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浅谈全息光镊的原理及应用

导读: 光镊技术在分子生物学、胶体科学、实验原子物理等领域中具有极其重要的作用,光镊本身也不断发展并产生许多衍生光镊技术。空间光调制器(SLM)所形成的全息光镊,在多粒子操控方面的优势,为光镊技术走向实用化、规模工业生产打开了新局面,是目前光镊家族极具活力的成员。

  2多粒子复杂运动

  利用光波前校正技术所产生的力可以在科技和工程应用的许多领域实现快速控制,如全息光镊可以对多粒子进行实时动态的捕获和操控。奥地利Innsbruck医学院的Jesacher等在用液晶空间光调制器产生复杂光波前的实用性方面进行较多的研究。他们通过分别控制光场的振幅和相位,在预先设定形状的光阱中捕获和操纵微观的电介质小球。改变光场的振幅和相位,不仅可以实现十字、矩形、圆形等特殊形状的光阱,还可以控制粒子在其中沿特定的路径运动,原则上可以实现对粒子在任意形状的光阱中的操控。

  3全息光镊的其他应用

  由全息技术形成的复杂光镊在捕获和操纵微观粒子或原子等不同场合具有重要的应用价值,因为它比通常的只能控制光场振幅的光镊具有更强的适应性。例如,用特制的相位片产生的全息光镊可以传输、分选或控制微小粒子的聚集。

  目前,利用全息技术可以获得多达400个光阱的全息阵列光镊,结合计算机技术,还可以对其中单个光阱的特性进行动态的改变。这样产生的实时光阱可以对运动的和高分散的物体进行捕获,如病毒、小胶体以及游动的细菌。此外,还可以产生线状、Bessel型光阱以及带有角动量的光学旋涡光阱等。这些非寻常的光阱使得在像平面或光轴方向调整、旋转物体、产生旋转的环形物体以及获得其他的非典型的操纵成为可能。这些研究进一步扩大了全息光镊的应用范围,使之成为交叉科学研究殿堂中一朵奇葩。

  全息光镊的特点是可以自由控制多个粒子,使得粒子的融合、吸附以及粒子间或粒子与表面的相互作用研究得到简化。如将病毒植入细胞或将精子植入卵细胞,以及用多功能的小球和表面探测分子间结合力等。通过观察光阱中物体的行为,还可以对物体或周围环境的特性进行精确的测量。多光阱可以在单分子及细胞膜与流体界面拉伸或弯曲材料。这类实验可以获取许多系统中弹性模量、表面能以及吸附力等信息,同时简化了微观尺度机械特性的研究。全息光镊可以用来组装特定的结构。使用荧光或者反射光照明,能够在透明基底或电极上观察和定位特定的材料。全息光镊可以将许多具有新的物理或光学特性的材料组织在三维空间。潜在的应用是构建光子晶体带隙材料、制作生物或纳米尺度的电子元件以及在电极上沉积不同的材料以便测量他们的电学特性。2007年,美国的科学家利用红外光形成的光镊在硅片上控制微粒的运动,他们通过选择合适厚度和掺杂浓度的硅片,使之透过红外光进而能够被CCD探测。这项技术突破了传统的在液相中捕获粒子的瓶颈。若将全息光镊技术与之结合,则可以在特定的固体表面组装一些有意义的结构。

  特别要指出的是,在全息光镊发明之前,光镊技术主要侧重在单粒子的基础研究方面,全息光镊在对多粒子操控方面的优势,为光镊技术走向实用化、规模工业生产打开了新局面。

  产品举例

  目前市面上商用光镊系统大多采用声光偏转器(AOD),Meadowlark(BNS)公司的全息光镊系统CUBE是仅有的商用全息光镊系统。其结构示意图如下:

  与其他采用声光偏转器(AOD)的光镊相比,Meadowlark(BNS)公司的全息光镊系统CUBE具有以下特点:

  1.目前市面商用多光镊系统均采用声光偏转器(AOD)高速调制激光形成不同光阱,只能做到二维(x,y方向)平面操控,如平移等。液晶空间光调制器对光可以进行强度和相位调制,为真3D操控。不仅可以平移,还可以对微粒及细胞进行三维旋转等操控。

  2.由于可以对光进行相位调节,液晶空间光调制器可以校正相差,调节激光光斑,使光阱分布更趋于理想化。

  (a)加载在SLM上用于校正相差的相位图(b)校正前光斑(c)校正后光斑

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

  4.不同于声光偏转器(AOD)是通过高速切换来形成多个光阱,液晶空间光调制器(SLM)能同时生成多个聚焦光束,每个光束形成一个独立的光阱,故而光阱的稳定型更好。

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