基础版单光束光镊系统—

产品说明

可以利用激光光捕获力自由抓取粒子并操控粒子进行移动
XYZ三轴位移台可方便调节位移，实现粒子与激光的相对运动
通过CMOS相机连接电脑，能实时显示激光操控粒子运动的情况
可安装于30 cm×45 cm的光学面包板上，方便整体移动，不需要反复调节
提供全套粒子制备工具和系统安装工具以及详细的产品手册，便于用户安装和使用

LBTEK的基础版单光束光镊系统主要由激光模块、二向色镜模块、CMOS相机模块、运动控制模块和照明模块组成： 1) 激光器输出激光入射到二向色镜上； 2) 选择二向色镜的截止波长，使得激光反射并允许可见光波段透过。一般选择短通二向色镜，其截止波长小于激光波长； 3) 选择高倍率的油浸物镜实现更细的镊尖，得到更大捕获力； 4) 样品放置于XYZ三轴位移台上，可实现样品X、Y、Z三轴位移； 5) 白光LED照明光源发出的光经光束整形后照射到待观测样品上； 6) 携带激光捕获样品信息的照明光经过物镜、透过二向色镜并经反射镜反射后，入射到CMOS相机上成像； 7) 考虑到二向色镜并不能完全隔离激光，从样品反射回来的激光会部分透过二向色镜，并入射到CMOS而影响成像质量，在CMOS前端增加滤光片进一步滤除激光光束，增加消色差透镜用来调节视场范围，并提高入射到CMOS的光亮度。 LBTEK即将提供升级版的标准单光束光镊系统。标准光镊系统除具备基础光镊系统的全部功能以外，还配备可连接扩展模块的接口，可以很方便地接入涡旋光束模块，用以驱动粒子旋转；还可接入荧光模块，方便观察生物细胞的结构和属性。欲了解系统详情，请联系LBTEK技术支持。

外观

通用参数

光源 665 nm	白光LED 最大输出光功率3 W，带电源适配器
物镜 100x、油浸、NA 1.25、RMS螺纹	样品 4 μm二氧化硅球、4 μm聚苯乙烯微球
面包板及把手面包板300×450 mm，双把手	CMOS相机 GigE接口/2592×1944/2.2 μm×2.2 μm

	模块	核心参数	元件型号	规格	数量
	光源模块	激光模组，安装于三维调节架； 1、665 nm 2、自由空间输出，输出准直度可调 3、输出光功率>30 mW 4、工作温度范围10℃-30℃ 5、功率稳定性<3% 6、带电源适配器	PGL-H-665-50mW	波长665 nm激光模组，功率50 mW，基模高斯光输出	1
			AMC-1A	反射镜架，三个调节器，兼容 30 mm同轴系统，附带两个SM1R卡环，安装直径 25.4 mm光学元件	1
			TAD-16	转接件，SM1外螺纹，夹持直径 16 mm圆柱体	1
			MOP-75-P4	同轴系统接杆，直径 6.0 mm，长度 75 mm，一包四根	1
			OPM-12.5AS	紧凑型30 mm同轴安装板，42 mm×42 mm×12.5 mm，带单卡环，带安装台阶，安装直径 25.4 mm光学元件	1
			PH-50B	磁性底座式接杆支架，夹持直径 12.7 mm接杆，H=50 mm	1
			OP-40	不锈钢接杆，直径 12.7 mm，顶部M4 x 12螺柱，底部M6螺纹孔，L=40 mm	1
			PHC-32S	接杆支架固定叉块，沉头腰型槽长度 32 mm	1
	二向色镜+物镜	1、650 nm短波通二向色镜，安装于同轴立方中 2、物镜：100x、油浸、NA 1.25、RMS螺纹	DM10-650SP	短波通二向色镜，紫外熔融石英，直径 25.4 mm，厚度 3.2 mm，透射截止&反射起始 650 nm	1
			CM-3C	30 mm同轴立方体圆形平片安装座，适用光学元件直径25.4 mm，45°安装，兼容30 mm同轴系统	1
			TXY1	30 mm同轴系统XY位移调整架，XY方向 ±1.0 mm行程，适用安装直径 25.4 mm光学元件，附带1个SM1R卡环，兼容 30 mm同轴系统	1
			SM1-C2	SM1保护端盖，SM1外螺纹	1
			MOP-150-P4	同轴系统接杆，直径 6.0 mm，长度 150 mm，一包四根	1
			MOP-40-P4	同轴系统接杆，直径 6.0 mm，长度 40 mm，一包四根	1
			CADV-02	同轴系统垂直安装板，兼容 30 mm，60 mm同轴系统	1
			CAD-02	同轴系统转接板，兼容 30 mm，60 mm同轴系统，有效通光孔径Ø 23 mm，接杆安装螺纹孔M4，安装光学件最大厚度9 mm	1
			OIOL-100	100倍油浸物镜	1
			SM1-RMSA	螺纹转接件，SM1外螺纹和RMS内螺纹	1
			04.00094	奥林巴斯物镜用油，用于物镜增大NA，IMMOIL-8CC	1
	CMOS模块	1、CMOS黑白相机， 2、GigE接口 3、2592×1944，单像素大小2.2 μm×2.2 μm 4、消色差透镜+2片短通二向色滤光片	AD407-A	消色差胶合透镜，N-BK7/N-SF5，增透膜 400 nm-700 nm，直径 25.4 mm，焦距80.0 mm	1
			CF1-B	二向色滤光片，Borofloat，直径 25.4 mm，截止波长 505±15 nm	2
			OPM-12.5AS	紧凑型30 mm同轴安装板，42 mm×42 mm×12.5 mm，带单卡环，带安装台阶，安装直径 25.4 mm光学元件	3
			MOP-75-P4	同轴系统接杆，直径 6.0 mm，长度 75 mm，一包四根	1
			MV-GE502M-T-CL	COMS相机，2592×1944，单像素大小2.2 μm×2.2μm	1
			SM1-CC	螺纹转接件，SM1外螺纹和C外螺纹	1
			PM10-AG	金属膜反射镜，Borofloat ，带二氧化硅保护层，银膜 450 nm-20.0 μm，直径 25.4 mm	1
			RAMC-1B	30 mm同轴系统直角调整架，光壁孔安装同轴接杆，适用安装直径 25.4 mm最小厚度 3 mm光学元件	1
			MOP-12.5-P4	同轴系统接杆，直径 6.0 mm，长度 12.5 mm，一包四根	1
	照明模块	1、白光LED 2、最大输出光功率3 W，带电源适配器 3、0-40℃ 4、带准直和会聚元件	LED-C-3-SP	用于光镊实验的照明模组，聚光LED灯珠，内置恒流驱动电路，冷白，最大功率为3W，且连续可调	1
			CAD-02	同轴系统转接板，兼容 30 mm，60 mm同轴系统	1
			MCX10606-A	平凸透镜，N-BK7，增透膜 400 nm-700 nm，直径 25.4 mm，焦距 25.4 mm，安装于SM1标准透镜套筒中	1
			SM1-12.5A	透镜套筒，SM1内外螺纹，内螺纹长度 12.5 mm	2
			CAD-02	同轴系统转接板，兼容 30 mm，60 mm同轴系统	1
			MCX10610-A	平凸透镜，N-BK7，增透膜 400 nm-700 nm，直径 25.4 mm，焦距 50.0 mm，安装于SM1标准透镜套筒中	1
			MOP-75-P4	同轴系统接杆，直径 6.0 mm，长度 75 mm，一包4根	1
			MOP-150	同轴系统接杆，直径 6.0 mm，长度 150 mm	2
			OP1-300B6	接杆，直径25 mm，长度300 mm	1
			PR-1S	接杆支架底座，底部带圆形强磁	1
			PHC-32S	接杆支架固定叉块，沉头腰型槽长度 32 mm	1
			OP1AD-30C	Ø25 mm接杆转接件，夹持30 mm同轴系统	1
	运动控制	3轴侧驱位移台 1、台面尺寸:65×65 mm 2、行程:13 mm 3、直线度（竖直、水平方向）:<3 μm 4、移动平行度：<15 μm 5、微分头最小刻度：10 μm 6、带样品夹持架	LS65-13R3	XYZ轴线性位移台，台面尺寸：65×65 mm，行程13 mm，右侧驱动	1
			OP1B-50B6	Ø25 mm带基座光学接杆，底部和顶部M6螺纹孔，L=50 mm	4
			RAB1	直角转接板，65 mm	1
			OT-SH1	显微镜载玻片固定架	1
			PHC-32S	接杆支架固定叉块，沉头腰型槽长度 32 mm	4
	样品制备工具	4 μm二氧化硅球、4 μm聚苯乙烯微球、剪刀、镊子、载玻片、盖玻片、双面胶、吸管	SP1-KIT	实验样品制备套装，用于光镊、微生物、医学等实验配备套件	1
	光路调试工具	用于光路高度，光路水平，光路准直调节	OWR-1A	卡槽式卡环扳手，适用SM1螺纹规格卡环	1
			CT-1	30 mm同轴系统对准板，带直径 0.9 mm通孔	1
			SSB-M6	12格装M6螺丝套件	1
			OWR-1B	卡环扳手，适用带SM1螺纹规格转接件	1
			09101CH	内六扳手炫彩球头9件装	1
			LSSM1	激光安全遮光板，200 mm×75 mm，底部带磁铁，含提起把手，M6安装槽	1
	面包板及把手	面包板300×450 mm，双把手	MBB-3045	标准光学面包板，尺寸 450 mm×300 mm×12.7 mm，M6螺纹贯穿孔	1
			MBBH1	面包板把手，两个装	1
			AVF25	面包板底座	4
选配	安装服务可选	工程师上门安装调试+培训

基础版单光束光镊系统

美国科学家阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin）因为研究“光学镊子及其在生物系统的应用”而获得2018年诺贝尔物理学奖，光镊一词由此更多地进入了研究人员的关注视野。所谓光镊，就是利用光束来捕获、夹持并操纵微细颗粒的系统工具。传统机械镊子夹持物体时，必须使镊子与物体接触，并施加相对压力而操纵物体。与之不同的是，光镊使整个物体受到光的束缚，然后通过移动光束来迁移物体。

我们知道，光的本质是一种电磁波，电磁波携带能量和动量。电磁波与物体发生相互作用时，不但能量发生变化，其动量也发生变化，激光捕获就是利用了光与微粒之间的动量传递。根据动量守恒定律和动量定理可知，这种动量传递会导致光波对微粒产生力的作用。光波对微粒的作用力可以分为两类，一类为散射力，散射力沿着光的传播方向，将微粒推离；一类为梯度力，梯度力沿光强梯度方向，将微粒推向光强梯度最强的位置。光镊产生的原因是光束对微粒的梯度力大于散射力，因此可以将微粒捕获在聚焦光斑中心附近。

根据粒子大小的不同，光束与粒子的相互作用理论模型可以分为三种：当粒子尺寸远小于光波长（d<λ/20，瑞利粒子）的时候，适用于瑞利散射模型；当粒子尺寸远大于光波长（d>5λ，米氏粒子）的时候，适用于几何光学模型；对于中间尺度粒子，只能通过电磁散射模型来计算，电磁散射模型是将入射场与微粒的相互作用看成电磁散射过程，通过对 Maxwell 方程组的求解来确定粒子周围的散射场分布，进而由动量守恒利用对 Maxwell 应力张量的曲面积分来计算作用在粒子的光力，其计算过程较为复杂^[1]。下面将简要介绍瑞利散射模型和几何光学模型。

瑞利散射模型将微粒中分子每个化学键视为一个等效电偶极子，分子中所有化学键的电偶极矩之和即构成了整个分子的电偶极矩。而任何一个电介质微粒都是包含了由大量电偶极矩的集合，因此，光与微粒的作用可以理解为电磁场与电偶极子的作用。

图1 电偶极子与电场的作用。

如图1，分别为均匀电场和非均匀电场与电偶极子的作用。当电场是均匀的，作用于电偶极子正负电荷的力大小相等，方向相反，矢量和为零。当电场是非均匀的，则电偶极子正负电荷所受力的大小和方向都不相同，偶极子将发生转动和平动两种运动。转动使电偶极矩P 取电场E 的方向。当P与E 平行时，正负电荷所受的力沿同一直线，其大小不等，方向相反，合力不为零。设偶极子沿x 轴方向，偶极子中心处场强为E₀，正负电荷处的场强分别为^[2]：

作用于偶极子的合力为：

上式说明力F的大小与场强的变化率成正比，方向指向场强增大的方向。该力由电场强度的梯度引起，称为梯度力。由于光是一种电磁波，在光场中电偶极子所受到的梯度力即为电磁场中电偶极子所受的洛伦兹力，是电场梯度力和磁力之和。

对于激光捕获大尺寸微粒，可以基于几何光学模型，从折反射定律和动量守恒的角度来分析微粒的受力情况。假设被捕获的微粒为透明介质小球，入射到小球后被小球反射光线和吸收光线所产生的力远远小于透射光线产生的力，因此可忽略不计，只分析由于光的折射而对小球施加的力。如图，透明电介质小球的折射率n₁大于周围介质折射率n₂，小球分别处于均匀光场和非均匀光场中。折射前所有光束均沿z方向传播，光束动量也沿z方向。折射后光束传播方向发生了变化，光的动量发生了改变。小球和激光束组成的系统保持动量守恒，由牛顿定律可知，该光线对微球施加了一个指向左下角F₁和右下角的力F₂。如图2-2，当小球处于均匀光场a时，光束对小球的力在横截面上（即x-y平面方向）的合力完全抵消，只存在沿z方向的推力，这个推力称为散射力；当小球处于非均匀光场b时（图示为光强自左向右增强的非均匀光场），在横向存在一个强度梯度，此时光束对小球作用力的合力即存在沿z方向的推力分量，即散射力，也存在沿横截面上（即x-y平面方向）的拉力分量，即梯度力，梯度力指向光强增大的方向^[3]。

图2 光场与微球的相互作用。

麓邦技术还提供基于涡旋光束的光镊系统。物体受到涡旋光束对物体施加的横向力与物体受到光束沿传播方向的力不同。实验证明，光束具有横向角动量和轨道角动量(Orbital angular momentum)，光束的轨道角动量对物体受到的横向力矩起到主要作用，轨道角动量力矩是由光束的相位梯度产生。描述光束的矢量式可以表示为^[4]：

当光束处于均匀极化空间时，上式可以简化为^[4]：

为非负实值振幅，是实值相位。对于沿着横轴方向z的平面传播，相位可以表示为：，k代表光的波数，，c 代表光束在真空中的传播速度，表示介质（去离子水）的折射率。当我们对光束的波前附加一定的相位：，电场和磁场可以表示为^[4]：

是介质的磁导率，光束携带的动量流表示为^[4]：

式中，表示为光的强度，且已采用了规范条件：。光束携带的动量流可以分别沿轴向和垂直于轴向分解为^[4]：

代表光束对介质微粒产生一个横向光轴的力，一束沿光轴方向传播的光束，如果在垂直于光轴方向上附加渐变的相位梯度，在垂直于光束传播方向上，光束动量流就会存在一个分量，从而对光场中的微粒产生一个垂直于光轴方向的力。因此，粒子在涡旋光束作用下除了受到光强梯度力和光强散射力外，附加给光束的相位梯度也对处于聚焦光场中的微粒产生一个力的作用，该力垂直于光传播方向，称为相位梯度力。在相位梯度力作用下，聚焦面上的粒子将绕光轴中心旋转。

参考文献

[1] 李曼曼，涡旋矢量光束与微粒相互作用的动力学特性研究[D]. 北京：中国科学院大学，2018.

[2] 喻有理, 徐忠锋, 李普选, 光梯度力与激光捕获[J].大学物理，2008，27（3）: 13-17.

[3] 李银妹,光镊原理、技术和应用[M].合肥：中国科学技术大学,1996.

[4] Y.Roichman，B.Sun，Y.Roichman，J.Amatogrill，and D.G.Grier，Optical forces arising from phase gradients [J]. Phys.Rev.Lett., 2008,100:013602.

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