阅读说明：本技术 基于光镊系统四象限探测器标定装置及其方法 (Four-quadrant detector calibration device and method based on optical tweezers system ) 是由 于凌尧 胡徐锦 尹君 贾源 陈宏宇 王少飞 苑立波 于 2021-09-27 设计创作，主要内容包括：本发明提供的是基于光镊系统的四象限探测器标定装置及其方法。其特征是：装置由激光光操控功能模块和光束定位功能模块两大部分构成。本发明构建的光镊系统中四象限探测器标定装置及其方法,利用扫描振镜控制激光偏转,使聚焦的光阱在物镜焦平面上移动,四象限探测器记录变化的四路电压信号,对比分辨率板,获得电压信号与光阱位移的关系,从而实现四象限探测器的高精度标定。本发明通过移动光镊光阱的横向位置提高光束的定位精度；无需移动样品,避免样品移动导致的测量误差；可用于光镊光阱刚度标定和微纳颗粒的精准操控。(The invention provides a four-quadrant detector calibration device based on an optical tweezers system and a method thereof. The method is characterized in that: the device is composed of a laser light control function module and a light beam positioning function module. The calibration device and the calibration method of the four-quadrant detector in the optical tweezers system utilize the scanning galvanometer to control laser deflection, so that a focused optical trap moves on the focal plane of an objective lens, the four-quadrant detector records four paths of changed voltage signals, the resolution ratio plate is compared, and the relationship between the voltage signals and the displacement of the optical trap is obtained, thereby realizing the high-precision calibration of the four-quadrant detector. The invention improves the positioning precision of the light beam by moving the transverse position of the optical trap of the optical tweezers; the sample does not need to be moved, and the measurement error caused by the movement of the sample is avoided; the method can be used for optical tweezers optical trap rigidity calibration and accurate control of micro-nano particles.)

基于光镊系统四象限探测器标定装置及其方法

(一)

技术领域

本发明涉及的是基于光镊系统四象限探测器标定装置及其方法，可用于光镊系统中光阱刚度的校准和光阱力的精准测量，属于光操控技术领域。

(二)

背景技术

光镊技术发展迅速，从开始的对简单微粒操作到对细胞粒子皮牛量级的基准测量，光镊已经成为物理、化学、生物等重要领域不可或缺的操控与测量手段。对光阱的刚度校准是实现精准操控微纳颗粒的基础。近年来，广泛使用的光阱刚度校准方法主要采用价格高昂的纳米分辩压电移动平台，在激光不动的情况下移动固定在样品台上的微米小球，记录位置探测器-四象限探测器接收到的电压信号，提取散射光中的线性部分，从而对四象限探测器进行位置校准，达到几十纳米分辩的光阱探测精度。然而，在纳米平台的移动过程中，随时间变化的小球散射信号强度几乎是非线性的，只能提取近似于线性的部分用于校准四象限探测器，误差较大。

本发明公开了基于光镊系统四象限探测器标定装置及其方法，在无需移动样品的情况下，利用扫描振镜使光束偏转，对比光阱在分辨率板上的位移，从而控制焦平面上光阱的二维高精度移动，记录四象限探测器输出的电压信号，获得该信号与光阱位移的线性关系，从而实现对四象限探测器的标定。本发明利用激光光束经过高放大倍率显微物镜聚焦形成光阱，利用扫描振镜偏转光束实现对光阱的高精度移动，使用第二个显微物镜收集前向散射光，用第三个显微物镜使前向散射光均匀照射至四象限探测器表面，采集光阱空间位置信息，实现对四象限探测器高精度标定。

(三)

发明内容

本发明的目的在于提供一种结构简单紧凑、操作调节容易、高空间分辨率等优点的高精度四象限探测器标定装置及其方法。

本发明的目的是这样实现的：

基于光镊系统四象限探测器标定装置及其方法。其特征是：所述系统由激光光操控功能模块和光束定位功能模块两部分组成，激光光操控功能模块用于控制焦平面上光阱的高精度位移，光束定位功能模块用于测量光阱的位移信息，并校准四象限探测器。所述系统主要由激光光源1，扫描振镜2和3，双色镜4和8，显微物镜5、7和9，培养皿6，四象限探测器10，PC电脑端11，扫描振镜控制器12，光束横向位移控制模块13，柯勒照明系统14和CCD相机15组成。

激光光操控功能模块主要由激光光源1，扫描振镜2和3，双色镜4，显微物镜5，培养皿6，PC电脑端11，扫描振镜控制器12和光束横向位移控制模块13组成。激光光源1输出的激光光束经扫描振镜2和3及双色镜4反射进入显微物镜5，透过培养皿6产生聚焦的光阱。PC电脑端11向扫描振镜控制器12发送信号控制扫描振镜2和3使激光偏转，即光束横向位移控制模块13控制激光光束在进入显微物镜5之前具有微弧度分辩的偏转能力，从而控制光阱在显微物镜5焦平面上的高精度移动。样品台放置USAF1951分辨率板，调整扫描振镜2和3的初始角度，保证光斑在CCD图像上的二维横向位移为最小值，确定扫描振镜2和3的转角和分辨率板上光斑移动距离的线性关系，获得扫描振镜2和3的转角对应光阱在显微物镜5焦平面上的位移。光束定位功能模块主要由显微物镜7和9，双色镜8，四象限探测器10和PC电脑端11组成。显微物镜7收集培养皿6中光阱的前向散射信号，由双色镜8反射进入显微物镜9，调整显微物镜9与四象限探测器10的距离，形成均匀放大的光斑投射到四象限探测器10中央。横向位移控制模块13控制光阱在焦平面上的横向移动导致四象限探测器10输出随时间变化的四路电压信号，测量光斑位移与四象限探测器电压比的线性关系，从而实现对四象限探测器的标定。

四象限位置探测器10是利用集成电路光刻技术将1个圆形的光敏面窗口分割成4个面积相等、形状相同、位置对称的象限。当光斑在四象限位置探测器10表面上移动时，各象限受光面积发生变化引起4个象限电势的变化。以探测器表面的中心点为位置零点，相邻象限探测器之间的边界分别为x和y轴，定义x轴和y轴的信号值:

式中S_x表示四象限位置探测器10在x轴方向上的信号值，S_y表示四象限位置探测器10在y轴方向上的信号值，V₁,V₂，V₃和V₄分别表示四象限位置探测器10上四个象限测得的电压值，L_x和L_y表示四象限探测器表面上光斑在x和y方向上的长度。扫描振镜2和3使激光光束以微弧度的精度偏转，经过高倍显微物镜5聚焦，光阱以显微物镜5的放大倍数提高位移精度。

对照显微物镜5焦平面上光阱在USAF1951分辨率板上的位移，确定扫描振镜2和3的转角和分辨率板上光斑位移的线性关系，获得扫描振镜2和3的转角θ₁和θ₂对应光阱在显微物镜5焦平面上的位移F_x和F_y。计算四象限探测器测得x轴和y轴的信号值S_x和S_y对光阱在显微物镜5焦平面上位移F_x和F_y的比值R_x＝S_x/F_x和R_y＝S_y/F_y，即获得四象限探测器10信号值与光阱在显微物镜5焦平面上位移的线性关系，从而实现四象限探测器的标定。

(四)

附图说明

图1是基于光镊系统四象限探测器标定装置及其方法的结构示意图。

图2是光束横向位移控制模块结构示意图。

图3是四象限探测器与其前置显微物镜收集散射光斑示意图。

(五)

具体实施方式

下面结合具体的实施例来进一步阐述本发明。

基于光镊系统四象限探测器标定装置及其方法。中心波长为1064nm激光光源1输出的激光光束经扫描振镜2和3及双色镜4反射进入100倍油浸显微物镜5产生聚焦光阱，PC电脑端11向扫描振镜控制器12发送信号控制扫描振镜2和3使激光光束偏转，即光束横向位移控制模块13控制激光光束在进入显微物镜5之前具有微弧度分辩的偏转能力，从而控制光阱在显微物镜5焦平面上的高精度移动。

系统中，样品台放置USAF1951分辨率板，调整扫描振镜2和3的初始角度，保证光斑在CCD图像上的二维横向位移为最小值，光束横向位移控制模块13控制光阱在分辨率板上移动，CCD相机15测量出光阱在分辨率板上的实际位移，确定扫描振镜2和3的转角和分辨率板上光阱移动距离的线性关系，获得扫描振镜2和3的转角对应光阱在显微物镜5焦平面上的位移。

光阱透过培养皿6由40倍显微物镜7收集前向散射信号，由双色镜8反射进入显微物镜9，调整显微物镜9与四象限探测器10的距离，使四象限探测器10与显微物镜9焦平面的距离r1略小于显微物镜9的焦距f1，形成均匀放大的光斑投射到四象限探测器10中央，提高定位精度。

横向位移控制模块13控制光阱在焦平面上的横向移动导致四象限探测器10输出随时间变化的四路电压信号，根据公式(1-2)计算出四象限探测器x轴和y轴的信号值S_x和S_y，根据扫描振镜2和3的转角θ₁和θ₂对应光阱在显微物镜5焦平面上的位移F_x和F_x，获得四象限探测器10信号值与光阱在显微物镜5焦平面上位移的线性关系R_x＝S_x/F_x和R_y＝S_y/F_y，从而实现四象限探测器的标定。标定之后只需测量四象限探测器10的信号值，根据四象限探测器10信号值与光阱在显微物镜5焦平面上位移的线性关系，即可得到光阱的实际位移。