Princípio da abertura holográfica e visão geral da aplicação

Introdução: A abertura complexa formada pela tecnologia holográfica tem importante valor de aplicação em diferentes ocasiões, como capturar e manipular partículas microscópicas ou átomos, porque é mais adaptável do que as aberturas usuais que controlam apenas a amplitude do campo óptico. Por exemplo, um diafragma holográfico criado com uma placa de fase especial pode transmitir, classificar ou controlar a agregação de partículas minúsculas.

Uma nova geração de pinças ópticas - abertura holográfica

A tecnologia de pinças ópticas desempenha um papel extremamente importante na biologia molecular, na ciência coloidal, na física experimental dos átomos e em outros campos. As próprias pinças ópticas também foram desenvolvidas continuamente e muitas pinças derivadas foram produzidas. A abertura holográfica formada pelo Spatial Light Modulator (SLM) tem vantagens na manipulação de múltiplas partículas, abrindo uma nova fase para a aplicação prática de pinças ópticas e produção industrial em larga escala. Atualmente é um membro muito dinâmico da família Kwangmai. Este artigo apresenta brevemente o princípio e a aplicação da abertura holográfica e o único sistema de abertura holográfica disponível comercialmente no mercado. É o sistema de abertura holográfico CUBE da American Meadowlark (BNS).

introdução

Pinças ópticas, também conhecidas como armadilhas de partículas de feixe único, foram inventadas em 1986 por A. Ashkin com base no experimento de interações entre partículas leves desde 1969. A armadilha de partículas de feixe único é essencialmente uma armadilha de força de gradiente de pressão de radiação óptica. e é um poço potencial formado pela interação da força de espalhamento e a força de gradiente de pressão radial capaz de mesclar todas as partículas da faixa de espalhamento de Mie e Rayleigh. É formado por um laser de feixe único altamente convergente, que pode captar elasticamente organismos ou outras macromoléculas (bolas), organelas, etc. de vários nm a várias dezenas de µm, e capturar o material sem afetar substancialmente o ambiente circundante. Sub-contato, operação ao vivo não-destrutiva.

Desde a sua invenção em 1986, Guanghan desempenhou um papel extremamente importante na pesquisa experimental de resfriamento a laser, química de colóides e biologia molecular com suas vantagens de não-contato e baixo dano. Com a contínua expansão do campo de aplicação de pinças ópticas, a fim de atender a mais necessidades de pesquisa, a própria tecnologia de pinças ópticas está melhorando constantemente em termos de armadilhas ópticas complexas em tempo real e controláveis. Atualmente, os pesquisadores podem melhorar a precisão das medidas de deslocamento na escala de tempo de segundos, melhorando constantemente o método experimental e controlando o movimento browniano da amostra. Ao mesmo tempo, partículas tão pequenas quanto 25 nm podem ser capturadas e observadas, e espera-se que elas capturem nanopartículas menores. Nas últimas décadas, o desenvolvimento de pinças ópticas possibilitou que as pessoas compreendessem com mais detalhes os mecanismos moleculares do movimento em sistemas biológicos complexos. Na forma de expressão, o dispositivo de abertura gradualmente desenvolveu muitos tipos de armadilhas de potencial óptico a partir da armadilha óptica de força de gradiente de feixe único original. Tais como luz dupla, três luz, quatro luz, luz de digitalização, luz femtosegundo e assim por diante. Essa série de tecnologias de derivação óptica não apenas enriqueceu a família de famílias de luz, mas também forneceu uma ferramenta muito engenhosa para a pesquisa em nanoescala em diferentes campos, como ciências biológicas, como a medição do processo de desenrolamento de DNA de fita dupla. o estudo de motores moleculares. Mecanismo de movimento, separação de cromossomos de arroz, etc. A tecnologia de controle de armadilha multi-óptica tem se tornado cada vez mais importante em numerosos estudos experimentais. Pinças ópticas no desenvolvimento contínuo de uma simples armadilha óptica de força gradiente de feixe único para controlar múltiplas aberturas e posições de armadilha, pinças holográficas como um método para geração de armadilhas multi-ópticas ou armadilhas de potencial óptico novas se destacam. Ele não só pode constituir armadilhas de luz de várias funções, mas também realizar arranjos de armadilhas ópticas tridimensionais, e levou a uma série de pesquisas e desenvolvimento. O cientista Grir previu que a abertura holográfica levará a uma revolução tecnológica na manipulação óptica.

O princípio da abertura holográfica

O elemento holograma é um elemento chave que constitui o diafragma de holograma. É um padrão de interferência formado pela luz do objeto de gravação de filme e pela luz de referência. Quando o campo de luz do objeto é reproduzido, apenas a luz de referência original é irradiada no elemento de holograma para obter o objeto reconstruído. Campo de luz. Uma abertura holográfica é um diafragma formado usando um elemento holográfico para construir um campo de luz com uma função específica. Devido à natureza diferente do campo de luz formado, as aberturas holográficas atingirão funções diferentes, tais como rotação de partículas individuais, manipulação e classificação de partículas múltiplas e semelhantes. As primeiras aberturas holográficas foram implementadas por Eric R. Dufresne, da Universidade de Chicago, em 1998. Eles usaram um elemento óptico difrativo (DOE) para dividir um feixe de laser colimado em múltiplos feixes independentes, que eram focalizados por uma lente convergente forte para formar um abertura múltipla. A chave para construir uma abertura holográfica é selecionar o elemento holográfico apropriado com base nas necessidades reais. O método tradicional de geração de hologramas é o uso de interferometria luminosa coerente. A desvantagem é que os hologramas que eles tomam são pobres em eficiência de difração, demorados e pouco versáteis. Portanto, eles não são amplamente utilizados em aberturas holográficas. Atualmente, os hologramas holográficos são formados principalmente por moduladores de luz espacial (SLMs). Os moduladores espaciais comuns de luz incluem moduladores de luz espacial de cristal líquido, moduladores de luz espacial magneto-óptica, arranjos de microespelhos digitais (DMD), moduladores de luz de múltiplos poços quânticos e moduladores óptico-acústicos. Também é possível usar litografia UV para fazer elementos ópticos difrativos específicos para modular o campo de luz. A maior parte do que é usado agora é um modulador de luz espacial de cristal líquido endereçado por computador para implementar um elemento de holograma, e a armadilha de luz formada pode ser alterada dinamicamente mudando o elemento de holograma.

Antes do advento dos computadores, eram necessários hologramas a laser para formar hologramas de forma limitada. Com a ajuda de computadores, hologramas de qualquer formato podem ser realizados. No entanto, toda vez que uma armadilha de luz recém-projetada é implementada, o holograma correspondente precisa ser recalculado. Com a atualização constante da velocidade do computador e o surgimento de novos algoritmos, aberturas holográficas de qualquer formato podem ser facilmente realizadas em laboratórios de pesquisa científica em geral. Em princípio, as aberturas holográficas podem produzir armadilhas luminosas de qualquer formato, tamanho e número. Alterando a distribuição de fase da luz capturada, as partículas retidas podem ser movidas na armadilha de luz de acordo com um curso definido, proporcionando assim uma ferramenta mais conveniente para implementar as partículas de classificação da íris. Com o progresso contínuo da tecnologia de captura a laser e a constante mudança de objetos de captura, as tradicionais armadilhas ópticas de força gradiente de feixe único não podem mais atender à nova demanda por captura microscópica de partículas. Como uma tecnologia óptica emergente, a adição de aberturas holográficas permitiu que a família Krypton estivesse cheia de vitalidade. As aberturas holográficas têm se mostrado muito promissoras nos campos de captura e manipulação de múltiplas partículas e obtenção de partículas de captura de ressonância plasmônica de superfície. O total reconhecimento das vantagens e desvantagens das aberturas holográficas ajuda as pessoas a aproveitarem ao máximo as vantagens de projetar aberturas holográficas e superar deficiências projetando aberturas holográficas com desempenho superior que atendam às necessidades reais, permitindo que elas sejam usadas em biologia molecular e biologia. Produtos químicos, nanofabricação e outras áreas exercem suas vantagens exclusivas e fornecem informações mais valiosas para pesquisas interdisciplinares.

A aplicação típica da abertura holográfica

Devido à troca de momento ou momento angular entre luz e partículas, o campo de luz se torna uma ferramenta tradicional sem contato para capturar, mover, esticar ou girar partículas microscópicas. O método tradicional utiliza uma placa de onda e um dispositivo de polarização para obter um feixe com um determinado momento angular de rotação, e um certo holograma pode ser usado para obter um feixe com momento angular orbital, tal como um feixe de vórtice. Isso expande a aplicação de aberturas holográficas e mostra suas vantagens exclusivas em termos de foto-rotação de partículas, manipulação de múltiplas partículas e movimento complexo.

1 Novo campo oco de luz captura e gira partículas finas

Os fótons têm momento linear e momento angular, e momento angular inclui momento angular orbital e momento angular de spin. Entre eles, o momento angular de spin depende do estado de polarização do feixe, que pode ser alterado por prismas, placas de onda e similares. Em 2007, o grupo Wang usou a tecnologia de nano-fabricação para preparar partículas cilíndricas de nano-quartzo. As partículas giram na abertura e medem as forças de torção e os momentos do dsDNA. Essa técnica usa o momento angular de spin dos fótons para fazer as partículas birrefringentes girarem.

Em 1991, Sato et al. primeiro percebeu a rotação de partículas induzida pela foto em uma abertura, e o feixe usado era uma luz Hermite-Gaussiana giratória de alta ordem. Uma série de novas armadilhas de luz tem sido usada para estudar a rotação foto-induzida de partículas, tais como vigas oca Gaussiana, Laguerre-Gaussiana, de alta ordem Bessel, ocas oca, e oca de saída LP01 oca. A vantagem deste método é que o efeito térmico gerado quando as partículas são retidas é pequeno, e não há nenhuma nova característica da armadilha de força gradiente de feixe único formada por um feixe Gaussiano comum. A tecnologia holográfica tradicional promoveu a aplicação desses novos tipos de feixes na rotação induzida pela foto. O momento angular orbital está relacionado à distribuição espacial específica do campo de luz.

O feixe com momento angular orbital pode ser gerado por um prisma Dove rotativo, mas isso requer um arranjo muito preciso dos prismas na faixa de comprimento de onda ótica, que é difícil de alcançar e não pode mudar dinamicamente as características do feixe. O uso da tecnologia holográfica supera essas deficiências. Ele permite obter facilmente feixes de luz com momento angular orbital ou características específicas de difração usando hologramas adequados, como feixes Laguerre-Gaussianos (LG), Feixe de Bessel Bessel, feixe Hermite-Gaussiano, etc.

Além disso, novas armadilhas de luz criadas por técnicas holográficas, como armadilhas de luz de vórtice, criam aberturas de campo próximo na interface que podem ser usadas para capturar e girar partículas de metal. Em 2008, Maria Dienerowitz et al. da Universidade de St. Andrews, na Escócia, usou a luz da LG para capturar partículas nanogold. Eles usaram um feixe de ressonância plasmônica próxima à superfície para confinar as partículas de ouro à região do campo escuro da luz LG e para usar o ângulo orbital dos fótons. Transferência de momento, realizando a rotação de duas nanopartículas de ouro de 100 nm presas na armadilha óptica ao mesmo tempo.

2 Movimento complexo multiparticulado

A força gerada pelo uso da tecnologia óptica de correção de frente de onda pode alcançar um controle rápido em muitas áreas da ciência e tecnologia e aplicações de engenharia. Por exemplo, aberturas holográficas podem capturar e manipular dinamicamente múltiplas partículas em tempo real. Jesacher et al. A Escola de Medicina de Innsbruck, na Áustria, realizou uma extensa pesquisa sobre a utilidade dos moduladores de luz espacial de cristal líquido para gerar ondas de luz complexas. Eles capturam e manipulam pellets dielétricos microscópicos em armadilhas ópticas pré-configuradas controlando separadamente a amplitude e a fase do campo óptico. Alterar a amplitude e a fase do campo de luz pode não apenas realizar armadilhas de luz de formas especiais, como cruz, retângulo e círculo, mas também controlar o movimento de partículas ao longo de caminhos específicos. Em princípio, é possível realizar o aprisionamento de partículas em armadilhas de luz de formas arbitrárias. Ao controle.

3 Outras aplicações do holograma

A abertura complexa formada pela técnica holográfica tem importante valor de aplicação em diferentes ocasiões, como capturar e manipular partículas microscópicas ou átomos, porque é mais adaptável do que as aberturas usuais que só podem controlar a amplitude do campo óptico. Por exemplo, um diafragma holográfico criado com uma placa de fase especial pode transmitir, classificar ou controlar a agregação de partículas minúsculas.

Atualmente, aberturas de matriz holográfica com até 400 armadilhas ópticas podem ser obtidas usando tecnologia holográfica. Em combinação com a tecnologia informática, as características das armadilhas ópticas individuais também podem ser alteradas dinamicamente. As armadilhas de luz em tempo real assim geradas podem capturar objetos em movimento e altamente dispersos, como vírus, pequenos colóides e bactérias nadadoras. Além disso, armadilhas ópticas lineares de Bessel e armadilhas ópticas de vórtices com momento angular também podem ser geradas. Essas armadilhas de luz incomuns permitem ajustar, girar, girar e criar objetos circulares no plano da imagem ou no eixo óptico, bem como outras manipulações atípicas. Esses estudos expandiram ainda mais o escopo de aplicação de aberturas holográficas, tornando-o um trabalho maravilhoso no centro de pesquisa em ciências cruzadas.

As aberturas holográficas são caracterizadas pela liberdade de controlar múltiplas partículas, facilitando a fusão, a adsorção e as interações entre partículas ou superfícies. Por exemplo, o vírus é implantado nas células ou o espermatozóide é implantado nos óvulos, e a força de ligação intermolecular é detectada usando bolas e superfícies multifuncionais. Ao observar o comportamento do objeto na armadilha de luz, também é possível medir com precisão as características do objeto ou do ambiente circundante. Uma armadilha de múltiplos poços pode esticar ou dobrar o material nas interfaces entre moléculas individuais e membranas e fluidos celulares. Tais experimentos podem obter informações sobre o módulo de elasticidade, energia de superfície e força de adsorção em muitos sistemas e, ao mesmo tempo, simplificar o estudo de propriedades mecânicas em microescala. Aberturas holográficas podem ser usadas para montar estruturas específicas. Com iluminação de luz fluorescente ou refletida, um material específico pode ser visualizado e posicionado em um substrato ou eletrodo transparente. Aberturas holográficas podem organizar muitos materiais com novas propriedades físicas ou ópticas em três dimensões. As aplicações potenciais são a construção de materiais de fita de cristal fotônico, a fabricação de componentes eletrônicos biológicos ou em nanoescala ea deposição de diferentes materiais em eletrodos para medir suas propriedades elétricas. Em 2007, cientistas nos Estados Unidos usaram luz infravermelha para controlar o movimento de partículas em uma bolacha de silício. Eles selecionaram uma bolacha de silício com a espessura apropriada e a concentração de dopagem para que ela pudesse penetrar na luz infravermelha e pudesse ser detectada pelo CCD. Essa tecnologia rompe o gargalo da captura tradicional de partículas na fase líquida. Se você combinar a tecnologia de diafragma holográfico, poderá montar algumas estruturas significativas em superfícies sólidas específicas.

Em particular, antes da invenção da abertura holográfica, a tecnologia de diafragma de abertura se concentra principalmente na pesquisa básica de partículas individuais, e a vantagem da abertura holográfica na manipulação de múltiplas partículas abre a aplicação prática de pinças ópticas para aplicações industriais de larga escala. Produção. Uma nova situação.

Exemplos de produtos

Atualmente, sistemas de abertura comercialmente disponíveis usam principalmente AOD, e o sistema de abertura holográfica MOWLOWK (BNS) CUBE é o único sistema de abertura holográfico comercial. Sua estrutura é a seguinte:

Em comparação com outras aberturas que utilizam o AOD, o sistema de abertura holográfica Meadowlark (BNS) CUBE possui as seguintes características:

1. Atualmente, sistemas de multi-abertura comercialmente disponíveis usam todos os lasers AOD (modulação de alta velocidade) para formar armadilhas de luz diferentes, e só podem manipular planos bidimensionais (direção x, y) como tradução. O modulador de luz espacial de cristal líquido pode modular a intensidade e fase da luz e é uma verdadeira manipulação 3D. Não só translação, mas também rotação tridimensional e outra manipulação de partículas e células.

2. Como a luz pode ser ajustada por fase, o modulador de luz espacial de cristal líquido pode corrigir a diferença de fase, ajustar o ponto de laser e tornar a distribuição de luz mais ideal.

(a) Diagramas de fase usados para corrigir diferenças de fase carregadas no SLM (b) Ponto de luz de pré-correção (c) Ponto de luz corrigido

3. O modulador de luz espacial de cristal líquido (SLM) possui uma eficiência de difração maior que 90%, maior que AOD, e tem uma maior utilização do laser.

4. Ao contrário do AOD, que forma várias armadilhas de luz através de comutação de alta velocidade, o Modulador de Luz Espacial de Cristal Líquido (SLM) pode gerar múltiplos feixes focalizados ao mesmo tempo, cada feixe formando uma armadilha de luz separada. a armadilha é melhor.