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常见问题

全息不一定用来成像,还可以与光镊技术混搭

更新时间  2022-03-25 00:48 阅读
本文摘要:现代光学显微镜技术发展很快,超强辨别荧光显微镜光学技术的分辨率已超过了纳米级别。但是,对于微观尺度的研究来说,除了“看见”,还必须“摸得着”,而光双带就是那只“摸得着”微观粒子的“手”。 1.什么是光双带一束平行激光被显微镜物镜探讨后不会获得一个微米尺度的光斑。物镜数值孔径越大,探讨的光斑就越小(可以超过几百纳米),其电场强度梯度越大。对于电介质微粒来说,强劲探讨光斑就是一个三维光学势阱,微粒不会被束缚在其势能低于处。

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现代光学显微镜技术发展很快,超强辨别荧光显微镜光学技术的分辨率已超过了纳米级别。但是,对于微观尺度的研究来说,除了“看见”,还必须“摸得着”,而光双带就是那只“摸得着”微观粒子的“手”。

1.什么是光双带一束平行激光被显微镜物镜探讨后不会获得一个微米尺度的光斑。物镜数值孔径越大,探讨的光斑就越小(可以超过几百纳米),其电场强度梯度越大。对于电介质微粒来说,强劲探讨光斑就是一个三维光学势阱,微粒不会被束缚在其势能低于处。若微粒背离势能最低点,就不会受到指向势能最低点的恢复力的起到。

由激光束强劲探讨构成的光斑对于电介质微粒来说就看起来一个“陷阱”,粒子被捕捉在其中,如果移动探讨光斑,微粒就不会回来光斑移动。这样一个强劲探讨光斑可以对微粒实行捕捉、移动和转动等微操控,就像一把“镊子”,因而被称作光双带(OpticalTweezers)。

图1光双带原理动画2.光双带技术的问世我们告诉,太阳光孕育出了地球上的生命,是地球活动的能量来源。除了能量特性,光还具备动量(即力)的特性。早在17世纪初,德国天文学家Kepler就明确提出了光压的概念来说明彗星尾巴背离太阳的现象。

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到了1901年,俄国物理学家Lebedev等人首次在实验上证明了光压的不存在。但是,光的力学特性应用于直到激光发明者后才获得实质的发展。1970年,美国Bell实验室的Ashkin等人首次在实验上利用牵传播的两束高斯光束捕捉寄居了在水中的二氧化硅微球,证明了激光对微粒的衍射力。1986年,Ashkin等人利用经高数值孔径探讨的单束激光构建了对电介质微球的三维捕捉,标志着光双带技术的问世。

3.光双带技术的应用于价值光双带的发明者为人类研究微观尺度里的相互作用、了解解读微观世界获取了强有力的工具。光双带就是微观世界中的“镊子”,它可以夹持寄居微粒并掌控微粒移动与转动。光双带又是不一般的“镊子”,由于其利用光去操控微粒,具备无机械认识和较低受损的特点。而且只要自由选择适合的较低吸取波长,尤其是近红外波段,光双带对生物的组织的热受损完全可以忽略不计,因此光双带技术非常适合生命科学领域的研究。

光双带技术自发明者以来普遍用作生命科学、胶体物理、化学等研究领域,还包括大分子或单细胞的力学特性研究、DNA与蛋白质分子的相互作用(图2a)、胶体粒子之间的相互作用、晶体的结晶过程控制等。光双带技术在原子物理学领域也有普遍的应用于,其代表就是利用激光来捕捉和加热原子(图2b)。1997年朱棣文等人因其在激光捕捉和加热原子方面的杰出贡献被颁发了诺贝尔物理学奖。图2光双带应用于的两个例子:(a)DNA与蛋白质分子的相互作用研究;(b)原子捕捉与加热。

4.全息光双带技术4.1为什么研究全息光双带技术?单光双带技术一次不能捕捉和操控一个微粒,而研究人员往往期望同时掌控多个微粒。传统的方法是利用振镜扫瞄或者多光束耦合来产生多个光阱,但是这样产生的光阱数受限,缺少灵活性,而且系统简单。近年来,全息光双带(HolographicOpticalTweezers,HOT)技术倍受注目。

它利用空间光调制器(SpatialLightModulator,SLM)等散射元件调制入射光波前,在物镜焦区获得预期的光场以对微粒展开捕捉与操控。与传统光双带技术相比较,全息光双带技术不仅可以产生给定排序产于的点光阱大阵列来同时捕捉多个微粒,而且可通过计算机编程独立国家掌控其中的每一个光阱,构建简单的动态操控。此外,全息光双带技术通过调制入射光波前可以产生具备类似模式的光阱,如纳盖尔高斯光束、贝塞尔光束和艾里光束等。目前市场上早已开始经常出现商品化的全息光双带操作者平台,但大多价格昂贵、功能相同、不便改良。

而一般实验室搭起的全息光双带系统又大多不存在着系统设计校验、光路牢固、占用空间大和系统稳定性劣的缺点。我们实验室设计了一套灵活的全息光双带系统,系统所占到空间只有大约为45cm×45cm×40cm。模块化的设计使得我系统稳定性低,兼容性好,可以很好地与荧光显微镜光学等技术融合。图3紧凑型全息光双带装置4.2全息光双带的特点(1)多光阱同时捕捉通过给空间光调制器读取特定的计算出来全息图可以调制入射光波前,然后把单束入射光分为多束出射光,从而在物镜焦区产生给定化学键的点光阱大阵列。

图4右图是利用点光阱大阵列来捕捉和排序多个酵母菌细胞(图4a-b)和二氧化硅小球(图4c-d)的实验结果。图4全息光双带按特定图案产于捕捉和化学键酵母菌细胞(a,b)和二氧化硅小球(c,d)。(2)多光阱动态微操控全息光双带可以独立国家掌控每一个光阱的运动,进而掌控微粒移动,构建简单的多微粒同时动态操控。

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把提早计算出来好的CGH图像序列读取到SLM,然后按照一定帧亲率创下CGH就可以构建微粒的动态操控,如图5是同时操控8个二氧化硅微球分别做到简谐运动和圆周运动的实验结果。图5全息光双带同时操控8个直径1μm的二氧化硅小球视频(3)类似模式光束微操控利用SLM可以调制产生纳盖尔-高斯光束、贝塞尔光束和艾里光束等类似模式光束。

类似模式光束由于具备较为类似的振幅产于及传播特性,因此在光双带技术中应用于普遍,例如利用LG光束转动微粒研究轨道角动量的传送,利用贝塞尔光束和艾里光束输送微粒来构建微粒的分选等。图6(a)得出了几种类似模式光束传播的透射产于示意图,左下角插画是光束的横截面强度产于。图6(b)和(c)是我们利用轴平面光学技术来必要仔细观察类似模式光束的微操控过程,其中图6(b)是利用零阶贝塞尔光束同时捕捉多个二氧化硅微球并将其沿轴向排成链子形状的实验结果;图6(c)是利用艾里光束输送聚苯乙烯微球时有所不同时刻的实验图像变换,由此可看见微球沿抛物线倾斜轨迹运动。图6(a)几种类似模式光束传播的透射产于示意图,括号内数字回应光束的模式阶数。

(b)贝塞尔光束和(c)艾里光束微操控实验结果。5.结束语我们实验室积极开展了多种光学捕捉和微操控技术的实验和理论研究,还包括全息阵列光双带、类似模式光学微操控和矢量光束微操控,还展开了光双带的应用于研究,还包括微粒的分选,以及细胞剪切和凝胶的弹性模量测量等研究。

我们期望与国内更加多科研单位积极开展合作研究,将光学微操控技术与蓬勃发展的生命科学等领域结合,联合增进涉及领域的发展。


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