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   新一代光镊--全息光镊

新一代光镊--全息光镊



择要
光镊手艺在分子生物学、胶体科学、实行原子物理等发域中具有极为主要的感化,光镊自己也不断发展并发生很多衍生光镊手艺。空间光调制器(SLM)所构成的全息光镊,在多粒子操控方面的上风,为光镊手艺走向适用化、范围工业生产翻开了新局面,是现在光镊家属极具生机的成员。本文简朴引见了全息光镊的道理和运用,和市情上唯一的商用全息光镊体系--美国Meadowlark(BNS)公司的全息光镊体系CUBE。

弁言
光镊又称单光束粒子阱,是A. Ashkin在1969年以来闭于光取微粒子相互作用实行的基础上于1986 年发现的。单光束粒子阱实质上是光辐射压梯度力阱,是基于散射力和辐射压梯度力相互作用而构成的可以或许网罗住全部米氏和瑞利散射局限粒子的势阱。它是由高度会聚的单束激光构成的,可弹性天捕捉从几nm 到几十μm 的生物或其他大分子微粒 (球) 、细胞器等,并在根基不影响周围环境的状况下对捕捉物停止亚打仗性、无损活体操纵。

光镊自1986 年发现以来,以其非打仗、低毁伤等长处,在激光冷却、胶体化学、分子生物学等范畴的实行研讨中施展了极为主要的感化。跟着光镊手艺应用领域的络续扩大,为顺应更多的研讨需求,光镊手艺自己也在背及时可控的庞大光阱方面络续天革新。现在研究人员经由络续天革新实行要领和掌握样品的布朗运动,能够在秒的工夫标准上实现埃量级精度的位移丈量。同时能够捕捉并观察到最小达25 nm 的粒子,并无望捕捉更小的纳米粒子。在已往的几十年里,光镊手艺的生长使人们较具体天相识在庞大的生物体系中份子的活动机制成为能够。便表现形式而言,光镊仪器由最后的单光束梯度力光阱逐步演变出了很多范例的光学势阱。如双光镊、三光镊、四光镊、扫描光镊、飞秒光镊等。那一系列光镊的衍生手艺不只雄厚了光镊家属,更加生物科学等差别范畴在微纳标准的研讨供应了一个异常奇妙的东西,如丈量单链DNA 的解螺旋历程、研讨份子马达的活动机制、星散水稻染色体等。多光阱操控手艺在浩瀚的实行研讨中显得愈来愈主要。光镊手艺在一个由简朴的单光束梯度力光阱背多光镊及阱位可控的庞大光镊的不断发展历程中,全息光镊作为一种发生多光阱或新型光学势阱的要领脱颖而出。它不只能组成种种功用的光阱,而且借能实现三维光阱阵列,而且动员了一系列的研讨和生长。科学家Grier预言,全息光镊将激发光学支配的一场技术革命。

全息光镊的道理
全息元件是组成全息光镊的要害元件,它是应用底片纪录物光和参考光所构成的过问图样,物光场再现时,只需用本来的参考光照耀全息元件,便可得到重修的物光场。全息光镊就是应用全息元件构建的具有特定功用的光场而构成的光镊。所构成的光场性子的差别,全息光镊会实现差别的功用,如单粒子的扭转、多粒子的操控和分选等。最早的全息光镊由芝加哥大学Eric R. Dufresne 即是1998 年实现,他们运用衍射光学元件(DOE)将准直的激光束分红多个自力的光束,经由过程强会聚透镜聚焦后构成多光镊。构建全息光镊的要害是凭据现实需求选择适宜的全息元件。传统天生全息元件的要领是应用相干光过问建造的,其瑕玷是所拍摄的全息元件存在衍射效力低、建造费时和通用性差等,因此它在全息光镊中并没有获得普遍的运用。现在全息光镊的全息元件多由空间光调制器(SLM)构成。常见的空间光调制器有液晶空间光调制器、磁光空间光调制器、数字微镜阵列(DMD)、多量子阱空间光调制器和声光调制器等。借能够用紫外光刻去建造特定的衍射光学元件去调制光场。如今用的较多的是由计算机寻址的液晶空间光调制器实现全息元件,经由过程改动全息元件便能够使得所构成的光阱作静态转变。

在计算机泛起之前,需求接纳激光全息的要领构成有限外形的全息图。现在在计算机的辅佐下,能够实现恣意外形的全息图。不外,每实现一种新设想的光阱,皆需求从新盘算响应的全息图。跟着计算机速度的络续革新和新的算法的泛起,在一样平常的科研实验室曾经能够很容易实现恣意外形的全息光镊。原则上全息光镊能够发生恣意外形、巨细、数目的光阱。经由过程改动捕捉光的相位散布,能够使捕捉粒子在光阱中按设定的路线活动,为实现光镊分选粒子供应越发轻易的东西。跟着激光捕捉手艺的络续前进和捕捉工具的络续转变,传统的单光束梯度力光阱曾经不克不及知足微观粒子捕捉的新需求。作为新兴的光镊手艺,全息光镊的加盟使得光镊家属充满活力,全息光镊在捕捉和操控多粒子和实现外面等离子体共振捕捉粒子等范畴展示出极大的运用远景。充分认识全息光镊的优缺点有助于人们在设想全息光镊时,充分利用其长处,战胜不足之处,设想出知足现实需求的机能优胜的全息光镊,使之在分子生物学、生物化学、纳米制造等范畴施展其奇特的上风,为交织学科的研讨供应更多有价值的信息。

全息光镊的典范运用
因为光和粒子之间有动量或角动量的交流,光场成为一个传统的非打仗的捕捉、挪动、拉伸或扭转微观粒子的东西。传统的要领应用波片和偏振器件可以获得具有肯定自旋角动量的光束,应用肯定的全息图可以获得具有轨道角动量的光束,如涡旋光束等。那使得全息光镊的运用局限获得扩大,在微粒的光致扭转、多粒子的操控和庞大活动方面显现出其奇特的上风。

1 新型空心光场捕捉和扭转细小粒子

光子具有线性动量和角动量,角动量又包孕轨道角动量和自旋角动量。个中,自旋角动量取决于光束的偏振状况,它能够经由过程棱镜和波片等去改动。2007年,Wang 课题组接纳纳米制造手艺制备出圆柱型的纳米石英颗粒。这类颗粒在光镊中会发作扭转,进而丈量dsDNA 的改变力和力矩。这类手艺恰是应用光子的自旋角动量会使得双折射粒子发作扭转的特性。

1991 年Sato 等初次实现了光镊中粒子的光致扭转,所接纳的光束为扭转的下阶Hermite-Gaussian光。以后泛起一系列的应用新型光阱来研讨微粒的光致扭转,如空心下斯光束、推盖尔-下斯光束、高阶贝塞尔光束、面包圈空心光束及LP01 模输出空心光束等,这些空心光束的上风是捕捉粒子时所发生的热效应小,且具有常用的下斯光束构成的单光束梯度力光阱所不具有的新特性。传统的全息手艺则鞭策了这些新型光束在光致扭转方面的运用研讨。轨道角动量则取光场的特定空间散布相联系。

具有轨道角动量的光束能够经由过程扭转的Dove 棱镜去发生,但那需求在光学波长领域下很准确的部署棱镜,实现较难题,且不克不及静态改动光束的特性。全息手艺的运用战胜了上述瑕玷,它使得人们应用适宜的全息图很容易天得到具有轨道角动量或特定衍射特性的光束,如推盖尔-下斯(Laguerre-Gaussian,LG)光束、贝塞尔光束(Bessel Beam)、厄米-下斯(Hermite-Gaussian)光束等。

另外,应用全息手艺发生的新型光阱,如涡旋光阱,在界面所构成的倏逝波形成的近场光镊能够用来捕捉和扭转金属粒子。2008 年,苏格兰的圣·安德鲁斯大学的Maria Dienerowitz 等应用LG 光捕捉纳米金粒子,他们用靠近外面等离子激元共振的光束将金粒子限定在LG 光的暗场地区,而且应用光子的轨道角动量的转移,实现对同时捕捉于光阱中的两个100 nm 的金纳米粒子的扭转。

2 多粒子庞大活动

应用光波前校订手艺所发生的力能够在科技和工程运用的很多范畴实现快速掌握,如全息光镊能够对多粒子停止及时静态的捕捉和操控。奥地利Innsbruck 医学院的Jesacher 等在用液晶空间光调制器发生庞大光波前的实用性方面停止较多的研讨。他们经由过程离别掌握光场的振幅和相位,在预先设定外形的光阱中捕捉和支配微观的电介质小球。改动光场的振幅和相位,不只能够实现十字、矩形、圆形等特别外形的光阱,借能够掌握粒子在个中沿特定的途径活动,原则上能够实现对粒子在恣意外形的光阱中的操控。

3 全息光镊的其他运用

由全息手艺构成的庞大光镊在捕捉和支配微观粒子或原子等差别场所具有主要的运用代价,由于它比一般的只能掌握光场振幅的光镊具有更强的适应性。比方,用特制的相位片发生的全息光镊能够传输、分选或掌握细小粒子的聚集。

现在,应用全息手艺可以获得多达400 个光阱的全息阵列光镊,联合计算机技术,借能够对个中单个光阱的特性停止静态的改动。如许发生的及时光阱能够对活动的和下疏散的物体停止捕捉,如病毒、小胶体和游动的细菌。另外,借能够发生线状、Bessel型光阱和带有角动量的光学旋涡光阱等。这些非平常的光阱使得在像平面或光轴偏向调解、扭转物体、发生扭转的环形物体和得到其他的非典型的支配成为能够。这些研讨进一步扩大了全息光镊的运用局限,使之成为交叉科学研讨殿堂中一朵奇葩。

全息光镊的特性是能够自在掌握多个粒子,使得粒子的融会、吸附和粒子间或粒子取外面的相互作用研讨获得简化。如将病毒植入细胞或将精子植入卵细胞,和用多功能的小球和外面探测份子间联合力等。经由过程视察光阱中物体的行动,借能够对物体或周围环境的特性停止准确的丈量。多光阱能够在单份子及细胞膜取流体界面拉伸或蜿蜒质料。这类实行能够获得很多体系中弹性模量、外面能和吸附力等信息,同时简化了微观标准机器特性的研讨。全息光镊能够用来组装特定的构造。运用荧光大概反射光照明,可以或许在通明基底或电极上视察和定位特定的质料。全息光镊能够将很多具有新的物理或光学特性的质料构造在三维空间。潜伏的运用是构建光子晶体带隙质料、建造生物或纳米标准的电子元件和在电极上堆积差别的质料以便丈量他们的电学特性。2007 年,美国的科学家应用红外光构成的光镊在硅片上掌握微粒的活动,他们经由过程选择适宜厚度和搀杂浓度的硅片,使之透过红外光进而可以或许被CCD探测。这项手艺打破了传统的在液相中捕捉粒子的瓶颈。若将全息光镊手艺与之联合,则能够在特定的固体外面组装一些有意义的构造。

稀奇要指出的是,在全息光镊发现之前,光镊手艺重要偏重在单粒子的根蒂根基研讨方面,全息光镊在对多粒子操控方面的上风,为光镊手艺走向适用化、范围工业生产翻开了新局面。

产物举例

现在市情上商用光镊体系大多接纳声光偏转器(AOD),Meadowlark(BNS)公司的全息光镊体系CUBE是唯一的商用全息光镊体系。其构造示意图以下:

光镊1.jpg


与其他接纳声光偏转器(AOD)的光镊比拟,Meadowlark(BNS)公司的全息光镊体系CUBE具有以下特性:

1.现在市情商用多光镊体系均接纳声光偏转器(AOD)高速调制激光构成差别光阱,只能做到二维(x,y偏向)平面操控,如平移等。液晶空间光调制器对光能够停止强度和相位调制,为实3D操控。不只能够平移,借能够对微粒及细胞停止三维扭转等操控。

2.因为能够对光停止相位调治,液晶空间光调制器能够校订相差,调治激光光斑,使光阱散布更趋于理想化。

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(a)加载在SLM上用于校订相差的相位图(b)校订前光斑(c)校订后光斑


3.液晶空间光调制器(SLM)衍射效力大于90%,比声光偏转器(AOD)下,对激光的利用率更高。

4.不同于声光偏转器(AOD)是经由过程高速切换去构成多个光阱,液晶空间光调制器(SLM)能同时天生多个聚焦光束,每一个光束构成一个自力的光阱,故而光阱的稳固型更好。