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0431-81702023
光学工程
浅谈全息光镊的原理及应用

本文将简单介绍全息光镊的原理和应用,以及市面上唯一的商用全息光镊系统--美国Meadowlark(BNS)公司的全息光镊系统CUBE。

  引言

  光镊又称单光束粒子阱,是A.Ashkin在1969年以来关于光与微粒子相互作用实验的基础上于1986年发明的。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形成的能够网罗住整个米氏和瑞利散射范围粒子的势阱。它是由高度汇聚的单束激光形成的,可弹性地捕获从几nm到几十μm的生物或其他大分子微粒(球)、细胞器等,并在基本不影响周围环境的情况下对捕获物进行亚接触性、无损活体操作。

  光镊自1986年发明以来,以其非接触、低损伤等优点,在激光冷却、胶体化学、分子生物学等领域的实验研究中发挥了极其重要的作用。随着光镊技术应用领域的不断扩大,为适应更多的研究需求,光镊技术本身也在向实时可控的复杂光阱方面不断地改进。目前研究人员经过不断地改进实验方法以及控制样品的布朗运动,可以在秒的时间尺度上实现埃量级精度的位移测量。同时可以捕获并观察到最小达25nm的粒子,并有望捕获更小的纳米粒子。在过去的几十年里,光镊技术的发展使人们较详细地了解在复杂的生物系统中分子的运动机制成为可能。就表现形式而言,光镊仪器由最初的单光束梯度力光阱逐渐演化出了许多类型的光学势阱。如双光镊、三光镊、四光镊、扫描光镊、飞秒光镊等。这一系列光镊的衍生技术不仅丰富了光镊家族,更为生物科学等不同领域在微纳尺度的研究提供了一个非常巧妙的工具,如测量双链DNA的解螺旋过程、研究分子马达的运动机制、分离水稻染色体等。多光阱操控技术在众多的实验研究中显得越来越重要。光镊技术在一个由简单的单光束梯度力光阱向多光镊及阱位可控的复杂光镊的不断发展过程中,全息光镊作为一种产生多光阱或新型光学势阱的方法脱颖而出。它不仅能构成各种功能的光阱,并且还能实现三维光阱阵列,并且带动了一系列的研究和发展。科学家Grier预言,全息光镊将引发光学操纵的一场技术革命。

  全息光镊的原理

  全息元件是构成全息光镊的关键元件,它是利用底片记录物光和参考光所形成的干涉图样,物光场再现时,只需用原来的参考光照射全息元件,即可获得重建的物光场。全息光镊就是利用全息元件构建的具有特定功能的光场而形成的光镊。所形成的光场性质的不同,全息光镊会实现不同的功能,如单粒子的旋转、多粒子的操控和分选等。最早的全息光镊由芝加哥大学EricR.Dufresne等于1998年实现,他们使用衍射光学元件(DOE)将准直的激光束分成多个独立的光束,通过强会聚透镜聚焦后形成多光镊。构建全息光镊的关键是根据实际需要选择合适的全息元件。传统生成全息元件的方法是利用相干光干涉制作的,其缺点是所拍摄的全息元件存在衍射效率低、制作费时以及通用性差等,因而它在全息光镊中并没有得到广泛的应用。目前全息光镊的全息元件多由空间光调制器(SLM)形成。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以及声光调制器等。还可以用紫外光刻来制作特定的衍射光学元件来调制光场。现在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,通过改变全息元件就可以使得所形成的光阱作动态变化。

  在计算机出现之前,需要采用激光全息的方法形成有限形状的全息图。目前在计算机的辅助下,可以实现任意形状的全息图。不过,每实现一种新设计的光阱,都需要重新计算相应的全息图。随着计算机速度的不断刷新以及新的算法的出现,在一般的科研实验室已经可以很容易实现任意形状的全息光镊。原则上全息光镊可以产生任意形状、大小、数量的光阱。通过改变捕获光的相位分布,可以使捕获粒子在光阱中按设定的路线运动,为实现光镊分选粒子提供更加方便的工具。随着激光捕获技术的不断进步以及捕获对象的不断变化,传统的单光束梯度力光阱已经不能满足微观粒子捕获的新需求。作为新兴的光镊技术,全息光镊的加盟使得光镊家族充满活力,全息光镊在捕获和操控多粒子和实现表面等离子体共振捕获粒子等领域展现出极大的应用前景。充分认识全息光镊的优缺点有助于人们在设计全息光镊时,充分利用其优点,克服不足之处,设计出满足实际需要的性能优越的全息光镊,使之在分子生物学、生物化学、纳米制造等领域发挥其独特的优势,为交叉学科的研究提供更多有价值的信息。

  全息光镊的典型应用

  由于光和粒子之间有动量或角动量的交换,光场成为一个传统的非接触的捕获、移动、拉伸或旋转微观粒子的工具。传统的方法利用波片和偏振器件可以获得具有确定自旋角动量的光束,利用一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。这使得全息光镊的应用范围得到扩大,在微粒的光致旋转、多粒子的操控和复杂运动方面显示出其独特的优势。

  1新型空心光场捕获和旋转微小粒子

  光子具有线性动量和角动量,角动量又包括轨道角动量和自旋角动量。其中,自旋角动量取决于光束的偏振状态,它可以通过棱镜和波片等来改变。2007年,Wang课题组采用纳米制造技术制备出圆柱型的纳米石英颗粒。这种颗粒在光镊中会发生旋转,进而测量dsDNA的扭转力和力矩。这种技术正是利用光子的自旋角动量会使得双折射粒子发生旋转的特性。

  1991年Sato等首次实现了光镊中粒子的光致旋转,所采用的光束为旋转的高阶Hermite-Gaussian光。之后出现一系列的利用新型光阱来研究微粒的光致旋转,如空心高斯光束、拉盖尔-高斯光束、高阶贝塞尔光束、面包圈空心光束及LP01模输出空心光束等,这些空心光束的优势是捕获粒子时所产生的热效应小,且具有常用的高斯光束形成的单光束梯度力光阱所不具有的新特性。传统的全息技术则推动了这些新型光束在光致旋转方面的应用研究。轨道角动量则与光场的特定空间分布相联系。

  具有轨道角动量的光束可以通过旋转的Dove棱镜来产生,但这需要在光学波长范畴下很精确的布置棱镜,实现较困难,且不能动态改变光束的特性。全息技术的应用克服了上述缺点,它使得人们利用合适的全息图很容易地获得具有轨道角动量或特定衍射特性的光束,如拉盖尔-高斯(Laguerre-Gaussian,LG)光束、贝塞尔光束(BesselBeam)、厄米-高斯(Hermite-Gaussian)光束等。

  此外,利用全息技术产生的新型光阱,如涡旋光阱,在界面所形成的倏逝波形成的近场光镊可以用来捕获和旋转金属粒子。2008年,苏格兰的圣?安德鲁斯大学的MariaDienerowitz等利用LG光捕获纳米金粒子,他们用接近表面等离子激元共振的光束将金粒子限制在LG光的暗场区域,并且利用光子的轨道角动量的转移,实现对同时捕获于光阱中的两个100nm的金纳米粒子的旋转。

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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