在暗场下基于涡旋光束的体相纳米气泡操控系统及方法

本发明涉及体相纳米气泡和光镊操控领域，特别是涉及一种在暗场下基于涡旋光束的体相纳米气泡操控系统。

背景技术：

1、近年来，体相纳米气泡由于具有独特的物理化学性质，在生物医学成像、靶向治疗、水处理和净化、储氢等领域有着广阔的应用前景，体相纳米气泡的稳定性会严重影响其应用前景，因此对体相纳米气泡稳定性的研究是目前的一个热点和难点。目前，对体相纳米气泡稳定性的研究提出了很多理论模型，大多数是关于体相纳米气泡的群体稳定性模型，缺少对单个体相纳米气泡稳定性的实验研究。

2、体相纳米气泡分散于液相中，且不停地在做无规则的布朗运动，对研究单个体相纳米气泡的稳定性具有很大的影响，因此想要研究单个纳米气泡稳定性首先需捕获或者控制单个纳米气泡。

3、针对单个体相纳米气泡的捕获，目前还没有实验系统可以实现这一目标。

4、传统的光镊系统，不可以实现暗场观察，以及不可以同时观察样品在整个光场中的运动情况；其他基于暗场显微镜搭建的光镊系统，基于暗场环来实现暗场的显微镜的照明光的光强不够大，不足以满足体相纳米气泡的观察需要，因此选择使用激光来作为照明光源，又因为激光的光斑大小很小，不能用暗场环来实现暗场照明(一种基于环形光镊与暗场显微的超分辨装置及其分辨方法(cn110361857a)。

技术实现思路

1、为至少解决现有技术中存在的问题之一，本发明的目的在于提出在暗场下基于涡旋光束的体相纳米气泡操控系统，并提供相应的方法，以便于实现对体相纳米气泡的操控。

2、本发明的目的至少通过如下技术方案之一实现。

3、在暗场下基于涡旋光束的体相纳米气泡操控系统，包括照明光路和操控光路：所述操控光路包括第一激光器、线偏振片、可调衰减片、扩束镜、第一反射镜、相位型空间光调制器、第一透镜、第二透镜、第二反射镜、第一物镜、样品池、第二物镜、短波通滤波片和ccd相机；所述照明光路包括第二激光器和柱透镜；

4、其中，第一激光器、可调衰减片、线偏振片、扩束镜顺次放置在第一光轴上；所述第一激光器发射第一激光，所述第一激光经过所述线偏振片变为线偏振光，所述线偏振光经过所述可调衰减片调节激光功率的最低输出功率，所述线偏振光经过所述扩束镜进行扩束，使扩束后的线偏振光可以覆盖所述相位型空间光调制器的液晶面板，所述第一反射镜改变扩束后的线偏振光的传播方向，使扩束后的线偏振光传输到所述相位型空间光调制器液晶面板上；所述相位型空间光调制器对所述扩束后的线偏振光调制为涡旋光束并反射到所述第一透镜；所述第一透镜和所述第二透镜顺次放置在第二光轴上，所述第一透镜和所述第二透镜组成透镜组对所述涡旋光束进行缩束，使缩束后的涡旋光束可以完全进入所述第一物镜；所述相位型空间光调制器位于所述第一透镜的焦距处，所述第一透镜和所述第二透镜共焦；所述第二反射镜与第一透镜所处光轴存在45°夹角，使所述缩束后的涡旋光束竖直射入所述第一物镜，所述第一物镜对所述缩束后的涡旋光束聚焦后在所述样品池内形成高度聚焦的涡旋光场，产生辐射力从而实现对体相纳米气泡的操控；所述高度聚焦的涡旋光场透过所述样品池和所述第二物镜最终被所述短波通滤波片滤掉；

5、第二激光器、柱透镜和样品池顺次放置在第三光轴上，所述样品池位于所述柱透镜的焦点处，在所述样品池的一侧，所述第二激光器发射第二激光，所述柱透镜使所述第二激光变为扁平光束横向照射所述样品池；所述第一物镜、样品池、第二物镜、短波通滤波片和ccd相机顺次放置在第四光轴上；所述短波通滤波片将所述经过样品池和第二物镜的涡旋光束滤掉，仅使体相纳米气泡产生散射光通过，所述第一物镜和所述第二物镜共焦，所述样品池位于所述第一物镜的焦点处，通过所述第二物镜及所述ccd相机观察体相纳米气泡的运动情况，进而实现对单个或者群体体相纳米气泡的捕获与操控。

6、进一步地，第一激光器的波长为1064nm，功率调节范围为0.5w-10w，作为操控光路的光源；所述第二激光器的波长为638nm，功率调节范围为0.1mw-170mw，作为照明光路的光源。

7、进一步地，所述相位型空间光调制器的像素元为3.74um/pixel，像素大小为4000像素×2464像素。

8、进一步地，所述第一透镜为双凸透镜，焦距为175mm，所述第二透镜为双凸透镜，焦距为150mm。

9、进一步地，所述第一物镜为油浸物镜，数值孔径为1.25，用于将所述涡旋光束变成高度聚焦的涡旋光束；所述第二物镜的数值孔径为0.45。

10、进一步地，所述样品池六面透光，用于承装所述体相纳米气泡。

11、进一步地，所述短波通滤波片中心波长为800nm，透射波长为400-785nm，截止波长为825-1190nm，所述短波通滤波片置于所述第二物镜与所述ccd相机之间，用于滤掉所述经过样品池和第二物镜的涡旋光束，仅使所述第二激光通过，观察体相纳米气泡的运动情况。

12、进一步地，所述ccd相机为黑白面阵相机，帧率为1-200fps,像素元大小为7.4μm/pix，用于观察实验现象。

13、在暗场下基于涡旋光束的体相纳米气泡操控方法，采用权利要求1-8任一项所述的在暗场下基于涡旋光束的体相纳米气泡操控系统，所述方法包括以下步骤：

14、s1：使用胶头滴管将体相纳米气泡溶液滴加在样品池内，并使用盖玻片盖住，注意此过程要避免样品池内进入空气；

15、s2：在第一物镜上滴加一滴香柏油，将样品池放置在样品台上，并使体相纳米气泡溶液处在第一物镜的焦平面处，注意在放样品池时不要让样品池和第一物镜间的香柏油内出现气泡；

16、s3：打开第二激光器，通过ccd相机观察到体相纳米气泡的运动状态；

17、s4：打开相位型空间光调制器，采用软件调节虚拟透镜和闪耀光栅的参数；

18、s5：打开第一激光器，在去掉短波通滤波片的情况下，使用可调衰减片降低第一激光器输出激光的功率，以达到ccd相机看到光场的强度分布效果是非曝光的状态，通过ccd相机观察涡旋光束的光场分布；

19、s6：加入短波通滤波片，调大第一激光器输出功率，达到可以操控体相纳米气泡的的光功率，对体相纳米气泡进行二维操控；

20、s7：使用ccd相机观察体相纳米气泡的操控情况。

21、进一步地，步骤s4中，将所述涡旋光束的相位图加载到相位型空间光调制器上，采用软件holoeye-patterngenerator调节闪耀光栅和虚拟透镜两种参数进一步调节光场效果的参数，所述闪耀光栅参数用于将调制后的涡旋光束的0级衍射和其他级衍射的涡旋光束进行分开，实现在样品池内仅存在正一级涡旋光或负一级涡旋光，以达到更好的光场效果，所述虚拟透镜参数用于调节经高度聚焦后的涡旋光束的焦点的位置，以使得体相纳米气泡的捕获位置可以达到样品池深度的中部。

22、相比于现有技术，本发明的优点在于：

23、针对单个体相纳米气泡的捕获，目前还没有实验系统可以实现这一目标。因此本发明提供在暗场下基于涡旋光束的体相纳米气泡操控系统，不仅可以实现单个体相纳米气泡的捕获，还可以实现群体体相纳米气泡的捕获，对于体相纳米气泡稳定性的研究具有十分重要的意义。

24、本发明所提供的基于暗场照明的体相纳米气泡的光镊操控系统，可以实现对体相纳米气泡的二维操控。与传统的光镊系统相比，本装置可以实现暗场观察，同时观察样品在整个光场中的运动情况；与其他基于暗场显微镜搭建的光镊系统相比，基于暗场环来实现暗场的显微镜的照明光的光强不够大，不足以满足体相纳米气泡的观察需要，因此选择使用激光来作为照明光源，又因为激光的光斑大小很小，不能用暗场环来实现暗场照明，而本装置在不使用暗场环的情况下实现了暗场照明，结构简单易于实现

25、采用本发明的装置和方法在不使用暗场环的情况下可以实现体相纳米气泡的暗场观察，同时观察体相纳米气泡在整个光场中的运动情况，结构简单，易于实现。