光学微操纵系统

技术领域

本申请涉及光学领域，特别是涉及一种光学微操纵系统。

背景技术

光学微操纵技术由于其能利用激光微束的动力学效应作用于微粒，实现对微粒的稳定捕获和精准操纵的特性，而被广泛应用于生物、医学以及工业领域。其中，在利用光学微操纵技术进行细胞打孔手术时，由于传统高斯激光光束只能沿直线传播，不适于具有障碍物的工作环境下对细胞进行灵活操纵，并且基于传统高斯激光光束的光学微操纵技术功能较为单一，实用性差，从而不能高效率地配合飞秒激光对细胞进行打孔。

针对相关技术中，传统高斯激光光束在配合飞秒激光对细胞进行打孔手术所存在的效率和灵活性较低的问题，目前还没有提出有效的解决方案。

发明内容

在本实施例中提供了一种光学微操纵系统，以解决传统高斯激光光束在配合飞秒激光对细胞进行打孔手术所存在的效率和灵活性较低的问题。

第一个方面，在本实施例中提供了一种光学微操纵系统，包括：第一激光发射器、空间光调制器、第一反射组件、物镜、第二激光发射器、以及第二反射组件，其中：

所述第一激光发射器用于发射第一激光；

所述空间光调制器，设置在所述第一激光发射器的出射光路上，用于接收所述第一激光，并将所述第一激光调制为空间结构光束后发射至所述第一反射组件，其中，所述空间光调制器中加载有全息相位图，所述全息相位图用于将进入所述空间光调制器中的第一激光调制成所述空间结构光束；

所述第一反射组件，设置在所述空间光调制器的出射光路上，用于接收所述空间结构光束并将所述空间结构光束反射至所述物镜；

所述第二激光发射器用于发射第二激光；

所述第二反射组件，设置在所述第二激光发射器的出射光路上，用于接收所述第二激光并将所述第二激光反射至所述物镜；

所述物镜用于接收所述空间结构光束和所述第二激光，并将所述空间结构光束和所述第二激光汇聚于目标位置处。

在其中的一些实施例中，所述空间光调制器与控制器连接，所述控制器用于将所述全息相位图加载至所述空间光调制器中，以生成所述空间结构光束。

在其中一些实施例中，所述光学微操纵系统还包括照明组件、CCD以及显示器，其中：

所述照明组件包括LED照明光源，所述LED照明光源用于对所述目标位置进行照明；

所述CCD用于对所述目标位置进行成像；

所述CCD连接有显示器，所述显示器用于显示所述目标位置的成像。

在其中一些实施例中，所述第一激光发射器为近红外激光发射器，所述第二激光发射器为飞秒激光发射器。

在其中一些实施例中，还包括第一准直扩束透镜组件；

所述第一准直扩束透镜组件设置在所述第一激光发射器和所述空间光调制器之间的光路上，用于对所述第一激光进行准直扩束处理。

在其中一些实施例中，还包括分光棱镜；

所述分光棱镜设置在所述第一准直扩束透镜组件和所述空间光调制器之间的光路上，用于将被所述第一准直扩束透镜组件处理后的第一激光覆盖到所述空间光调制器的液晶面上，还用于将所述空间光调制器发出的空间结构光束投射至所述第一反射组件。

在其中一些实施例中，所述第一反射组件包括第一反射镜和第二反射镜，以及设置于所述第一反射镜和所述第二反射镜之间的透镜。

在其中一些实施例中，还包括第二准直扩束透镜组件；

所述第二准直扩束透镜组件设置在所述第二激光发射器和所述第二反射组件之间的光路上，用于对所述第二激光进行准直扩束处理。

在其中一些实施例中，所述第二反射组件包括第三反射镜和第四反射镜，所述第四反射镜反射后的光路与所述第一反射镜反射后的光路共路。

在其中一些实施例中，所述全息相位图为由基于焦散光线原理的全息算法对预设的S形传播曲线处理，得到的全息相位图，所述空间结构光束为S形自加速光束。

与相关技术相比，本实施例中提供的光学微操纵系统，包括：第一激光发射器、空间光调制器、第一反射组件、物镜、第二激光发射器、以及第二反射组件，其中：第一激光发射器用于发射第一激光，空间光调制器设置在第一激光发射器的出射光路上，用于接收第一激光，并将第一激光调制为空间结构光束后发射至第一反射组件，其中，空间光调制器中加载有全息相位图，全息相位图用于将进入空间光调制器中的第一激光调制成空间结构光束，第一反射组件设置在空间光调制器的出射光路上，用于接收空间结构光束并将空间结构光束反射至物镜，第二激光发射器用于发射第二激光，第二反射组件设置在第二激光发射器的出射光路上，用于接收第二激光并将第二激光反射至物镜，物镜用于接收空间结构光束和第二激光，并将空间结构光束和第二激光汇聚于目标位置处。其利用灵活性更高的空间结构光束替代传统高斯激光光束，对目标位置处的细胞进行捕获和束缚，以配合飞秒激光对细胞进行打孔手术，从而提高了细胞打孔手术的灵活性和效率。

本申请的一个或多个实施例的细节在以下附图和描述中提出，以使本申请的其他特征、目的和优点更加简明易懂。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1是本申请实施例的光学微操纵系统的结构示意图。

图2是本实施例的光学微操纵系统的操纵方法的流程图。

具体实施方式

为更清楚地理解本申请的目的、技术方案和优点，下面结合附图和实施例，对本申请进行了描述和说明。

除另作定义外，本申请所涉及的技术术语或者科学术语应具有本申请所属技术领域具备一般技能的人所理解的一般含义。在本申请中的“一”、“一个”、“一种”、“该”、“这些”等类似的词并不表示数量上的限制，它们可以是单数或者复数。在本申请中所涉及的术语“包括”、“包含”、“具有”及其任何变体，其目的是涵盖不排他的包含；例如，包含一系列步骤或模块(单元)的过程、方法和系统、产品或设备并未限定于列出的步骤或模块(单元)，而可包括未列出的步骤或模块(单元)，或者可包括这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或模块(单元)。在本申请中所涉及的“连接”、“相连”、“耦接”等类似的词语并不限定于物理的或机械连接，而可以包括电气连接，无论是直接连接还是间接连接。在本申请中所涉及的“多个”是指两个或两个以上。“和/或”描述关联对象的关联关系，表示可以存在三种关系，例如，“A和/或B”可以表示：单独存在A，同时存在A和B，单独存在B这三种情况。通常情况下，字符“/”表示前后关联的对象是一种“或”的关系。在本申请中所涉及的术语“第一”、“第二”、“第三”等，只是对相似对象进行区分，并不代表针对对象的特定排序。

在本实施例中提供了一种光学微操纵系统10，如图1所示，该光学微操纵系统10包括：第一激光发射器102、空间光调制器104、第一反射组件、物镜108、第二激光发射器110、以及第二反射组件，其中：

第一激光发射器102用于发射第一激光；空间光调制器104，设置在第一激光发射器102的出射光路上，用于接收第一激光，并将第一激光调制为空间结构光束后发射至第一反射组件。其中，空间光调制器104中加载有全息相位图，全息相位图用于将进入空间光调制器104中的第一激光调制成空间结构光束。第一反射组件，设置在空间光调制器104的出射光路上，用于接收空间结构光束并将空间结构光束反射至物镜108；第二激光发射器110用于发射第二激光；第二反射组件，设置在第二激光发射器110的出射光路上，用于接收第二激光并将第二激光反射至物镜108；物镜108用于接收空间结构光束和第二激光，并将空间结构光束和第二激光汇聚于目标位置处。

上述实施例提供的光学微操纵系统是利用激光微束的动力学效应实现的，其基本原理是把具有一定强度和模式的激光束会聚成光束焦点，在该光束焦点附近会产生沿光束传播方向上的散射力，以及垂直于光轴传播方向上、指向光束焦点的梯度力。在两种力的作用下，细胞等微小粒子被稳定得捕获在光束焦点位置，当激光焦点移动，可以带动微粒运动，从而实现对微粒的稳定捕获和精准操纵。激光光刀是利用光的能量效应，使作用表面局部升温形成温度梯度，产生热膨胀和汽化等综合作用，进行实现高精度的显微切割和细胞手术。

具体地，该第一激光发射器102可以为任意一种结构光发射器，例如近红外激光发射器。该第一激光发射器102所发射的第一激光可以为传统的高斯激光。由于传统的高斯激光沿直线传播的特性，不适于在具有障碍物的复杂环境进行操作，因此可以利用空间光调制器104对该高斯激光进行调制，得到相对更灵活的，区别于传统高斯激光的空间结构光束，例如自加速光束、涡旋光束、阵列光束以及自聚焦光束等。其中，该空间光调制器104中包含有预先构建的全息相位图，该全息相位图可以由对应的全息算法实现。通过利用全息相位图对高斯激光进行调制，即能从该空间光调制器104中得到预先选择的空间结构光束。

其中，以S形自加速光束为例进行说明。可以利用基于突变理论中焦散光线原理的全息算法，对预先确定的S形传播曲线进行处理，按该S形传播曲线的拐点分为若干个凸轨迹或者若干个凹轨迹，将该若干个凸轨迹或者凹轨迹所对应的相位按照次序进行叠加，得到该S形自加速光束的目标相位，将该目标相位的全息相位图加载至空间光调制器104中，在该空间光调制器104接收到由第一激光发射器102发射的第一激光后，即能对该第一激光进行调制，得到S形自加速光束。该S形自加速光束能够在具有障碍物的工作环境下，绕过障碍物进行传播，从而在光学微操纵领域中，相对于传统的高斯激光更具灵活性。另外地，也可以使用其他全息算法产生其他类型的全息相位图，对该第一激光调制后得到其他的空间结构光束，例如涡旋光束、阵列光束、螺旋光束、自聚焦光束、对称光束、传播不变光束等，由于这些空间结构光束具有自弯曲、无衍射、自愈、自聚焦、携带角动量等特性，相比高斯激光而言，能够实现功能更加丰富的细胞捕获、分选、旋转、运输与手术等精密操纵，将这些空间结构光束与飞秒激光结合，能够提高对细胞操纵，或者工业操作的效率。

另外地，还可以在第一激光发射器102的出射光路上，在第一激光发射器102与空间光调制器104之间依次设置准直扩束透镜组件和分光棱镜，在对第一激光进行准直扩束处理和分光处理之后，将该第一激光传输至空间光调制器104中。具体地，准直扩束透镜组件能够将第一激光由较细的光束经准直扩束处理后得到平行光束，而分光棱镜能够将由空间光调制器104发射的空间结构光束经过一定角度的偏折转向，从而压缩光学微操纵系统的尺寸。

进一步地，在空间光调制器104的出射光路上设置第一反射组件，能够将空间光调制器104调制的空间结构光束反射至物镜108中，从而缩短空间结构光从空间光调制器104到物镜108的光路距离，进而缩短光学微操纵系统10的尺寸。进一步地，空间结构光可以经由物镜108汇聚于物镜108下的目标位置上，该目标位置可以位于载玻片上，也可以位于其他置物台面上，以实现对目标位置中的目标对象进行操作，比如对位于载玻片上的细胞或其他微粒的捕获、旋转、分选、运输等操作。其中，第一反射组件具体可以为一个或多个反射镜，在该第一反射组件包含多个反射镜的情况下，该多个反射镜设置在相邻反射镜的反射光路上，以通过对空间结构光的多次反射，将该空间结构光传输至物镜108。该第一反射组件的具体结构可以根据不同的应用场景进行设置，在此不做具体限定。

另外地，第二激光发射器110可以为飞秒激光发射器，用于在光学微操纵系统10中发射飞秒激光以实现对目标对象的打孔和切割。飞秒激光可以将其能量全部、快速、准确地集中在限定的作用区域，实现对玻璃、陶瓷、半导体、塑料、聚合物、树脂等材料的微纳尺寸加工。另外地，飞秒激光的应用领域也非常广阔，从金属到非金属再到生物细胞组织，甚至是细胞内的线粒体都能通过飞秒激光进行操作。具体地，在第二激光发射器110的出射光路上设置第二反射组件，以将第二激光反射至物镜108中，从而能够经由该物镜108与空间结构光一同汇聚于物镜108下的目标位置上。其中，该目标位置可以为载玻片，也可以为工业领域的工件部位，在本实施例中不作限定。同样地，第二反射组件可以包含一个或多个反射镜，在此不作具体限定。

进一步地，该第二反射组件反射的光路与第一反射组件反射的光路共路，以将空间结构光与第二激光共同汇聚于同一目标位置上，从而相互配合进行操纵。具体地，可以将控件结构光与第二激光共同汇聚于物镜108下的载玻片上，利用空间结构光对载玻片中的细胞进行捕获和固定，利用第二激光对该细胞进行打孔手术，从而提高对细胞操纵的效率。

具体地，第一激光发射器102发射的第一激光后，经由空间光调制器104调制后得到空间结构光束，并发射至第一反射组件，由第一反射组件将该空间结构光束反射至物镜108，经由物镜108汇聚于目标位置上。另外，第二激光发射器110发射第二激光，经由第二反射组件反射至物镜108，与空间结构光束共同汇聚于目标位置上，以在空间结构光对目标对象的捕获或固定下，对该目标对象进行操纵。

上述光学微操纵系统10包括：第一激光发射器102、空间光调制器104、第一反射组件、物镜108、第二激光发射器110、以及第二反射组件，其中：第一激光发射器102用于发射第一激光，空间光调制器104设置在第一激光发射器的出射光路上，用于接收第一激光，并将第一激光调制为空间结构光束后发射至第一反射组件，其中，空间光调制器104中加载有全息相位图，全息相位图用于将进入空间光调制器104中的第一激光调制成空间结构光束，第一反射组件设置在空间光调制器104的出射光路上，用于接收空间结构光束并将空间结构光束反射至物镜108，第二激光发射器110用于发射第二激光，第二反射组件设置在第二激光发射器的出射光路上，用于接收第二激光并将第二激光反射至物镜108，物镜108用于接收空间结构光束和第二激光，并将空间结构光束和第二激光汇聚于目标位置处。其利用灵活性更高的空间结构光束替代传统高斯激光光束，对目标位置处的细胞进行捕获和束缚，以配合飞秒激光对细胞进行打孔手术，从而提高了细胞打孔手术的灵活性和效率。

另外地，在一个实施例中，上述光学微操纵系统10还包括控制器114，空间光调制器104与控制器114连接，控制器114用于将全息相位图加载至空间光调制器104中，以生成空间结构光束。

具体地，该控制器114可以为包含存储器和处理器的计算机设备，该控制器114中能够执行预先设置的全息算法以产生对应的全息相位图，并将该全息相位图预先加载至空间光调制器104中，以对该空间光调制器104接收的第一激光，也即高斯激光进行调制，生成空间结构光束。

另外地，在一个实施例中，光学微操纵系统10还包括照明组件116、CCD(ChargeCoupled Device)118以及显示器120，其中：

照明组件116包括LED照明光源，LED照明光源用于对目标位置进行照明；CCD118用于对目标位置进行成像；CCD118连接有显示器120，该显示器用于显示目标位置的成像。

具体地，LED照明光源用于发射照明光，对设置在LED照明光源出射光路上的目标位置进行照明，并经由物镜108将该目标位置成像于CCD118上，其中，物镜108和CCD118之间还可以依次设置第五反射镜和聚焦透镜。另外地，CCD118所连接的显示器120，能够显示该目标位置的成像。

具体地，在一个实施例中，第一激光发射器为近红外激光发射器，第二激光发射器为飞秒激光发射器。

其中，在利用光学微操纵系统10对细胞进行操纵时，为了避免在操纵过程中对细胞造成破坏，可以使用波长为1064纳米的近红外激光作为第一激光。另外，还可以使用波长为800纳米的飞秒激光作为第二激光。

继续参见图1，在一个实施例中，上述的光学微操纵系统10，还包括第一准直扩束透镜组件122；

第一准直扩束透镜组件122设置在第一激光发射器102和空间光调制器104之间的光路上，用于对第一激光进行准直扩束处理。

其中，第一准直扩束组件122可以包括两个相对设置的准直扩束透镜，第一激光发射器102发射的第一激光经由两个相对设置的准直扩束透镜后，第一激光的光束被扩大而形成变成平行光，以使照射到空间光调制器上的光斑能够完全覆盖至空间光调制器的液晶面上。

另外地，在一个实施例中，上述光学微操纵系统10还包括分光棱镜124；分光棱镜124设置在第一准直扩束透镜组件122和空间光调制器之间的光路上，用于将第一准直扩束透镜组件122处理后的第一激光覆盖到空间光调制器104的液晶面上，还用于将空间光调制器104发出的空间结构光束投射至第一反射组件上。

另外地，在一个实施例中，第一反射组件包括第一反射镜1061和第二反射镜1062，以及设置于第一反射镜1061与第二反射镜1062之间的透镜。

其中，在空间结构光束到达第一反射组件的第一反射镜1061上后，经由该设置于第一反射镜1061的出射光路的透镜平行射出，到达该第一反射镜1062，并由该第二反射镜1062反射至物镜108。

另外地，在一个实施例中，上述光学微操纵系统10还包括第二准直扩束透镜组件126；第二准直扩束透镜组件126设置在第二激光发射器110和第二反射组件之间的光路上，用于对第二激光进行准直扩束处理。

同样地，该第二准直扩束透镜组件126也可以包括两个相对设置的准直扩束透镜。第二激光发射器110发射第二激光后，经由该第二准直扩束透镜组件126进行准直扩束处理后，到达第二反射组件。

另外地，在一个实施例中，第二反射组件包括第三反射镜1121和第四反射镜1122，第四反射镜1122反射后的光路与第一反射镜1061反射后的光路共路。

具体地，如图1所示，第二反射组件可以与第一反射组件相互垂直设置，以使经由第四反射镜1122反射的第二激光能够到达第二反射镜1062，并经过第二反射镜1062反射后到达物镜108。

在一个实施例中，全息相位图为由基于焦散光线原理的全息算法对预设的S形传播曲线处理，得到的全息相位图，空间结构光束为S形自加速光束。

在一个实施例中，基于上述实施例的光学微操纵系统10，提供了一种光学微操纵系统的操纵方法，如图2所示，包括以下步骤：

步骤S210，第一激光发射器102发出波长为1064纳米的近红外激光作为第一激光，经第一准直扩束透镜组件122的准直扩束处理，以及分光棱镜124的分光处理后，入射到空间光调制器104上；

步骤S212，该第一激光经空间光调制器104的调制后得到空间结构光束，再次经过分光棱镜124、第一反射组件中第一反射镜1061以及第二反射镜1062反射后到达物镜108，并汇聚于物镜108下的目标位置上；

步骤S214，第二激光发射器110发出波长为800纳米的飞秒激光作为第二激光，经第二准直扩束透镜组件126、第二反射组件中的第三反射镜1121以及第四反射镜1122后与第一激光共路，汇聚于物镜108下的目标位置上；

步骤S216，照明组件116发射照明光线对物镜108下的目标位置进行照明，CCD118对目标位置进行成像，并利用与之相连的显示器120进行显示；

步骤S218，空间结构光束和飞秒激光共同配合，实现对目标位置上目标对象的操纵。

上述光学微操纵系统10，利用控制器114将全息相位图加载至空间光调制器104中，生成空间结构光束，从而提供了区别于传统高斯激光的，更具灵活性的空间结构光束，利用照明组件116对目标位置进行照明，利用CCD118对目标位置进行成像，并利用显示器120显示目标位置的成像，从而便于操纵人员利用显示器120中的成像进行目标位置定位，利用设置于第一激光发射器102和空间光调制器104之间的光路上的第一准直扩束透镜组件122对第一激光进行准直扩束，以得到第一激光的平行光，并将该第一激光的平行光经设置在第一准直扩束透镜组件122和空间光调制器104之间的分光棱镜124进行分光处理，使光斑覆盖至空间光调制器104的液晶面上，以得到空间结构光束，并利用分光棱镜124、第一反射镜1061以及第二反射镜1062将该空间结构光束投射至物镜108，另外，利用第二准直扩束透镜组件126对第二激光进行准直扩束处理，利用第三反射镜1121和第四反射镜1122对第二激光进行反射，最终令第二激光与第一激光汇聚于目标位置，利用空间结构光束对目标位置的目标对象进行捕获、旋转以及分选等操纵，利用第二激光对目标位置进行打孔，从而在对细胞进行打孔手术时，克服了工作环境中障碍物对该激光操纵的影响，进而提高了操作的效率和灵活性。

应该明白的是，这里描述的具体实施例只是用来解释这个应用，而不是用来对它进行限定。根据本申请提供的实施例，本领域普通技术人员在不进行创造性劳动的情况下得到的所有其它实施例，均属本申请保护范围。

显然，附图只是本申请的一些例子或实施例，对本领域的普通技术人员来说，也可以根据这些附图将本申请适用于其他类似情况，但无需付出创造性劳动。另外，可以理解的是，尽管在此开发过程中所做的工作可能是复杂和漫长的，但是，对于本领域的普通技术人员来说，根据本申请披露的技术内容进行的某些设计、制造或生产等更改仅是常规的技术手段，不应被视为本申请公开的内容不足。

“实施例”一词在本申请中指的是结合实施例描述的具体特征、结构或特性可以包括在本申请的至少一个实施例中。该短语出现在说明书中的各个位置并不一定意味着相同的实施例，也不意味着与其它实施例相互排斥而具有独立性或可供选择。本领域的普通技术人员能够清楚或隐含地理解的是，本申请中描述的实施例在没有冲突的情况下，可以与其它实施例结合。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对专利保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请的保护范围应以所附权利要求为准。