Holographic nguyên tắc khẩu độ và tổng quan về ứng dụng

Giới thiệu: Khẩu độ phức tạp được hình thành bởi công nghệ ba chiều có giá trị ứng dụng quan trọng trong các trường hợp khác nhau như chụp và thao tác các hạt hoặc nguyên tử vi mô, bởi vì nó dễ thích ứng hơn khẩu độ thông thường chỉ điều khiển biên độ của trường quang. Ví dụ, một màng holographic được tạo ra với một tấm pha đặc biệt có thể truyền, phân loại, hoặc kiểm soát sự tập hợp của các hạt nhỏ.

Một thế hệ mới của nhíp quang học - khẩu độ holographic

Công nghệ nhíp quang học đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong sinh học phân tử, khoa học keo, vật lý nguyên tử thực nghiệm và các lĩnh vực khác. Bản thân nhíp quang cũng đã được phát triển liên tục và nhiều nhíp dẫn xuất đã được tạo ra. Khẩu độ ba chiều được tạo ra bởi Bộ điều biến không gian (SLM) có lợi thế trong thao tác đa hạt, đã mở ra một pha mới cho ứng dụng thực tế của nhíp quang học và sản xuất công nghiệp quy mô lớn. Nó hiện là một thành viên rất năng động của gia đình Kwangmai. Bài báo này giới thiệu ngắn gọn nguyên lý và ứng dụng khẩu độ ba chiều, và hệ thống khẩu độ ba chiều có bán sẵn trên thị trường. Nó là hệ thống khẩu độ ba chiều CUBE của American Meadowlark (BNS).

Giới thiệu

Nhíp quang học, còn được gọi là bẫy hạt một chùm, được phát minh vào năm 1986 bởi A. Ashkin trên cơ sở thí nghiệm tương tác hạt ánh sáng từ năm 1969. Bẫy hạt đơn chùm về cơ bản là bẫy áp lực bức xạ quang, và là một tiềm năng được hình thành tốt bởi sự tương tác của lực tán xạ và lực gradient áp lực xuyên tâm có khả năng chia lưới toàn bộ các hạt phạm vi tán xạ Mie và Rayleigh. Nó được hình thành bởi một tia laser chùm tia hội tụ cao, có thể thu giữ đàn hồi các sinh vật hoặc các đại phân tử (quả bóng), bào quan, vv từ vài nm đến vài chục μm, và nắm bắt vật liệu mà không ảnh hưởng đáng kể đến môi trường xung quanh. Tiếp xúc trực tiếp, không phá hủy hoạt động trực tiếp.

Kể từ khi phát minh vào năm 1986, Guanghan đã đóng một vai trò vô cùng quan trọng trong nghiên cứu thực nghiệm về làm mát bằng laser, hóa keo và sinh học phân tử với những ưu điểm của nó là không tiếp xúc và thiệt hại thấp. Với việc mở rộng liên tục lĩnh vực ứng dụng của nhíp quang học, để đáp ứng nhu cầu nghiên cứu nhiều hơn, công nghệ nhíp quang học chính nó không ngừng cải thiện về bẫy quang phức tạp thời gian thực và có thể điều khiển được. Hiện nay, các nhà nghiên cứu có thể cải thiện độ chính xác của phép đo chuyển dịch trên thang thời gian của giây bằng cách liên tục cải thiện phương pháp thử nghiệm và kiểm soát chuyển động Brown của mẫu. Đồng thời, các hạt nhỏ đến 25 nm có thể bị bắt và quan sát được, và được mong đợi sẽ thu giữ các hạt nano nhỏ hơn. Trong vài thập kỷ qua, sự phát triển của nhíp quang học đã giúp mọi người hiểu chi tiết hơn về cơ chế phân tử của chuyển động trong các hệ thống sinh học phức tạp. Ở dạng biểu thức, thiết bị khẩu độ dần dần phát triển nhiều loại bẫy tiềm năng quang học từ bẫy quang lực chùm tia đơn ban đầu. Chẳng hạn như ánh sáng kép, ba ánh sáng, bốn ánh sáng, ánh sáng quét, ánh sáng femtosecond và như vậy. Loạt công nghệ dẫn xuất quang học này không chỉ làm giàu cho gia đình ánh sáng mà còn cung cấp một công cụ rất khéo léo cho nghiên cứu vi nano ở các lĩnh vực khác nhau như khoa học sinh học, chẳng hạn như đo lường quá trình tháo sợi DNA đôi và nghiên cứu động cơ phân tử. Cơ chế chuyển động, tách nhiễm sắc thể gạo, vv Công nghệ kiểm soát bẫy đa quang học ngày càng trở nên quan trọng trong nhiều nghiên cứu thực nghiệm. Nhíp quang học trong sự phát triển liên tục của một bẫy quang lực đơn chùm tia đơn giản để điều khiển nhiều khẩu độ và vị trí bẫy, nhíp ba chiều như một phương pháp tạo bẫy đa quang hoặc bẫy tiềm năng quang học mới nổi bật. Nó có thể không chỉ tạo thành các bẫy ánh sáng của các chức năng khác nhau, mà còn nhận ra các mảng bẫy quang học ba chiều, và nó đã dẫn đến một loạt các nghiên cứu và phát triển. Nhà khoa học Grir dự đoán rằng khẩu độ ba chiều sẽ dẫn đến một cuộc cách mạng công nghệ trong thao tác quang học.

Nguyên lý khẩu độ ba chiều

Yếu tố hình ba chiều là một yếu tố quan trọng cấu thành cơ hoành ba chiều. Nó là một mẫu giao thoa được hình thành bởi ánh sáng đối tượng ghi phim và ánh sáng tham chiếu. Khi trường ánh sáng đối tượng được sao chép, chỉ có ánh sáng tham chiếu ban đầu được chiếu xạ trên phần tử ảnh ba chiều để thu được vật thể được tái tạo. Trường ánh sáng. Khẩu độ ba chiều là một cơ hoành được hình thành bằng cách sử dụng một phần tử ba chiều để xây dựng một trường ánh sáng với một chức năng cụ thể. Do tính chất khác nhau của trường ánh sáng được hình thành, khẩu độ ba chiều sẽ đạt được các chức năng khác nhau, chẳng hạn như quay các hạt đơn lẻ, thao tác và phân loại nhiều hạt, và tương tự. Khẩu độ ba chiều đầu tiên được thực hiện bởi Eric R. Dufresne thuộc Đại học Chicago vào năm 1998. Họ sử dụng một phần tử quang học nhiễu xạ (DOE) để tách một chùm laser được chuẩn trực thành nhiều chùm độc lập, được tập trung bởi một thấu kính hội tụ mạnh để tạo thành nhiều khẩu độ. Chìa khóa để xây dựng khẩu độ ba chiều là chọn yếu tố ảnh nổi ba chiều thích hợp dựa trên nhu cầu thực tế. Phương pháp tạo hình ba chiều truyền thống là sử dụng giao thoa ánh sáng mạch lạc. Điểm bất lợi là các hình ba chiều chúng có hiệu suất nhiễu xạ thấp, tốn thời gian và kém linh hoạt. Do đó, chúng không được sử dụng rộng rãi trong khẩu độ holographic. Hiện nay, ảnh ba chiều ba chiều chủ yếu được hình thành bởi các bộ điều biến ánh sáng không gian (SLM). Các bộ điều biến ánh sáng không gian chung bao gồm các bộ điều biến ánh sáng không gian tinh thể lỏng, bộ điều biến ánh sáng không gian quang từ, mảng micromirror kỹ thuật số (DMD), nhiều bộ điều biến ánh sáng không gian lượng tử và bộ điều biến quang. Cũng có thể sử dụng in thạch bản tia cực tím để tạo ra các yếu tố quang học nhiễu xạ cụ thể để điều chỉnh trường ánh sáng. Hầu hết những gì được sử dụng bây giờ là một bộ điều biến ánh sáng không gian tinh thể lỏng địa chỉ máy tính để thực hiện một phần tử ba chiều, và bẫy ánh sáng hình thành có thể được thay đổi động bằng cách thay đổi phần tử ba chiều.

Trước sự ra đời của máy tính, hình ba chiều bằng laser là cần thiết để tạo hình ba chiều có hình dạng hạn chế. Với sự trợ giúp của máy tính, hình ba chiều của bất kỳ hình dạng nào có thể được thực hiện. Tuy nhiên, mỗi khi một bẫy ánh sáng mới được thiết kế được thực hiện, hình ba chiều tương ứng cần phải được tính toán lại. Với việc làm mới liên tục tốc độ máy tính và sự xuất hiện của các thuật toán mới, khẩu độ ba chiều của bất kỳ hình dạng nào có thể dễ dàng nhận ra trong các phòng thí nghiệm nghiên cứu khoa học nói chung. Về nguyên tắc, khẩu độ ba chiều có thể tạo ra các bẫy ánh sáng của bất kỳ hình dạng, kích thước và số nào. Bằng cách thay đổi sự phân bố pha của ánh sáng bị bắt, các hạt bị mắc kẹt có thể được di chuyển trong bẫy ánh sáng theo một quá trình thiết lập, do đó cung cấp một công cụ thuận tiện hơn để thực hiện các hạt phân loại iris. Với sự tiến bộ liên tục của công nghệ chụp laser và sự thay đổi liên tục của các vật thể chụp, các bẫy quang đơn dầm truyền thống không còn đáp ứng được nhu cầu mới về chụp hạt vi mô. Là một công nghệ quang học mới nổi, việc bổ sung khẩu độ ba chiều đã giúp gia đình Krypton có đầy sức sống. Khẩu độ ba chiều đã cho thấy sự hứa hẹn tuyệt vời trong các lĩnh vực chụp và thao tác nhiều hạt và đạt được các hạt chụp cộng hưởng plasmon bề mặt. Công nhận đầy đủ các ưu điểm và nhược điểm của khẩu độ ảnh ba chiều giúp mọi người tận dụng lợi thế của họ trong việc thiết kế khẩu độ ba chiều và khắc phục thiếu sót bằng cách thiết kế khẩu độ holographic với hiệu năng vượt trội đáp ứng nhu cầu thực tế, cho phép chúng được sử dụng trong sinh học phân tử và sinh học. Hóa chất, sản xuất nano và các lĩnh vực khác phát huy lợi thế độc đáo của chúng và cung cấp thông tin có giá trị hơn cho nghiên cứu liên ngành.

Ứng dụng điển hình của khẩu độ ba chiều

Do sự trao đổi động lượng hoặc động lượng góc giữa ánh sáng và hạt, trường ánh sáng trở thành một công cụ không tiếp xúc truyền thống để chụp, di chuyển, kéo giãn hoặc xoay các hạt vi mô. Phương pháp truyền thống sử dụng một tấm sóng và một thiết bị phân cực để có được một chùm với một đà góc quay xác định, và một hình ba chiều nhất định có thể được sử dụng để có được một chùm tia với động lượng góc quỹ đạo, chẳng hạn như một chùm xoáy. Điều này mở rộng ứng dụng của khẩu độ ba chiều và cho thấy những lợi thế độc đáo của nó trong điều kiện quay ảnh của các hạt, thao tác của nhiều hạt, và chuyển động phức tạp.

1 Vùng ánh sáng rỗng mới chụp và quay các hạt mịn

Các photon có động lượng tuyến tính và động lượng góc, và động lượng góc bao gồm xung góc quỹ đạo và động lượng góc quay. Trong số đó, đà góc spin phụ thuộc vào trạng thái phân cực của chùm tia, có thể được thay đổi bởi lăng kính, các tấm sóng và các loại tương tự. Năm 2007, nhóm Wang đã sử dụng công nghệ sản xuất nano để chuẩn bị các hạt nano thạch anh hình trụ. Các hạt quay trong khẩu độ và đo lực xoắn và khoảnh khắc của dsDNA. Kỹ thuật này sử dụng động lượng spin góc của các photon để làm cho các hạt lưỡng chiết quay.

Năm 1991, Sato et al. đầu tiên nhận ra sự xoay vòng của các hạt trong một khẩu độ, và chùm tia được sử dụng là một ánh sáng Hermite-Gaussian bậc cao luân phiên. Một loạt các bẫy ánh sáng mới đã được sử dụng để nghiên cứu sự luân chuyển của các hạt hình ảnh, chẳng hạn như Gauss rỗng, Laguerre-Gaussian, Bessel bậc cao, bagel rỗng rỗng và các dầm rỗng rỗng LP01 rỗng. Ưu điểm của phương pháp này là hiệu ứng nhiệt sinh ra khi các hạt bị bẫy nhỏ, và không có đặc tính mới nào của bẫy lực chùm tia đơn hình thành bởi chùm Gaussian chung. Công nghệ ảnh ba chiều truyền thống đã thúc đẩy việc áp dụng các loại dầm mới này trong xoay ảnh. Động lượng góc quỹ đạo liên quan đến sự phân bố không gian cụ thể của trường ánh sáng.

Tia với động lượng góc quỹ đạo có thể được tạo ra bởi lăng kính Dove quay, nhưng điều này đòi hỏi sự sắp xếp rất chính xác của lăng kính trong phạm vi bước sóng quang, rất khó đạt được và không thể thay đổi động các đặc tính chùm tia. Việc sử dụng công nghệ ba chiều vượt qua những thiếu sót này. Nó cho phép người ta dễ dàng có được chùm ánh sáng với động lượng góc quỹ đạo hoặc các đặc trưng nhiễu xạ cụ thể sử dụng các hình ba chiều phù hợp, chẳng hạn như dầm Laguerre-Gaussian (LG), chùm Bessel Bessel, chùm Hermite-Gaussian, vv

Ngoài ra, bẫy ánh sáng mới được tạo ra bởi các kỹ thuật ba chiều, chẳng hạn như bẫy ánh sáng xoáy, tạo ra khẩu độ gần trường tại giao diện có thể được sử dụng để chụp và xoay các hạt kim loại. Năm 2008, Maria Dienerowitz và cộng sự. Đại học St. Andrews ở Scotland sử dụng ánh sáng LG để chụp các hạt nano. Họ đã sử dụng một chùm tia gần cộng hưởng plasmon bề mặt để hạn chế các hạt vàng vào vùng trường tối của ánh sáng LG, và sử dụng góc quỹ đạo của các photon. Chuyển động Momentum, nhận ra sự quay của hai hạt nano vàng 100 nm bị mắc kẹt trong bẫy quang cùng một lúc.

2 Chuyển động phức tạp đa hạt

Các lực lượng được tạo ra bởi việc sử dụng công nghệ chỉnh sóng quang học có thể đạt được sự kiểm soát nhanh chóng trong nhiều lĩnh vực khoa học và công nghệ và các ứng dụng kỹ thuật. Ví dụ, khẩu độ ba chiều có thể tự động nắm bắt và thao tác nhiều hạt trong thời gian thực. Jesacher et al. của Trường Y học Innsbruck ở Áo đã tiến hành nghiên cứu sâu rộng về tiện ích của bộ điều biến ánh sáng không gian tinh thể lỏng để tạo ra sóng ánh sáng phức tạp. Chúng bắt giữ và thao tác các viên điện môi vi mô trong các bẫy quang được cấu hình sẵn bằng cách điều khiển riêng biên độ và pha của trường quang. Thay đổi biên độ và pha của trường ánh sáng có thể không chỉ nhận ra các bẫy ánh sáng có hình dạng đặc biệt như hình chữ thập, hình chữ nhật và hình tròn, mà còn kiểm soát chuyển động của các hạt dọc theo các đường đặc biệt. Về nguyên tắc, có thể nhận ra sự bẫy hạt trong các bẫy ánh sáng có hình dạng tùy ý. Điều khiển.

3 ứng dụng khác của hình ba chiều

Khẩu độ phức tạp được hình thành bởi kỹ thuật ba chiều có giá trị ứng dụng quan trọng trong những dịp khác nhau như chụp và thao tác các hạt hoặc nguyên tử vi mô, bởi vì nó dễ thích nghi hơn khẩu độ thông thường chỉ có thể điều khiển biên độ của trường quang. Ví dụ, một màng holographic được tạo ra với một tấm pha đặc biệt có thể truyền, phân loại, hoặc kiểm soát sự tập hợp của các hạt nhỏ.

Hiện tại, có thể thu được khẩu độ ba chiều với tối đa 400 bẫy quang bằng cách sử dụng công nghệ ba chiều. Kết hợp với công nghệ máy tính, các đặc điểm của bẫy quang học cá nhân cũng có thể được thay đổi động. Các bẫy ánh sáng thời gian thực do đó tạo ra có thể chụp các vật thể chuyển động và phân tán cao như vi rút, chất keo nhỏ và vi khuẩn bơi lội. Ngoài ra, các bẫy quang tuyến tính, Bessel, và bẫy xoáy quang với động lượng góc cũng có thể được tạo ra. Những bẫy ánh sáng bất thường này có thể điều chỉnh, xoay, xoay và tạo các vật tròn trong mặt phẳng ảnh hoặc trục quang, cũng như các thao tác không điển hình khác. Những nghiên cứu này đã mở rộng hơn nữa phạm vi áp dụng khẩu độ ba chiều, làm cho nó trở thành một công trình tuyệt vời trong phòng nghiên cứu xuyên khoa học.

Khẩu độ ba chiều được đặc trưng bởi sự tự do để kiểm soát nhiều hạt, làm cho sự hợp nhất, hấp phụ và tương tác giữa các hạt hoặc bề mặt dễ dàng hơn. Ví dụ, virus được cấy vào tế bào hoặc tinh trùng được cấy vào các tế bào trứng, và lực liên kết giữa các phân tử được phát hiện bằng cách sử dụng các quả bóng và bề mặt đa chức năng. Bằng cách quan sát hành vi của vật thể trong bẫy ánh sáng, nó cũng có thể đo chính xác các đặc tính của vật thể hoặc môi trường xung quanh. Một cái bẫy đa giếng có thể kéo giãn hoặc uốn cong vật liệu tại các giao diện giữa các phân tử đơn và màng tế bào và chất lỏng. Các thí nghiệm như vậy có thể thu thập thông tin về mô đun đàn hồi, năng lượng bề mặt và lực hấp phụ trong nhiều hệ thống, đồng thời đơn giản hóa việc nghiên cứu các tính chất cơ học vi mô. Holographic khẩu độ có thể được sử dụng để lắp ráp các cấu trúc cụ thể. Với ánh sáng huỳnh quang hoặc phản chiếu ánh sáng, một vật liệu cụ thể có thể được quan sát và định vị trên chất nền hoặc điện cực trong suốt. Khẩu độ ba chiều có thể tổ chức nhiều vật liệu với các tính chất vật lý hoặc quang học mới trong ba chiều. Các ứng dụng tiềm năng là việc xây dựng các vật liệu bandgap tinh thể quang tử, chế tạo các thành phần điện tử sinh học hoặc nano, và lắng đọng các vật liệu khác nhau trên các điện cực để đo tính chất điện của chúng. Vào năm 2007, các nhà khoa học ở Hoa Kỳ đã sử dụng ánh sáng hồng ngoại để điều khiển sự di chuyển của các hạt trên một tấm wafer silicon. Họ đã chọn một tấm wafer silicon có độ dày thích hợp và nồng độ doping để nó có thể thâm nhập vào ánh sáng hồng ngoại và có thể được phát hiện bởi CCD. Công nghệ này phá vỡ thông qua các nút cổ chai của việc nắm bắt các hạt truyền thống trong pha lỏng. Nếu bạn kết hợp công nghệ màng ba chiều, bạn có thể lắp ráp một số cấu trúc có ý nghĩa trên các bề mặt rắn cụ thể.

Đặc biệt, trước khi phát minh ra khẩu độ ba chiều, công nghệ màng hoành tập trung chủ yếu vào nghiên cứu cơ bản của các hạt đơn, và lợi thế của khẩu độ ba chiều trong thao tác của nhiều hạt mở ra ứng dụng thực tế của nhíp quang học cho công nghiệp quy mô lớn sản xuất. Một tình huống mới.

Ví dụ về sản phẩm

Hiện tại, các hệ thống khẩu độ có sẵn trên thị trường chủ yếu sử dụng AOD và hệ thống khẩu độ ba chiều của CUBE của Meadowlark (BNS) là hệ thống khẩu độ ba chiều thương mại duy nhất. Cấu trúc của nó như sau:

So với các khẩu độ khác sử dụng AOD, hệ thống khẩu độ ba chiều của CUBE của Meadowlark (BNS) có các tính năng sau:

1. Hiện tại, các hệ thống đa khẩu độ có sẵn trên thị trường đều sử dụng laser AOD (điều chế tốc độ cao) để tạo thành các bẫy ánh sáng khác nhau và chỉ có thể xử lý các máy bay hai chiều (x, y-direction) như dịch. Bộ điều biến ánh sáng không gian tinh thể lỏng có thể điều chỉnh cường độ và pha của ánh sáng và là một thao tác 3D thực sự. Không chỉ dịch, mà còn xoay vòng ba chiều và các thao tác khác của các hạt và tế bào.

2. Vì ánh sáng có thể được điều chỉnh pha, bộ điều biến ánh sáng không gian tinh thể lỏng có thể điều chỉnh chênh lệch pha, điều chỉnh điểm laser và làm cho phân bố bẫy ánh sáng trở nên lý tưởng hơn.

(a) Các sơ đồ pha được sử dụng để hiệu chỉnh các chênh lệch pha tải trên SLM (b) Điểm sáng trước khi hiệu chỉnh (c) Điểm sáng được sửa chữa

3. Bộ điều biến ánh sáng không gian tinh thể lỏng (SLM) có hiệu suất nhiễu xạ lớn hơn 90%, cao hơn AOD, và sử dụng laser càng cao.

4. Không giống như AOD tạo thành nhiều bẫy ánh sáng thông qua chuyển mạch tốc độ cao, Bộ điều chỉnh ánh sáng không gian tinh thể lỏng (SLM) có thể tạo ra nhiều chùm tia tập trung cùng một lúc, mỗi chùm tạo thành một cái bẫy ánh sáng riêng biệt, do đó ánh sáng cái bẫy tốt hơn.