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有限远共轭显微镜光镊设计和误差分析

任洪亮

有限远共轭显微镜光镊设计和误差分析

任洪亮
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  • 光镊是研究单分子生物物理特性的独特工具, 因而光镊设备的研发是一个极为重要的课题. 本文根据矩阵光学, 对基于有限远共轭显微镜的光镊操控光路进行计算, 得出了阱位径向操控和轴向操控方程, 并分析了光束调控系统、 共焦系统后置透镜和耦合透镜安装位置误差及物镜轴向位置调整对光镊阱位径向及轴向操控精度的影响. 计算结果显示, 当物镜初级像面和耦合透镜像方焦面完全重合, 光束调控系统和耦合透镜的距离误差对阱位径向和轴向操控精度没有影响. 光镊系统元器件定位不准时, 基于无限远共轭显微镜光镊的阱位径向操控误差和轴向操控误差都小于基于有限远共轭显微镜光镊的阱位径向操控误差和轴向操控误差. 当光镊耦合透镜定位误差控制在小于10 mm时, 基于有限远共轭显微镜光镊的径向和轴向操控误差分别小于5.9%和11.4%, 有限远共轭显微镜仍然存在改造为光镊的价值.本文理论为基于有限远共轭显微镜的光镊设计、改造和操控提供理论和实验指导.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 61178015)、福建省自然科学基金(批准号: 2012J05120)、中央高校基本科研业务费专项资金 (批准号: JB-ZR1146) 和厦门市科技计划(批准号: 3502Z20113017)资助的课题.
    [1]

    Ashkin A, Dziedzic J M, Bjorkholm J E, Chu S 1986 Opt. Lett. 11 228

    [2]

    Svoboda K, Schmidt C F, Schnapp B J, Block S M 1993 Nature 365 721

    [3]

    Gross P, Laurens N, Oddershede L B, Bockelmann U, Peterman E J G, Wuite G J L 2011 Nat. Phys. 7 721

    [4]

    Yasuharu A, Ryohei Y, Ken-ichirou A, Yoshie H, Hidetake M, Kazuhiko K J, Hiroyasu I 1999 Nature 399 446

    [5]

    Dholakia K, Čižmár T 2011 Nat. Photon. 5 335

    [6]

    Overton G 2009 Laser Focus World 45 17

    [7]

    Vanzi F, Capitanio M, Sacconi L, Stringari C, Cicchi R, Canepari M, Maffei M, Piroddi N, Poggesi C, Nucciotti V, Linari M, Piazzesi G, Tesi C, Antolini R, Lombardi V, Bottinelli R, Pavone F S 2006 J. Muscle Res. Cell M 27 469

    [8]

    Mishra Y N, Ingle N, Mohanty S K 2011 J. Biomed. Opt. 16 105003

    [9]

    Kong L B, Zhang P F, Wang G W, Yu J, Setlow P, Li Y Q 2011 Nat. Protoc. 6 625

    [10]

    Farre A, Marsa F, Montes-Usategui M 2012 Opt. Express 20 12270

    [11]

    Valentine M T, Guydosh R, Gutierrez-Medina B, Fehr A N, Andreasson J O, Block S M 2008 Opt. Lett. 33 599

    [12]

    Zhou J H, Tao R Z, Hu Z B, Zhong M C, Wang Z Q, Cai J, Li Y M 2009 Chin. Phys. Lett. 26 068701

    [13]

    Jiang Y Q, Guo H L, Liu C X, Li Z L, Cheng B Y, Zhang D Z, Jia S T 2004 Acta Phys. Sin. 53 1721 (in Chinese) [降雨强, 郭红莲, 刘春香, 李兆霖, 程丙英, 张道中, 贾锁堂 2004 物理学报 53 1721]

    [14]

    Fällman E, Axner O 1997 Appl. Opt. 36 2107

    [15]

    Zhao Y Z, Sun H Y, Song F H, Tang L M, Wu W W, Zhang X, Guo H C 2008 Acta Phys. Sin. 57 2284 (in Chinese) [赵延仲, 孙华燕, 宋丰华, 唐黎明, 吴伟伟, 张曦, 郭惠超 2008 物理学报 57 2284]

    [16]

    Ren H L, Ding P F, Li X Y 2012 Acta Phys. Sin. 61 210701 (in Chinese) [任洪亮, 丁攀峰, 李小燕 2012 物理学报 61 210701]

    [17]

    Lü B D 2003 Laser Optics Beam Characterization, Propagation and Transformation, Resonator Technology and Physics (3rd Ed.) (Beijing: Higher Education Press) p34 (in Chinese) [吕百达 2003 激光光学: 光束描述、传输变换与光腔技术物理 (第三版) (北京: 高等教育出版社) 第34页]

    [18]

    Xu S H, Li Y M, Lou L R 2006 Chin. Phys. 15 1391

  • [1]

    Ashkin A, Dziedzic J M, Bjorkholm J E, Chu S 1986 Opt. Lett. 11 228

    [2]

    Svoboda K, Schmidt C F, Schnapp B J, Block S M 1993 Nature 365 721

    [3]

    Gross P, Laurens N, Oddershede L B, Bockelmann U, Peterman E J G, Wuite G J L 2011 Nat. Phys. 7 721

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    Yasuharu A, Ryohei Y, Ken-ichirou A, Yoshie H, Hidetake M, Kazuhiko K J, Hiroyasu I 1999 Nature 399 446

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    Fällman E, Axner O 1997 Appl. Opt. 36 2107

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    Ren H L, Ding P F, Li X Y 2012 Acta Phys. Sin. 61 210701 (in Chinese) [任洪亮, 丁攀峰, 李小燕 2012 物理学报 61 210701]

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    Xu S H, Li Y M, Lou L R 2006 Chin. Phys. 15 1391

  • [1] 任洪亮, 丁攀峰, 李小燕. 光镊轴向阱位操控及器件安装误差对径向阱位操控的影响. 物理学报, 2012, 61(21): 210701. doi: 10.7498/aps.61.210701
    [2] 冯帅, 常军, 牛亚军, 穆郁, 刘鑫. 一种非对称双面离轴非球面反射镜检测补偿变焦光路设计方法. 物理学报, 2019, 68(11): 114201. doi: 10.7498/aps.68.20182253
    [3] 任广军, 姚建铨, 王 鹏, 张 强, 张会云, 张玉萍. 液晶磁致旋光的研究. 物理学报, 2007, 56(2): 994-998. doi: 10.7498/aps.56.994
    [4] 汪 敏, 岑豫皖, 余晓流, 胡小方, 朱佩平. 同步辐射计算机断层技术光源误差机理分析. 物理学报, 2008, 57(10): 6202-6206. doi: 10.7498/aps.57.6202
    [5] 伍小平, 胡耿军, 李静, 龙潜, 陶陶, 张恭轩. 时域有限差分法数值仿真单光镊中微球受到的光阱力. 物理学报, 2011, 60(3): 030301. doi: 10.7498/aps.60.030301
    [6] 黄雪峰, 李盛姬, 周东辉, 赵冠军, 王关晴, 徐江荣. 介观尺度下活性炭微粒的光镊捕捉、点火和扩散燃烧特性研究. 物理学报, 2014, 63(17): 178802. doi: 10.7498/aps.63.178802
    [7] 王 方, 朱启华, 蒋东镔, 张清泉, 邓 武, 景 峰. 多程放大系统主放大级光学优化设计. 物理学报, 2006, 55(10): 5277-5282. doi: 10.7498/aps.55.5277
    [8] 操超, 廖志远, 白瑜, 范真节, 廖胜. 基于矢量像差理论的离轴反射光学系统初始结构设计. 物理学报, 2019, 68(13): 134201. doi: 10.7498/aps.68.20190299
    [9] 沈本兰, 常军, 王希, 牛亚军, 冯树龙. 三反射主动变焦系统设计. 物理学报, 2014, 63(14): 144201. doi: 10.7498/aps.63.144201
    [10] 徐平, 杨伟, 张旭琳, 罗统政, 黄燕燕. 集成化导光板下表面微棱镜二维分布设计. 物理学报, 2019, 68(3): 038502. doi: 10.7498/aps.68.20181684
    [11] 刘飞, 魏雅喆, 韩平丽, 刘佳维, 邵晓鹏. 基于共心球透镜的多尺度广域高分辨率计算成像系统设计. 物理学报, 2019, 68(8): 084201. doi: 10.7498/aps.68.20182229
    [12] 吕向博, 朱菁, 杨宝喜, 黄惠杰. 基于ybar-y图的光学结构计算方法研究. 物理学报, 2015, 64(11): 114201. doi: 10.7498/aps.64.114201
    [13] 李永大, 葛振杰, 孙 强, 张云翠, 王 健, 孙金霞, 刘建卓, 董科研. 折射/衍射混合红外双焦光学系统设计. 物理学报, 2006, 55(9): 4602-4607. doi: 10.7498/aps.55.4602
    [14] 裴琳琳, 吕群波, 王建威, 刘扬阳. 编码孔径成像光谱仪光学系统设计. 物理学报, 2014, 63(21): 210702. doi: 10.7498/aps.63.210702
    [15] 杨 浩, 冯国英, 张大勇, 周寿桓, 朱启华. 聚焦光场俘获微球的FDTD分析. 物理学报, 2008, 57(9): 5506-5512. doi: 10.7498/aps.57.5506
    [16] 周丹丹, 任煜轩, 刘伟伟, 龚雷, 李银妹. 时间飞行法测量光阱刚度的实验研究 . 物理学报, 2012, 61(22): 228702. doi: 10.7498/aps.61.228702
    [17] 王玥, 梁言生, 严绍辉, 曹志良, 蔡亚楠, 张艳, 姚保利, 雷铭. 轴向多光阱微粒捕获与实时直接观测技术. 物理学报, 2018, 67(13): 138701. doi: 10.7498/aps.67.20180460
    [18] 降雨强, 郭红莲, 刘春香, 李兆霖, 程丙英, 张道中, 贾锁堂. 低频响及低采样频率下用布朗运动分析法测量光阱刚度. 物理学报, 2004, 53(6): 1721-1726. doi: 10.7498/aps.53.1721
    [19] 詹其文, 张艳丽, 赵逸琼, 李永平. 高数值孔径聚焦三维光链的研究. 物理学报, 2006, 55(3): 1253-1258. doi: 10.7498/aps.55.1253
    [20] 相里斌, 张文喜, 伍洲, 吕笑宇, 李杨, 周志盛, 孔新新. 相干场成像技术接收镜精度对传递函数的影响. 物理学报, 2013, 62(22): 224201. doi: 10.7498/aps.62.224201
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出版历程
  • 收稿日期:  2012-08-20
  • 修回日期:  2012-12-26
  • 刊出日期:  2013-05-20

有限远共轭显微镜光镊设计和误差分析

  • 1. 华侨大学信息科学与工程学院, 厦门 361021
    基金项目: 

    国家自然科学基金(批准号: 61178015)、福建省自然科学基金(批准号: 2012J05120)、中央高校基本科研业务费专项资金 (批准号: JB-ZR1146) 和厦门市科技计划(批准号: 3502Z20113017)资助的课题.

摘要: 光镊是研究单分子生物物理特性的独特工具, 因而光镊设备的研发是一个极为重要的课题. 本文根据矩阵光学, 对基于有限远共轭显微镜的光镊操控光路进行计算, 得出了阱位径向操控和轴向操控方程, 并分析了光束调控系统、 共焦系统后置透镜和耦合透镜安装位置误差及物镜轴向位置调整对光镊阱位径向及轴向操控精度的影响. 计算结果显示, 当物镜初级像面和耦合透镜像方焦面完全重合, 光束调控系统和耦合透镜的距离误差对阱位径向和轴向操控精度没有影响. 光镊系统元器件定位不准时, 基于无限远共轭显微镜光镊的阱位径向操控误差和轴向操控误差都小于基于有限远共轭显微镜光镊的阱位径向操控误差和轴向操控误差. 当光镊耦合透镜定位误差控制在小于10 mm时, 基于有限远共轭显微镜光镊的径向和轴向操控误差分别小于5.9%和11.4%, 有限远共轭显微镜仍然存在改造为光镊的价值.本文理论为基于有限远共轭显微镜的光镊设计、改造和操控提供理论和实验指导.

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参考文献 (18)

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