Princip holografické apertury a přehled aplikace

Úvod: Komplexní clona vytvořená holografickou technologií má významnou aplikační hodnotu při různých příležitostech, jako je zachycování a manipulace s mikroskopickými částicemi nebo atomy, protože je přizpůsobivější než obvyklé otvory, které řídí pouze amplitudu optického pole. Například holografická membrána vytvořená se speciální fázovou deskou může vysílat, třídit nebo řídit agregaci drobných částic.

Nová generace optických pinzet - holografická clona

Optická technologie pinzety hraje nesmírně důležitou roli v molekulární biologii, koloidní vědě, experimentální atomové fyzice a dalších oblastech. Samotné optické pinzety byly také průběžně rozvíjeny a mnoho derivátových pinzet bylo vyrobeno. Holografická clona tvořená Modulátorem prostorového světla (SLM) má výhody při manipulaci s více částicemi, která otevřela novou fázi pro praktické použití optických pinzet a průmyslové výroby ve velkém měřítku. V současné době je velmi dynamickým členem rodiny Kwangmai. Tento článek stručně uvádí princip a použití holografické clony a jediný komerčně dostupný holografický clonový systém na trhu. Jedná se o holografický clonový systém CUBE společnosti American Meadowlark (BNS).

úvod

Optické pinzety, také známé jako pastičky s jedním paprskem, byly vynalezeny v roce 1986 A. Ashkinem na základě experimentů interakcí lehkých částic od roku 1969. Jednotlivá sběrače částic jsou v podstatě optická záření tlakového gradientu, a je potenciálem dobře vytvořeným interakcí rozptylující síly a síly radiálního tlakového gradientu, schopného zachytit celé částice rozptylu Mie a Rayleigh. Je tvořena vysoce sblíženým laserovým paprskem s jediným paprskem, který může elasticky zachytit organismy nebo jiné makromolekuly (kuličky), organely atd. Od několika nm do několika desítek μm a zachytit materiál bez podstatného ovlivnění okolního prostředí. Subkontaktní, nedestruktivní živá operace.

Od svého vyhlášení v roce 1986 hraje Guanghan mimořádně důležitou roli v experimentálním výzkumu laserového chlazení, koloidní chemie a molekulární biologie s výhodami bezkontaktního a nízkého poškození. Díky neustálému rozšiřování oblasti použití optických pinzet, aby se splnily další potřeby výzkumu, technologie optických pinzet se neustále zlepšuje, pokud jde o komplexní optické lapače v reálném čase a kontrolovatelné. V současné době mohou vědci zlepšit přesnost měření posunu v časovém měřítku sekund, a to neustálým zlepšováním experimentální metody a ovládáním Brownova pohybu vzorku. Současně mohou být zachyceny a pozorovány částice o velikosti menší než 25 nm a očekává se, že zachycují menší částice nanočástic. V posledních několika desetiletích vývoj optických pinzet umožnil lidem lépe porozumět molekulárním mechanismům pohybu v složitých biologických systémech. Ve formě výrazu se aperturní zařízení postupně vyvinulo z mnoha typů optických potenciálních pascí z původního optického lapače s jedním gradientem. Jako dvojité světlo, tři světla, čtyři světla, skenovací světlo, světlo femtosekundy a tak dále. Tato řada technologií optických derivatizací nejenže obohatila rodinu světlých rodin, ale také poskytla velmi důmyslný nástroj pro výzkum v oblasti mikroanalýzy v různých oborech, jako jsou biologické vědy, jako je měření procesu odvíjení dvouvláknové DNA a studium molekulárních motorů. Mechanismus pohybu, separace rýžových chromozomů apod. V mnoha experimentálních studiích se stala stále více důležitou technologií multi-optické kontroly. Optické pinzety v neustálém vývoji jednoduché optické pasti s gradientovými silami s jedním svazkem pro ovládání více otvorů a pozic trapů vyzařují holografické pinzety jako metoda pro vytváření multipoptických pastiek nebo nových pascí s optickým potenciálem. Nemůže jen představovat lehké pasti různých funkcí, ale také realizovat trojrozměrné optické trapové soustavy a vedlo k řadě výzkumu a vývoje. Vědec Grir předpovídal, že holografická clona povede k technologické revoluci v optické manipulaci.

Princip holografické clony

Hologramový prvek je klíčovým prvkem tvořícím hologramovou membránu. Je to interferenční vzor tvořený objektem pro záznam filmu a referenčním světlem. Když se objeví světelné pole objektu, na elementu hologramu se ozařuje pouze originální referenční světlo pro získání obnoveného objektu. Světlo pole. Holografická clona je membrána tvořená použitím holografického prvku pro konstrukci světelného pole se specifickou funkcí. Vzhledem k odlišné povaze vytvářeného světelného pole budou holografické otvory dosahovat různých funkcí, jako je rotace jednotlivých částic, manipulace a třídění četných částic a podobně. Nejstarší holografické otvory realizoval Eric R. Dufresne z Chicagské univerzity v roce 1998. Použili difrakční optický prvek (DOE) k rozdělení kolimovaného laserového paprsku na několik nezávislých trámů, které byly zaměřeny silným konvergujícím čočkem, aby vytvořily vícenásobná clona. Klíčem k vytvoření holografické clony je výběr vhodného holografického prvku založeného na skutečných potřebách. Tradiční metodou generování hologramů je použití koherentní světelné interferometrie. Nevýhodou je, že hologramy, které užívají, mají nízkou difrakční účinnost, jsou časově náročné a špatně univerzální. Proto nejsou široce používány v holografických otvorech. V současné době jsou holografické hologramy většinou tvořeny prostorovými modulátory světla (SLM). Mezi společné prostorové modulátory světla patří modulátory prostorového světla z tekutých krystalů, magnetooptické prostorové světelné modulátory, digitální micromirrorové pole (DMD), více kvantových prostorových modulátorů světla a modulátory acousto-optiky. Je také možné použít UV litografii k tomu, aby specifické difrakční optické prvky modulovaly světlo pole. Většina z toho, co se nyní používá, je počítačový modulovaný prostorový modulátor světla s tekutými krystaly pro realizaci prvku hologramu a tvarovaný světelný lapač lze dynamicky měnit změnou elementu hologramu.

Před příchodem počítačů byly pro vytváření hologramů omezeného tvaru vyžadovány laserové hologramy. Pomocí počítačů lze realizovat hologramy jakéhokoli tvaru. Při každém zavedení nově navrženého lapače světla je však třeba přepočítat odpovídající hologram. S neustálým obnovováním rychlosti počítače a vznikem nových algoritmů lze holografické otvory libovolného tvaru snadno realizovat v obecných vědeckých výzkumných laboratořích. V zásadě mohou holografické otvory vytvářet lehké pasti jakéhokoli tvaru, velikosti a čísla. Změnou fázové distribuce zachyceného světla se mohou zachycené částice pohybovat ve světelném lapači podle nastaveného kurzu, čímž se poskytuje vhodnější nástroj pro realizaci třídících částic. Díky nepřetržitému pokroku v technologii laserového zachycení a neustálé změně zachycovacích objektů již tradiční optické lapače s jednostranným gradientem již nemohou uspokojit novou potřebu mikroskopického snímání částic. Jako vznikající optická technologie přidání holografických otvorů umožnilo skupině Kryptonů být plné vitality. Holografické otvory prokázaly velký příslib v oblasti zachycení a manipulace s četnými částicemi a dosažení částeček zachycování rezonančních povrchových plazmatů. Plné rozpoznání výhod a nevýhod holografických otvorů pomáhá lidem plně využít svých výhod při navrhování holografických otvorů a překonání nedostatků tím, že navrhuje holografické otvory s vynikajícím výkonem, který splňuje skutečné potřeby, a umožňuje jim používat molekulární biologii a biologii. Chemické látky, nanotechnologie a další oblasti využívají své jedinečné výhody a poskytují cennější informace pro interdisciplinární výzkum.

Typická aplikace holografické clony

Díky výměně hybnosti nebo momentu hybnosti mezi světlem a částicemi se světlo stává tradičním bezkontaktním nástrojem pro zachycování, pohybu, roztahování nebo otáčení mikroskopických částic. Tradiční metoda využívá vlnovou desku a polarizační zařízení pro získání paprsku s určeným rotačním hybným momentem a určitý hologram lze použít k získání paprsku s orbitální hybnou hybností, jako je vířivý paprsek. To rozšiřuje uplatnění holografických otvorů a ukazuje své jedinečné výhody z hlediska foto rotace částic, manipulace s více částicami a složitého pohybu.

1 Nové duté světlo zachycuje a otáčí jemné částice

Fotony mají lineární hybnost a moment hybnosti a úhlová hybnost zahrnuje orbitální moment hybnosti a moment rotace točivého momentu. Mezi nimi spirálový moment hybnosti závisí na polarizačním stavu paprsku, který může být měněn hranoly, vlnovými deskami a podobně. V roce 2007 skupina Wang použila nanotechnologii pro přípravu válcových nano-křemenných částic. Částice se otáčejí v otvoru a měří torzní síly a momenty dsDNA. Tato technika využívá otáčky krouticího momentu fotonů k tomu, aby se dvojité částice otáčely.

V roce 1991 Sato et al. nejprve zjistila fotočinnou rotaci částic v otvoru a použitým paprskem bylo otáčející se vysokořadé Hermite-Gaussovo světlo. Série nových světelných lapačů byla použita ke studiu foto-indukované rotace částic, jako jsou duté Gaussovy, Laguerre-Gaussovy, vyšší Besselovy duté duté pytlíky a duté výstupní duté trámy LP01. Výhoda této metody spočívá v tom, že tepelný účinek, který vznikají při zachycování částic, je malý a neexistuje žádná nová charakteristika záchytné síly s jedním svazkem tvořeného společným Gaussovým paprskem. Tradiční holografická technologie podpořila použití těchto nových typů paprsků v rotaci vyvolané fotograficky. Orbitální moment hybnosti souvisí se specifickým prostorovým rozložením světelného pole.

Svazek s orbitální momentovou hybností může být generován rotujícím hranolovým hranolem, ale to vyžaduje velmi přesné uspořádání hranolů v rozsahu optické vlnové délky, které je obtížné dosáhnout a nemůže dynamicky měnit charakteristiky paprsku. Použití holografické technologie překonává tyto nedostatky. Umožňuje snadné získání světelných paprsků s orbitální momentovou hybností nebo specifickými difrakčními charakteristikami za použití vhodných hologramů, jako jsou Laguerre-Gaussian (LG) paprsky, Besselův basselový paprsek, Hermiteho-Gaussovský paprsek atd.

Kromě toho nové světelné lapače vytvořené holografickými technikami, jako jsou vírové lapače světla, vytvářejí na rozhraní rozhraní blízko pole, které lze použít k zachycení a otáčení kovových částic. V roce 2008 Maria Dienerowitz a kol. Univerzita St. Andrews ve Skotsku používala LG světlo k zachycení nanogoldových částic. Použili paprsek blízko povrchové plazmonové rezonance, aby omezili částice zlata do oblasti tmavého pole světla LG a používali orbitální úhel fotonů. Momentový přenos, který uskutečňuje rotaci dvou nanočástic zlata o velikosti 100 nm, uchycených současně v optické soustavě.

2 Komplexní pohyb více částic

Síla generovaná použitím optické vlnové korekce technologie může dosáhnout rychlé kontroly v mnoha oblastech vědy a techniky a inženýrských aplikací. Například holografické otvory mohou dynamicky zachycovat a manipulovat s více částicami v reálném čase. Jesacher a kol. z Innsbruckovy lékařské fakulty v Rakousku provedl rozsáhlý výzkum o užitečnosti modulátorů prostorového světla z tekutých krystalů pro generování složitých světelných vln. Zachycují a manipulují s mikroskopickými dielektrickými peletami v předkonfigurovaných optických trapách samostatným řízením amplitudy a fáze optického pole. Změna amplitudy a fáze světelného pole může nejen realizovat lehké pasti zvláštních tvarů, jako je kříž, obdélník a kruh, ale také řídit pohyb částic po specifických cestách. V principu je možné realizovat zachycování částic ve světelných lapačích libovolných tvarů. Řízení.

3 Další aplikace hologramu

Komplexní clona vytvořená holografickou technikou má významnou aplikační hodnotu při různých příležitostech, jako je zachycování a manipulace s mikroskopickými částicemi nebo atomy, protože je přizpůsobivější než obvyklé otvory, které mohou řídit pouze amplitudu optického pole. Například holografická membrána vytvořená se speciální fázovou deskou může vysílat, třídit nebo řídit agregaci drobných částic.

V současné době mohou být holografické otvory s až 400 optickými lapači získány pomocí holografické technologie. V kombinaci s výpočetní technikou lze také dynamicky měnit charakteristiky jednotlivých optických lapačů. Takto generované pasti v reálném čase mohou zachytit pohyblivé a vysoce rozptýlené objekty, jako jsou viry, malé koloidy a plavební bakterie. Kromě toho mohou být také vytvářeny lineární optické lapače Besselu a optické vírové lapače s momentem hybnosti. Tyto neobvyklé lapače světla umožňují nastavit, otáčet, otáčet a vytvářet kruhové objekty v rovině obrazu nebo optické ose, stejně jako jiné atypické manipulace. Tyto studie dále rozšiřovaly oblast působnosti holografických otvorů a činily tak skvělou práci ve výzkumné síni mezi vědci.

Holografické otvory jsou charakterizovány svobodou ovládání více částic, což usnadňuje fúzi, adsorpci a vzájemné působení částic nebo povrchů. Například virus je implantován do buněk nebo spermie je implantován do vaječných buněk a intermolekulární vazebná síla je detekována pomocí multifunkčních kuliček a povrchů. Pozorováním chování objektu ve světelném lapači je také možné přesně měřit charakteristiky objektu nebo okolního prostředí. Zásobník s více jamkami může na rozhraní mezi jednotlivými molekulami a buněčnými membránami a kapalinami natáhnout nebo ohýbat materiál. Takové experimenty mohou v mnoha systémech získat informace o modulu pružnosti, povrchové energii a adsorpční síle a současně zjednodušit studium mechanických vlastností mikrosnímky. Holografické otvory lze použít k sestavení konkrétních struktur. Při osvětlení fluorescenčním nebo odraženým světlem může být konkrétní materiál viděn a umístěn na průhledném substrátu nebo elektrodě. Holografické otvory mohou uspořádat mnoho materiálů s novými fyzikálními nebo optickými vlastnostmi ve třech rozměrech. Potenciálními aplikacemi jsou konstrukce fotonických krystalových pásmových materiálů, výroba elektronických součástek s biologickou nebo nanokamerou a ukládání různých materiálů na elektrody pro měření jejich elektrických vlastností. V roce 2007 vědci ve Spojených státech používali infračervené světlo k řízení pohybu částic na křemíkové desce. Vybrali si křemíkovou destičku o vhodné tloušťce a koncentraci dopingu tak, aby mohla proniknout do infračerveného světla a mohla by být detekována CCD. Tato technologie se prolomí úzkým úhlem tradičního zachycování částic v kapalné fázi. Pokud kombinujete holografickou membránovou technologii, můžete sestavit některé smysluplné struktury na konkrétních pevných plochách.

Zejména před vynálezem holografické clony se technologie clony apertury zaměřuje hlavně na základní výzkum jednotlivých částic a výhodou holografické clony při manipulaci s více částicami je otevírání praktické aplikace optických pinzet do průmyslového průmyslu Výroba. Nová situace.

Příklady produktů

V současné době komerčně dostupné aperturní systémy používají většinou AOD a holografický aperturní systém Meadowlark (BNS) CUBE je jediný komerční holografický clonový systém. Jeho struktura je následující:

Ve srovnání s ostatními otvory používajícími AOD má holografický systém CUBE Meadowlark (BNS) následující vlastnosti:

1. V současné době komerčně dostupné systémy s více clonami používají všechny lasery AOD (vysokorychlostní modulace) k vytváření různých lapačů světla a mohou zpracovávat pouze dvojrozměrné (x, y-směrné) roviny, jako je překlad. Modulátor prostorového světla z tekutých krystalů může modulovat intenzitu a fázi světla a je skutečnou 3D manipulací. Nejen translace, ale také trojrozměrná rotace a další manipulace s částicemi a buňkami.

2. Vzhledem k tomu, že světlo může být nastaveno fázově, modulátor prostorového světla z tekutých krystalů může napravit fázový rozdíl, upravit laserový bod a zvýšit ideální rozložení světla.

(a) fázové diagramy používané k opravě fázových rozdílů nabitých na SLM (b) bod předběžné korekce (c) opravená světelná skvrna

3. Modulátor prostorového světla z tekutých krystalů (SLM) má difrakční účinnost vyšší než 90%, vyšší než AOD, a má vyšší využití laseru.

4. Na rozdíl od AOD, který vytváří vícenásobné světelné lapače prostřednictvím vysokorychlostního spínání, může Modulátor prostorového světla s tekutými krystaly (SLM) vytvářet současně více zaměřených paprsků, přičemž každý paprsek tvoří samostatný světelný lapač, takže světlo Stabilní tvar pasce je lepší.