[发明专利]调制光学镊子

说明书

技术领域

[0003]本发明涉及调制光学镊子。具体地说，本发明涉及调制光学镊子在各种情况下的应用。

背景技术

[0004]由于在10年之前引入了光学陷阱，它们在大分子和生物系统的实际研究中已成为不可缺少的工具。由高度聚焦的单个激光束形成的光学镊子利用光学梯度力以操作微米尺度的物体。光学镊子允许科学工作者探测用于描述胶体，聚合物和薄膜相互作用的微小力，并把少量胶体粒子组合成中型结构。每个常规的操作仅需要一个或两个光学镊子。把这种技术延伸到较大和较复杂的系统就需要较大和较复杂的光学陷阱阵列。

[0005]用于建立多个同时光学陷阱的相关技术包括广义的相位对比度方法，干涉计量光学镊子，和光学晶格。后两种方法涉及在样本的体积中多个光束的干涉，而可以把前一种方法考虑成全息光学捕获的变型。干涉计量技术可以比全息技术覆盖更大的领域，但是它在可以建立的强度图形类型中受到很大的限制。具体地说，干涉计量光学镊子和光学晶格局限于周期性结构。

[0006]利用强会聚透镜聚焦单个激光束形成一种普遍称之为光学镊子的光学陷阱类型。一般地说，可以利用以下的波函数描述这种光束，

ψ(r)＝A(r)exp(i(r))    (1)

其中A(r)是幅度分布，而(r)是在与光轴垂直的平面上位置r的相位。

[0007]常规的光学镊子是从典型激光器提供的TEM₀₀激光束中建立的。这种光束的波前是平面型，并可以用均匀的相位分布(r)＝0描述。利用合适的聚焦元件，例如，显微镜物镜，可以把光束聚焦成衍射受限的焦点，使该光束变换成光学镊子。光学镊子在透镜焦平面上的位置是由光束进入透镜入瞳时的角度确定。此外，若光束在进入透镜入瞳时是发散的，则它被聚焦并在焦平面的下游形成光学镊子。或者，若光束是会聚光束，则它在焦平面的上游形成陷阱。

[0008]多个光束同时传输通过透镜入瞳产生多个光学镊子，每个光学镊子的位置是由入射角和在入瞳上的准直度确定。这些光束在传输通过入瞳时形成干涉图形，其幅度和相位波形描述下游的捕获图形。在入瞳上对单个入射光束施加相同的调制就产生相同的陷阱图形，但是不需要建立和引导多个独立的输入光束。这种波前变化可以由通常称之为全息图的衍射光学元件(DOE)完成。一般地说，利用称之为计算机产生全息术(CGH)过程的计算机，可以计算用于编码具体光学陷阱图形的全息图或DOE。利用CGH建立多个光学陷阱的任意配置构成一种新型的光学微操作工具，称之为全息光学镊子(HOT)，它在物理和生物科学以及在工业中有广泛的应用。

[0009]全息光学镊子的效力是由形成陷阱的DOE质量确定，而该效力又反映在计算中所有数值算法的性能。以前的研究应用这样的全息图，它是利用简单的线性叠加输入场或利用经典Gerchberg和自适应可加算法的变型计算的。尽管它们有一般的效力，这些算法产生这样的陷阱，其相对强度可以与它们的设计值有很大的差别，通常导致多余的“鬼”陷阱。这些问题对于复杂的三维捕获图形可以变得十分严重，尤其是在相同的全息图还用作模式转换器以投射多功能光学陷阱阵列的情况下。

[0010]用于全息光学捕获的全息图通常仅作用在入射光束的相位上，而不是作用在它的振幅上。这种纯相位全息图也称之为开诺全息图，与振幅调制全息图比较有很高的效率，必须把光偏离开光束。与完全复杂的全息图比较，它要求在入瞳上建立任意的叠加，而纯相位全息图也是十分容易实现的。的确，利用计算机寻址的空间光调制器(SLM)以建立动态全息光学镊子，可以投射开诺全息图的序列。

[0011]利用开诺全息图仍然可以实现一般的捕获图形，尽管丢失了可以被编码成振幅调制的信息，因为光学镊子依靠它们作用到强度的梯度上，而不是作用到局部的相位变化。然而，仍然需要在输入平面上找到一个相移图形，它可以在聚焦体积中编码所需的强度图形。

发明内容

[0012]本发明涉及一种光学镊子的变型，其中可以使陷阱的劲度随方向而变化。具体地说，改变的陷阱强度在它选取的方向上有更大的扩展，从而减小它在那些方向的劲度，或便于沿那些方向对准非对称物体。这种改变的陷阱可用于使物体沿选取的方向逃逸并定向和旋转非紧致的物体。使物体沿选取方向逃逸的能力在光学分离方面有各种应用，其中物体与光学陷阱不同的相互作用可用作分类的基础。定向和旋转非紧致物体的能力可用于组装微米尺度的物体(0bject)。