[发明专利]通过形状相位全息摄影扩展的光阱

说明书

本发明是在由国家科学基金会奖励的许可编号DMR-0451589下的美国政府的支持下作出的。美国政府在本发明上具有特定权利。 

技术领域

本发明一般地涉及一种用于可控地建立用于处理材料以用于多种用途的扩展光阱的系统和方法。具体地，本发明涉及使用形状相位调制或者全息摄影来建立多种形状的光阱，用于操控、定位、制造和处理从纳米到微米尺寸物体的物体。 

背景技术

已经在现有技术内进行了各种尝试来将单点类光阱扩展为线、曲线和三维形状，但是在所有这样的工作内固有地存在严重的缺陷。例如，已经使用圆柱透镜或者其全息摄影等同物实现了线钳。但是，使用圆柱透镜形成的线被严重的散光变差，因此不能在三维上陷落物体。圆柱透镜也不能产生更一般的结构，而仅是线性扩展的陷阱。也已经使用在Keplerian望远镜内布置的多对圆柱透镜形成了线阱。虽然这样的线阱可以没有散光，但是它们的形状是固定的，并且不能改变它们的强度和相位分布。这样的线阱也与全息光阱技术不兼容，因此不能与可能通过全息投影产生的多种陷阱能力集成。在另一种现有技术的方法内，已经通过光阱的时间共享或者扫描而建立了扩展的光阱。这种方法具有下述的各种缺点。 

在另一个现有技术方法内，可以通过传统的全息技术来投影扩展的光阱。这种手段不允许一般的三维结构来用于投影线，并且受到投影缺陷的影响，诸如光斑。作为本发明的说明书的一部分，以下说明另外的缺点，由此演示本发明相对于现有技术的实质优点。 

发明内容

单束光学梯度力陷阱可以被一般化以沿着具有预定强度的指定的曲线或者体积建立其影响域，以限定光阱影响的线和体积。可以通过使用形状相位调制或者全息摄影来产生这样的扩展的光阱和伴随的影响域。其可以进一步扩展到投影多个这样的陷阱。圆柱透镜可以例如被实现来用于一维的势能井，以操控纳米尺寸到微米尺寸的物体。在单个的、定制的和良好特征化的扩展势能井内陷落一个、两个或者多个这样的物体在下列领域内有应用：处理监控、质量控制、处理控制和纳米制造以及研究和其他领域。 

最简单的圆柱透镜采取所谓的线钳(line tweezer)的形式，其中，适当结构的光束聚焦到线段，而不是点。已经使用圆柱透镜或者使用其全息等同物实现了这样的线钳。但是，结果产生的陷阱具有一些不良特性。使用圆柱透镜投影的线阱实际上具有被严重的散光变差的传统光钳的三维结构。因此，其沿着在一个平面上的一个轴聚焦到一条线，并且聚焦到在另一个平面内的垂直线。所述两条线在光束轴上交叉，这降低了在那个点的轴强度，因此，严重地影响了这样的陷阱陷落三维物体的能力。圆柱透镜也可以仅投影单个线钳，并且不控制沿着线的强度和相位分布。最后，圆柱透镜仅可以投影线性的扩展的光阱，而不是更一般的结构。以下所述的系统通过下述方式允许这样的缺点：通过允许建立一个或多个扩展的光阱，其中每个聚焦到在指定的陷落总管(trapping manifold)上的单个曲线，并且其中每个具有沿着其长度的独立指定的强度和相位分布。 

在现有技术内，也已经通过在视场上快速地扫描单个光钳来在时间共享的意义上建立扩展的光阱。如果光钳足够快地移动，则被陷落的物体不能跟上光钳，而是经历了扩展的位势，其特性反映了光钳的通过的时间平均值。这具有缺点：需要高峰值的激光功率来保持甚至普通的平均井深，并且这可以使得光敏采样变差。被扫描的激光也可以施加短暂的能量或者脉冲到短时间照亮的物体，这会导致较小但是 不良的不平衡效应。最后，被扫描的光钳通常仅工作在单个平面内，而不沿着三维的更一般的曲线。在此所述的系统通过在被投影的陷阱的其整体长度上提供连续的照明而避免了这些缺点。这样的系统也能够沿着三维曲线投影扩展的光阱，如下所述。