[发明专利]隔离或俘获小的微粒物质的变焦透镜

说明书

技术领域

本发明涉及光学镊子系统和用于操作该系统的方法。尤其是，本发明致力于包括在光学镊子系统中的具有可变形光学元件的束操控部件。

背景技术

光学镊子应用于例如生物学、物理学、纳米制造中，并且作为用于小型化的机器的光学致动器。

光学镊子的原理是基于利用辐射压力的力。强聚焦的激光束能够捕捉和抓住从nm到μm的大小范围中(介电材料)的粒子。此技术使得研究和操控如原子、分子(甚至大)和小的介电球的粒子成为可能。光学镊子的基本性质是粒子在光强分布中成为被俘获的。光以朝向强度达到其最大值的点的梯度强度分布在粒子上施加力。结果，例如，粒子能够被俘获在光束的焦点中。改变焦点的位置也改变粒子在空间中的位置。使用马达或压电致动器用于移置透镜或倾斜反射镜的机械装置是已知的。这些机械装置的缺点是它们复杂并且需要易受磨损影响的机械上活动的部分。此外，每个附加的自由度通常需要专用的致动器并且可能还需要诸如透镜或反射镜的附加的光学元件。因此，具有三个平移和一个旋转自由度的范例光学镊子系统变得复杂和相当昂贵的。

发明内容

本发明的目的是提供用于光学镊子中操控激光束的机械装置的替代例。

根据本发明的一方面，提供了用于在光学镊子系统中使用的束操控部件，所述束操控部件包括至少一个光学元件，所述光学元件可控制地可变形，以响应于来自所述光学镊子系统的信号而对激光束进行作用。

本发明的此方面的束操控部件提供光学镊子系统中的束控制。其有能力承担光学镊子系统中当前使用的基本上机械的束操控装置的功能性。同时，本发明的束操控部件不易受到上述机械装置的缺陷的影响。由于其不同的配置，诸如例如机械公差，其甚至免除了一个或多个缺陷。束例如是光学镊子系统中使用的用于俘获粒子、细菌等的激光束。由于光学元件的变形，束操控可以比先前的布置中更灵活。其也提供了减小束的路径中的光学元件的数量的机会。可以合并至今每个需要区别的光学元件的数个功能。

束操控应当理解为对束进行作用，通过它，当束通过束操控部件时，能够改变一个或多个束的性质。尤其是，束的几何性质易于由束操控部件改变，诸如束方向、其会聚、其横截面的形状，仅举数例。

光学元件描绘直接作用在束上的部件。其可以是折射光学元件或反射光学元件。光学元件还可以呈现衍射效应。光学元件是可变形的，使得能够改变光学元件的内部空间材料分布。诸如折射或反射的光学效应典型地发生在传播介质突然地或逐渐地改变的位置。从而，改变光学元件的材料分布改变光学元件的光学行为。使用的光学元件的优点是其材料分布是可控制的。通过利用合适的信号驱动束操控部件和所包括的光学元件，光学元件发生变形，其依次改变束操控部件的光学行为。换句话说，束操控部件实现了驱动信号到光学行为的映射。用于束操控部件的驱动信号来自光学镊子系统。从而，提供光学镊子系统来控制束操控动作。在此上下文中，应当注意，生成驱动信号的似乎独立的控制器也应当理解为光学镊子系统的部分。原因是控制例如粒子的位置是光学镊子系统的基本功能。

根据本发明的另一方面，束操控部件还包括腔室，所述腔室包含第一介质、第二介质、所述第一介质和所述第二介质之间的截面、以及界面控制装置，其中所述第一介质和所述第二介质中的一个用作所述光学元件。

腔室典型地具有恒定的体积。第一介质和第二介质的体积也典型地也是恒定的。第一和第二介质例如是具有不同光学性质的两种不相溶的流体。如果两种流体具有几乎相同的密度，则重力对束操控部件的操作没有实质的影响。在两种介质之间存在界面，其形状依赖于数个因素，诸如表面张力、可湿性、或两种介质的每一种的毛细效应。能够通过界面控制装置来影响界面是有利的，导致界面的例如改变的形状、位置、或方向。

根据本发明的另一方面，界面由一个或多个边缘段划定界限，并且界面控制装置布置为各别地作用在所述边缘段上。

在界面由单个边缘段划定界限的情况下，界面以均匀的方式从所有侧进行作用。用于具有单个边缘段的该布置的范例是圆形界面或椭圆形界面。当仅存在单个边缘时，能够预期相对于光学元件的重力中心的光学元件的基本对称的变形。在更普遍的多个边缘段的情况下，其中每个段由界面控制装置各别地控制，能够获得界面的更灵活的配置。尤其是，界面的不对称的形状也是可能的。对称的概念可以指旋转对称(例如相对于光学元件闲置时的光轴)，或镜面对称，依赖于界面形状。各别地控制边缘段的能力在垂直于光学元件的闲置状态光轴的平面中提供附加的自由度。