具备常规与全息光镊功能的高分辨率显微镜构建

在此实验过程中，需组装并校准传统的和全息光镊系统。首先，测量光学元件的安装位置，然后将各元件牢固地安装在相应位置上。接着，调整光学元件以实现有效捕获。最后一步是阻挡全息反射镜中的TED光束。

最终，该系统能够实现全息捕获与常规捕获的同步操作。与仅采用常规捕获等现有方法相比，该技术的主要优势在于，可同时在三维空间中对多个折射性物体进行定位，并实现快速的物体操控测量。通常，初次接触该方法的研究人员可能会面临困难，因为其设计、布局和光路对准过程可能具有挑战性。

本视频的起点是一个光学平台，其上已放置显微镜，用于在980纳米波长处构建光学捕获阱。首先选用一个现成的、波长为980纳米的激光二极管。使用一个带有偏振保持单模光纤的压电倾斜激光器，该光纤具有已知的模场直径。

光纤应足够长以起到模式滤波的作用，并应使用带有FCPC或F-C-A-P-C连接器的光纤通道连接器进行端接。单模光纤应小心操作，避免扭曲。固定激光二极管，并安装能够实现功率和温度控制的支架。

应将支架直接固定在光学平台上，以最大限度地实现被动散热。接下来，将光纤连接器安装到光束准直光学元件上。确保所选光纤端口与激光二极管的模场直径相匹配。

使用尾纤将准直适配器固定在光学平台上，位置应距离显微镜足够远，以便为光路扩展和其他组件的放置留出空间。可利用不同颜色的定位杆来固定透镜间距，实现稳定且可重复的定位。调节光纤端口，确保在与到达显微镜的总光路相当的距离上，光束输出保持一致。

DDE 激光束的光路中共有五个反射镜。从激光器 dde 开始，有两个反射镜用于将激光输出引导至显微镜外壳内。激光束还需穿过一个二向色镜，该镜允许激光二极管光束在与入射角成 45 度的方向上无衰减地透射。

最后，还有两个额外的短通二向色镜，可透射可见光，但反射近红外及更长波长的光。将光束导入和导出显微镜。无限远空间一位于显微镜机身内部，用于调节镜片；此时需取下显微镜物镜。

使用反射镜和红外观察卡将光束引导通过物镜安装台上的孔径。如果光束偏离中心，调节反射镜以校正光路，使光束居中。安装透镜时，采用笼式系统可实现稳固的装配。

可使用卡尺在安装前预先测量沿笼杆的透镜间距。使用定制转接器将红色激光指示器临时安装在物镜位置，使其光束沿显微镜的光轴方向。利用可见的激光指示器光束来放置并粗略对准980纳米的扩束镜。

该装置采用焦距为 60 毫米和 125 毫米的透镜，以 keary 排列方式将光束束腰尺寸大致扩大一倍。接下来，利用指示光束作为引导，安装 980 纳米的转向透镜。每个透镜均具有焦距为 60 毫米的安装座，光路中的第一个透镜需安装在精密的 X、Y、Z 位移台上，其行程范围至少为半英寸，以便实现光束 steering。

现在可以放置第二个透镜，使其与第一个透镜构成一对一的开尔配光路。该透镜必须准确定位，使其与物镜的后焦平面在光学上共轭。为准备全息光镊，需将1064纳米激光器安装在抬高的平台上，高度大致与980纳米光束齐平。

在激光器输出端后立即放置一个半波片和一个偏振片，以实现对激光功率的手动调节。为此激光器安装光束扩束器，使光束扩束后匹配全息镜的对角线尺寸。

若空间受限，此处应使用焦距较短的透镜，分别为 16 毫米和 175 毫米。现在使用激光指示器光束来定位空间光调制器（SLM），该器件是所用商用全息装置的一部分。在本实验中，空间光调制器的位置必须调整至与物镜的后焦平面在光学上共轭。

将其放置，使激光指示器光束的入射角尽可能小，同时确保其反射光能安全避开光学平台上所有硬件。在1064纳米激光扩束器前方放置另一面反射镜，以将光束引导至空间光调制器。确保激光指示器光束照射到扩束器孔径的中心。

最后，在空间光调制器和二向色镜之间安装一对焦距分别为125毫米和200毫米的透镜。移除激光指示器，保留定制的适配器支架作为粗调准直光阑。

首先仅使用980纳米光束进行准直检查。利用红外观察卡将980纳米光束调整至沿定制适配器中孔径的中心轴传播。然后使用红外观察卡确保1064纳米光束在其共用光路中与980纳米光束经过相同的路径位置。

完成此操作后，将定制的激光指示器安装适配器更换为高数值孔径的油镜或水镜物镜。接着，通过移动激光光束，使全息镜关闭时在相机上观察到径向对称的干涉图样，从而对准980纳米光阱。然后，利用空间光调制器和第一块二向色镜，移动未发生衍射的1064纳米光束，以对准1064纳米光阱。

在此示例中，两个光阱的对齐图像表明光阱对齐良好，能够实现高效捕获，但仍可进一步优化。此外，由于圆形的1064 nm光束照射在方形的空间光调制器镜面上，存在一些微小的像差，仅通过优化透镜对准则难以完全消除。为了阻断由空间光调制器中未充分驱动区域产生的杂散光阱，可在该系统与样品平面共轭的位置，将一个微小的不透明物体插入未充分驱动光束的光路中。

将直径为100至300微米的不透明金属微球粘附于红外透明的圆形玻璃盖玻片或窗口上。将该样品块置于透镜共焦平面上，该平面在光学上与样品平面共轭。若光镊捕获光束被注入显微镜的无限远空间，则可调节光束阻挡器以阻挡未聚焦的光线，或移动阻挡器使所有光线通过。

组装好的系统可让操作者实时捕获多个折射性物体，并在视野范围内沿三个维度对其进行定位。此处通过捕获悬浮在去离子水中的微球，展示了仪器的全息操控能力；红色和绿色圆圈表示光镊位置，其中绿色表示本片段中被选中进行重新定位的光镊；在捕获物体后，播放速度加快，其对应的光镊位置由人工手动重新调整。

最终的排列包含11个珠子，呈现出进行本实验的犹他大学的标志。该系统还允许同时使用全息光镊和传统光镊。此处由操作者定义并控制两排全息光镊。

在两行之间定义了一个额外的传统光阱。悬浮在去离子水中的微球被光阱捕获。中心微球被移动至最大空间位移为 4.1 微米的位置，然后在相同条件下返回其原始位置。

但当中心小球以每秒82微米的速度移动时，生成了这一系列图像。请注意第二和第三幅图像中的运动模糊现象。观看本视频后，您应能充分理解如何在同一实验装置中构建并校准一个包含独立全息光镊和常规光镊的双光镊系统。

请务必注意，使用高功率激光器可能极为危险，应采取预防措施，例如佩戴合适的护目镜。