商。

3.定制光路系統-CS 系列籠式系統

光鑷應用同樣對于光路系統的調整以及穩定性有著很高要求，卓立漢光的籠式系統光機組件不僅僅是簡單的光學系統搭建工具，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，可被廣泛應用于如空間光調制器、DMD 衍射系統、 白光干涉儀、移相干涉儀、生物傳感器系統、多相機成像系統、超辨系統、光鑷系統、顯微系統等領域。

籠式系統的設計理念源于對光學系統搭建過程的深入理解。其核心思想是將各個光學元件以*優的方式集成到一起，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雜性，同時也極大地提高了系統的穩定性和可靠性。

籠式系統中的光學調整架設計巧妙，功能豐富。它不僅可以實現光學元件在三維空間中的自由調整，而且還可以進行各種精細的微調，如俯仰、偏轉、旋轉或 XYZ 平移等。這種設計使得科研人員可以更加靈活地調整光學元件的位置和角度，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、層流阻尼技術所設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、振動恢復時間短。

NAP系列氣浮隔振光學平臺特點：

• 引入對隔振有較好效果的三線擺系統。

• 采用層流阻尼元件，系統反應更靈敏。

• 自帶四角防護板，具有臺面氣浮高度指示功能，調節更便捷。

• 標準臺面上臺板材料為SUS430（1Cr17）高導磁不銹鋼，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-拉曼光譜聯用系統

RTS-LTRS光鑷拉曼光譜系統是北京卓立漢光儀器有限公司全新推出的光鑷-拉曼聯用系統，該系統結合先進的光鑷微控技術與拉曼分子識別分析技術，高度集成、性能穩定、易于操作，能夠實現同時控制大量(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（聲光偏轉器）高速分時掃描不同位置，從而形成多個光阱；區別于傳統的光鑷技術 ，這種技術可以實現：

1. 控制目標更多 ：可以產生 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. 降低系統噪音 ：無機械振動 ，提高整體穩定性

系統介紹

RTS-LTRS 光鑷拉曼光譜系統有兩種結構（如下圖所示）

結構一：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，下層光路為拉曼光路出入口，可內置不同波長激光器，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：

結構二：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，拉曼激光從顯微鏡的側口進入，拉曼信號原路返回接光譜儀，可內置不 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：