Принцип голографической апертуры и обзор приложения

Введение. Комплексная апертура, образованная голографической технологией, имеет важное значение применения в разных случаях, таких как захват и манипулирование микроскопическими частицами или атомами, поскольку она более адаптируема, чем обычные отверстия, которые управляют только амплитудой оптического поля. Например, голографическая диафрагма, созданная с помощью специальной фазовой пластины, может передавать, сортировать или контролировать агрегацию мелких частиц.

Новое поколение оптических пинцет - голографическая апертура

Технология оптического пинцета играет чрезвычайно важную роль в молекулярной биологии, коллоидной науке, экспериментальной атомной физике и других областях. Оптические пинцеты также были постоянно развиты, и было создано много производных пинцетов. Голографическая апертура, образованная пространственным модулем света (SLM), имеет преимущества в многочастичных манипуляциях, которые открыли новую фазу для практического применения оптических пинцет и крупномасштабного промышленного производства. В настоящее время он является очень динамичным членом семьи Кванмай. В этой статье кратко излагается принцип и применение голографической апертуры и единственная коммерчески доступная система голографической апертуры на рынке. Это голографическая апертурная система CUBE американского Meadowlark (BNS).

введение

Оптические пинцеты, также известные как однолучевые ловушки частиц, были изобретены в 1986 году А. Аскиным на основе эксперимента взаимодействия легких частиц с 1969 года. Однолучевая ловушка частиц является, по существу, ловушкой силы градиента давления оптического излучения, и является потенциальной ямой, образованной взаимодействием силы рассеяния и силы радиального давления, способной зацеплять все частицы диапазона рассеяния Ми и Рэлея. Он образован высококонцентрированным однолучевым лазером, который может упруго захватывать организмы или другие макромолекулы (шарики), органеллы и т. Д. От нескольких нм до нескольких десятков мкм и захватывать материал без существенного влияния на окружающую среду. Субконтактная, неразрушающая операция вживую.

С момента своего изобретения в 1986 году Гуанхан сыграл чрезвычайно важную роль в экспериментальных исследованиях лазерного охлаждения, коллоидной химии и молекулярной биологии с ее преимуществами бесконтактного и низкого повреждения. Благодаря непрерывному расширению области применения оптических пинцетов, для того, чтобы удовлетворить больше потребностей в исследованиях, технология оптического пинцета постоянно улучшается с точки зрения комплексных оптических ловушек в режиме реального времени и управления. В настоящее время исследователи могут улучшить точность измерений смещения в масштабе времени в секундах, постоянно улучшая экспериментальный метод и контролируя броуновское движение образца. В то же время частицы размером до 25 нм могут захватываться и наблюдаться, и ожидается, что они будут захватывать меньшие наночастицы. В последние несколько десятилетий развитие оптического пинцета позволило людям более подробно понять молекулярные механизмы движения в сложных биологических системах. В форме выражения устройство апертуры постепенно эволюционировало во многих типах оптических ловушек с оптической ловушкой первоначальной однолучевой градиентной силы. Такие, как двойной свет, три света, четыре света, сканирующий свет, фемтосекундный свет и так далее. Эта серия технологий оптической дериватизации не только обогатила семью светлых семейств, но и предоставила очень изобретательный инструмент для микронаномасштабных исследований в различных областях, таких как биологические науки, такие как измерение процесса разматывания двухцепочечной ДНК и изучение молекулярных двигателей. Механизм движения, разделение хромосом риса и т. Д. Технология многооптических ловушек становится все более важной в многочисленных экспериментальных исследованиях. Выделяются оптические пинцеты в непрерывном развитии простой однолучевой оптической ловушки с градиентной силой для управления несколькими апертурами и ловушками, голографический пинцет как способ генерации многооптических ловушек или новых оптических ловушек. Он может не только создавать легкие ловушки различных функций, но и реализовывать трехмерные оптические ловушки, и это привело к серии исследований и разработок. Ученый Грир предсказал, что голографическая апертура приведет к технологической революции в оптической манипуляции.

Принцип голографической апертуры

Элемент голограммы представляет собой ключевой элемент, составляющий голограммную диафрагму. Это интерференционная картина, образованная светом объекта записи пленки и контрольным светом. Когда воспроизводится поле освещенности объекта, на элемент голограммы облучают только исходный контрольный свет, чтобы получить восстановленный объект. Светлое поле. Голографическая апертура представляет собой диафрагму, образованную с использованием голографического элемента для построения светового поля с определенной функцией. Из-за различной природы сформированного светового поля голографические апертуры будут выполнять различные функции, такие как вращение отдельных частиц, манипуляция и сортировка нескольких частиц и тому подобное. Самые ранние голографические отверстия были выполнены Эриком Р. Дуфренсом из Чикагского университета в 1998 году. Они использовали дифракционный оптический элемент (DOE) для разделения коллимированного лазерного луча на несколько независимых пучков, которые были сфокусированы сильной сходящейся линзой, чтобы сформировать многократная апертура. Ключом к созданию голографической апертуры является выбор подходящего голографического элемента на основе реальных потребностей. Традиционным методом генерации голограмм является использование когерентной световой интерферометрии. Недостаток заключается в том, что голограммы, которые они используют, являются низкими по эффективности дифракции, отнимают много времени и мало универсальны. Поэтому они широко не используются в голографических апертурах. В настоящее время голографические голограммы в основном формируются пространственными модуляторами света (УУЗР). Общие пространственные модуляторы света включают в себя жидкокристаллические пространственные модуляторы света, магнитооптические пространственные модуляторы света, цифровые микромировые матрицы (МДД), множественные модуляторы пространственного света с квантовыми ямами и акустооптические модуляторы. Также возможно использовать УФ-литографию, чтобы отдельные дифракционные оптические элементы модулировали световое поле. Большая часть того, что используется в настоящее время, представляет собой жидкокристаллический пространственный модулятор света, адресованный компьютеру, для реализации голограммного элемента, а сформированная световая ловушка может быть динамически изменена путем изменения элемента голограммы.

До появления компьютеров лазерные голограммы были необходимы для образования голограмм ограниченной формы. С помощью компьютеров могут быть реализованы голограммы любой формы. Однако каждый раз, когда внедряется световая ловушка, соответствующая голограмма должна быть пересчитана. При постоянном обновлении компьютерной скорости и появлении новых алгоритмов голографические апертуры любой формы могут быть легко реализованы в общих научно-исследовательских лабораториях. В принципе, голографические отверстия могут создавать светлые ловушки любой формы, размера и числа. Изменяя фазовое распределение захваченного света, захваченные частицы могут перемещаться в световом ловушке в соответствии с заданным курсом, тем самым обеспечивая более удобный инструмент для реализации частиц сортировки радужки. Благодаря непрерывному продвижению технологии лазерного захвата и постоянному изменению объектов захвата традиционные оптические ловушки с однолучевой градиентной силой уже не могут удовлетворить новый спрос на микроскопический захват частиц. Будучи новой оптической технологией, добавление голографических отверстий позволило семье Криптонов быть полными жизненной силы. Голографические отверстия показали большие перспективы в области захвата и манипулирования несколькими частицами и получения частиц захвата поверхностного плазмонного резонанса. Полностью признавая преимущества и недостатки голографических отверстий, люди могут в полной мере воспользоваться преимуществами их проектирования при создании голографических отверстий и преодолевать недостатки, создавая голографические отверстия с превосходными характеристиками, которые отвечают реальным потребностям, что позволяет использовать их в молекулярной биологии и биологии. Химические, нанопроизводственные и другие отрасли предоставляют свои уникальные преимущества и предоставляют более ценную информацию для междисциплинарных исследований.

Типичное применение голографической апертуры

Благодаря обмену импульсом или угловым моментом между светом и частицами световое поле становится традиционным бесконтактным инструментом для захвата, перемещения, растяжения или вращения микроскопических частиц. В традиционном методе используется волновая пластина и поляризационное устройство для получения пучка с определенным моментом вращения спина, и для получения пучка с орбитальным моментом, такого как вихревой пучок, может быть использована некоторая голограмма. Это расширяет применение голографических отверстий и показывает его уникальные преимущества с точки зрения фотоотвращения частиц, манипулирования несколькими частицами и сложного движения.

1 New Hollow Light Field захватывает и поворачивает мелкие частицы

Фотоны имеют линейный импульс и угловой момент, а угловой момент включает орбитальный момент и спиновый момент. Среди них спиновый момент зависит от поляризационного состояния пучка, который может быть изменен призмами, волновыми пластинами и т. П. В 2007 году группа Ван использовала технологию нанопроизводства для приготовления цилиндрических нано-кварцевых частиц. Частицы вращаются в апертуре и измеряют силы скручивания и моменты dsDNA. Этот метод использует спиновый момент количества фотонов, чтобы заставить двулучепреломляющие частицы вращаться.

В 1991 году Sato et al. впервые осуществлено фотоиндуцированное вращение частиц в апертуре, а используемый луч был вращающимся высшим эрмита-гауссовским светом. Ряд новых ловушек света использовался для изучения фотоиндуцированного вращения частиц, таких как полый гауссовский, лагерно-гауссовский, более высокий порядок Бесселя, полый полый бублик и полые выходные полые пучки LP01. Преимущество этого метода заключается в том, что тепловой эффект, создаваемый при захвате частиц, мал, и нет новой характеристики однолучевой градиентной силовой ловушки, образованной общим гауссовым пучком. Традиционная голографическая технология способствовала применению этих новых типов лучей при фотоиндуцированном ротации. Орбитальный момент связан с конкретным пространственным распределением светового поля.

Пучок с орбитальным угловым моментом может генерироваться вращающейся призмой Дов, но для этого требуется очень точное расположение призм в оптическом диапазоне длин волн, чего трудно достичь и не может динамически изменять характеристики пучка. Использование голографической технологии преодолевает эти недостатки. Это позволяет легко получить световые пучки с орбитальным моментом или специфическими дифракционными характеристиками с использованием подходящих голограмм, таких как лужи Лагерра-Гаусса (LG), Бесселя Бесселя, пучка Эрмита-Гаусса и т. Д.

Кроме того, новые световые ловушки, созданные голографическими методами, такими как ловушки для вихревых лучей, создают на полевых апертурах поля, которые могут использоваться для захвата и вращения частиц металла. В 2008 году Мария Диенеровиц и др. из Университета Сент-Эндрюса в Шотландии использовал LG light для захвата нанозеркальных частиц. Они использовали пучок вблизи поверхностного плазмонного резонанса для ограничения частиц золота в области темного поля света LG и использования орбитального угла фотонов. Передача импульса, реализующая вращение двух наночастиц золота 100 нм, захваченных в оптическую ловушку одновременно.

2 Многочастичное комплексное движение

Сила, создаваемая с помощью технологии коррекции оптического волнового фронта, может обеспечить быстрый контроль во многих областях науки и техники и инженерных приложений. Например, голографические апертуры могут динамически захватывать и манипулировать несколькими частицами в реальном времени. Jesacher et al. Медицинской школы Инсбрука в Австрии провели обширные исследования по использованию жидкокристаллических пространственных модуляторов света для генерации сложных световых волн. Они захватывают и манипулируют микроскопическими диэлектрическими гранулами в предварительно сконфигурированных оптических ловушках, отдельно контролируя амплитуду и фазу оптического поля. Изменение амплитуды и фазы светового поля может не только реализовать световые ловушки специальных форм, таких как крест, прямоугольник и круг, но и управлять движением частиц по определенным дорожкам. В принципе, можно реализовать захват частиц в легких ловушках произвольной формы. Контроль.

3 Другие применения голограммы

Комплексная апертура, сформированная голографической техникой, имеет важное значение применения в разных случаях, таких как захват и манипулирование микроскопическими частицами или атомами, поскольку она более адаптируется, чем обычные отверстия, которые могут регулировать только амплитуду оптического поля. Например, голографическая диафрагма, созданная с помощью специальной фазовой пластины, может передавать, сортировать или контролировать агрегацию мелких частиц.

В настоящее время голографические апертуры с 400 оптическими ловушками могут быть получены с использованием голографической технологии. В сочетании с компьютерной технологией характеристики отдельных оптических ловушек также могут динамически меняться. Получаемые таким образом световые ловушки реального времени могут захватывать движущиеся и высокодисперсные объекты, такие как вирусы, небольшие коллоиды и плавающие бактерии. Кроме того, могут быть также созданы линейные оптические ловушки Бесселя и оптические ловушки с вращательным моментом. Эти необычные световые ловушки позволяют настраивать, вращать, вращать и создавать круговые объекты на плоскости изображения или оптической оси, а также другие нетипичные манипуляции. Эти исследования еще больше расширили сферу применения голографических отверстий, сделав его замечательной работой в научно-исследовательском зале по научным исследованиям.

Голографические апертуры характеризуются свободой управления несколькими частицами, что облегчает сплавление, адсорбцию и взаимодействие между частицами или поверхностями. Например, вирус внедряется в клетки или сперматозоид имплантируется в яйцеклетки, а межмолекулярная сила связывания обнаруживается с использованием многофункциональных шаров и поверхностей. Наблюдая за поведением объекта в световом ловушке, можно также точно измерить характеристики объекта или окружающей среды. Ловушка с несколькими скважинами может растягивать или изгибать материал на границах между отдельными молекулами и клеточными мембранами и жидкостями. Такие эксперименты могут получить информацию о модуле упругости, поверхностной энергии и адсорбционной силе во многих системах и в то же время упростить изучение микромасштабных механических свойств. Голографические отверстия можно использовать для сборки конкретных структур. При люминесцентном или отраженном освещении конкретный материал можно просматривать и позиционировать на прозрачной подложке или электроде. Голографические апертуры могут организовывать множество материалов с новыми физическими или оптическими свойствами в трех измерениях. Потенциальными приложениями являются конструкция фотонно-кристаллических запрещенных материалов, изготовление биологических или наноразмерных электронных компонентов и нанесение различных материалов на электроды для измерения их электрических свойств. В 2007 году ученые в США использовали инфракрасный свет для управления движением частиц на кремниевой пластине. Они выбрали кремниевую пластину соответствующей толщины и концентрации легирования, чтобы она могла проникать в инфракрасный свет и могла быть обнаружена ПЗС. Эта технология прорывается через узкое место традиционного захвата частиц в жидкой фазе. Если вы объедините технологию голографической диафрагмы, вы можете собрать некоторые значимые структуры на определенных твердых поверхностях.

В частности, перед изобретением голографической апертуры технология диафрагменной апертуры фокусируется главным образом на основном исследовании отдельных частиц, а преимущество голографической апертуры при манипулировании несколькими частицами открывает практическое применение оптических пинцетов для крупномасштабных промышленных производство. Новая ситуация.

Примеры продуктов

В настоящее время коммерчески доступные апертурные системы в основном используют AOD, а голографическая апертурная система Meadowlark (BNS) CUBE - единственная коммерческая голографическая апертурная система. Его структура выглядит следующим образом:

По сравнению с другими апертурами, использующими AOD, система голографической апертуры Meadowlark (BNS) CUBE имеет следующие особенности:

1. В настоящее время коммерчески доступные многоапертурные системы используют лазеры AOD (высокоскоростная модуляция) для формирования различных ловушек света и могут обрабатывать только двумерные (x, y-direction) плоскости, такие как перевод. Жидкокристаллический пространственный модулятор света может модулировать интенсивность и фазу света и является истинным 3D-манипуляцией. Не только перевод, но и трехмерное вращение и другие манипуляции с частицами и клетками.

2. Поскольку свет может регулироваться по фазе, жидкокристаллический пространственный модулятор света может корректировать разность фаз, регулировать лазерное пятно и более эффективно распределять световую ловушку.

(a) Фазовые диаграммы, используемые для коррекции разностей фаз, нагруженных на УУЗР (b) Световая точка предварительной коррекции (c) Исправленное световое пятно

3. Жидкокристаллический пространственный модулятор света (SLM) имеет коэффициент дифракции более 90%, выше, чем AOD, и имеет более высокое использование лазера.

4. В отличие от AOD, который образует многократные ловушки света посредством высокоскоростного переключения, жидкостный кристаллический пространственный световой модулятор (SLM) может одновременно генерировать несколько сфокусированных лучей, причем каждый луч образует отдельную световую ловушку, поэтому свет. Стабильная форма ловушка лучше.