用于施加光學(xué)梯度力的改進(jìn)的設(shè)備、系統(tǒng)和方法技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)主要涉及一種產(chǎn)生并控制用以操縱微粒的光學(xué)阱陣列。具體地，本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種雙重功能的光學(xué)元件，該元件能夠?qū)⒓す庋苌涑缮涫⑶視?huì)聚該射束（作為用于激光的虛透鏡），從而不必需要多個(gè)實(shí)透鏡將衍射激光束傳輸給聚焦透鏡。本發(fā)明專利技術(shù)還涉及通過限制由于未衍射激光造成的反射和分散噪擾量，以改進(jìn)對光學(xué)阱的監(jiān)控。（*該技術(shù)在2022年保護(hù)過期，可自由使用*）

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
【國外來華專利技術(shù)】
本專利技術(shù)總體涉及光學(xué)阱。具體地，本專利技術(shù)涉及用于施加光學(xué)梯度力以形成多個(gè)光學(xué)阱來操作小微粒的設(shè)備、系統(tǒng)和方法。
技術(shù)介紹
光學(xué)鑷子是一種利用聚焦光束的梯度力來操作介電常數(shù)比周圍介質(zhì)高的微粒的光學(xué)工具。為了使其能量最小化，這種微粒將向電場最強(qiáng)的區(qū)域運(yùn)動(dòng)。就動(dòng)量而言，聚焦的光束產(chǎn)生輻射壓力，由一個(gè)微粒通過光的吸收、反射、衍射或折射產(chǎn)生微小的力。由輻射壓力產(chǎn)生的力基本上可以忽略不計(jì)，一個(gè)光源、例如以10mW工作的二極管抽運(yùn)Nd:YAG激光器僅產(chǎn)生幾微微牛頓的力。然而，幾微微牛頓的力足以操作小微粒。可以用于操作小微粒的其它光學(xué)工具包括但不限于光學(xué)渦流、光學(xué)瓶、光學(xué)旋轉(zhuǎn)器和光籠。光學(xué)渦流盡管與光學(xué)鑷子用途類似，但是工作原理相反。光學(xué)渦流在零電場的區(qū)域周圍產(chǎn)生一個(gè)梯度，這對于操縱介電常數(shù)低于周圍介質(zhì)的微粒、或者具有反射性微粒、或被光學(xué)鑷子所排斥的其它類型的微粒是有用的。為了使其能量最小化，這種微粒將向電場最低的區(qū)域、即向在適當(dāng)形狀的激光束的焦點(diǎn)處的零電場區(qū)域運(yùn)動(dòng)。光學(xué)渦流提供一個(gè)非常類似于環(huán)形室(電子回旋加速器室)中的空位的零電場區(qū)域。在環(huán)形室周圍，光學(xué)梯度以最強(qiáng)的電場輻射。光學(xué)渦流將小微粒滯留在環(huán)形室的空位中。這種滯留是通過渦流在小微粒上沿著零電場線滑過而實(shí)現(xiàn)的。光學(xué)瓶與光學(xué)渦流的不同點(diǎn)在于，其僅在焦點(diǎn)處具零電場，并且在渦流的一端具有一個(gè)非零電場。光學(xué)瓶可以用于捕獲那些太小或太具有吸收性而不能用光學(xué)渦流或光學(xué)鑷子捕獲的原子和納米團(tuán)簇。J.Arlt andM.J.Padgett.“Generation of a beam with a dark focus surrounded by regionsof higher intensityThe optical bottle beam”，Opt.Lett.25，191-193，2000。光學(xué)旋轉(zhuǎn)器是最近公開的光學(xué)工具，它提供了一種捕獲物體的懸臂模式。變換模式可以使被捕獲的物體旋轉(zhuǎn)。L.Paterson，M.P.MacDonald，J.Arlt，W.Sibbett，P.E.Bryant，and K.Dholakia，“Controlled rotation ofoptically trapped microscopic particles，”Science 292，912-914，2001。這種類型的工具可以用于操縱非球形的微粒并且驅(qū)動(dòng)MEMs裝置或納米機(jī)械。Neal在美國專利No.5,939,716中公開的光籠是一種寬泛的可目視的光學(xué)渦流類設(shè)備。光籠形成圍繞著一個(gè)太大、太具有反射性或者具有低于周圍介質(zhì)的介電常數(shù)的微粒的光學(xué)渦流環(huán)。如果說光學(xué)渦流類似于一個(gè)環(huán)形室，則該光籠類似于一個(gè)充糊(jelly-filled)環(huán)形室。環(huán)形室空位(對于渦流而言)是零電場區(qū)，而充糊則是低電場區(qū)。總體而言，形成環(huán)形室的多個(gè)光學(xué)鑷子的梯度力向著也可以被認(rèn)為是位于多個(gè)光學(xué)鑷子之間的不明亮區(qū)的充糊“推動(dòng)”具有比周圍介質(zhì)低的介電常數(shù)的微粒。然而，與渦流不同，產(chǎn)生了一個(gè)非零電場區(qū)。在描述光學(xué)阱陣列的Grier and Dufresne的美國專利No.6,055,106中，可以獲知一種采用具有衍射光學(xué)元件的單束激光形成多個(gè)聚焦形成光學(xué)阱陣列的衍射激光束。該專利提出采用物理傳輸透鏡將一個(gè)衍射的激光束導(dǎo)向聚焦透鏡的后孔徑。多個(gè)實(shí)透鏡被用于引導(dǎo)和將激光束重疊在聚焦透鏡的后孔徑處，使激光束充分重疊以獲得至少為0.8的有效數(shù)值孔徑(NA)，如Chu and Kronis的美國專利No.5,079,169所述，0.8被認(rèn)為是在三維空間中捕獲和操縱微粒所需的最小NA。美國專利No.6,055,106中公開的設(shè)備的缺點(diǎn)是，各透鏡需要相對大量的物理空間以進(jìn)行操作，并且各透鏡必須被維護(hù)、清潔和對齊。熟悉傳輸透鏡系統(tǒng)的人將認(rèn)識(shí)到，在系統(tǒng)中的透鏡數(shù)目越多、則未對準(zhǔn)的可能性越大，并且還存在其它維修問題。因此，需要減少用于形成光學(xué)阱陣列的傳輸透鏡系統(tǒng)中的透鏡數(shù)目。本專利技術(shù)可以滿足這一需要。在美國專利No.6,055,106中描述的用于監(jiān)控光學(xué)阱活動(dòng)的通常形式是在激光束路徑中放置一個(gè)分束器，并從而產(chǎn)生一個(gè)光學(xué)數(shù)據(jù)流。這種形式的局限在于，噪擾對于光學(xué)數(shù)據(jù)流的有害影響。在光學(xué)阱方面，噪擾指的是對光學(xué)阱的成像、測量和/或觀察、它們的內(nèi)容、或者周圍區(qū)域造成影響，這是由于透鏡不完美、灰塵、污垢或因未對齊而導(dǎo)致未衍射的聚焦光束或能量存在于系統(tǒng)中、光線從光學(xué)阱發(fā)散、以及光從物理傳輸透鏡系統(tǒng)中的一個(gè)透鏡被反射或衍射所造成的。如美國專利No.6,055,106所述，一種減少噪擾的途徑是相對于衍射元件以一個(gè)傾斜的角度引導(dǎo)激光束，從而促使未衍射的光束遠(yuǎn)離物鏡。盡管對于其所希望達(dá)到的目的是有用的，但是仍然存在其它噪擾源。因此需要減少或消除由于產(chǎn)生光學(xué)阱陣列的系統(tǒng)的部件形成的未衍射激光束、分散和反射激光束所引起的噪擾。本專利技術(shù)同樣可以滿足這一需要以及其它需要，并且提供相關(guān)優(yōu)點(diǎn)。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)提供一種僅采用單一物理傳輸透鏡來產(chǎn)生、監(jiān)控和控制光學(xué)阱陣列的新型和改進(jìn)的方法、系統(tǒng)和設(shè)備。通過過濾或屏蔽掉由系統(tǒng)中的分散、未衍射和反射光引起的“噪擾”，本專利技術(shù)也改進(jìn)了光學(xué)阱的監(jiān)控和控制。在產(chǎn)生多個(gè)光學(xué)阱的系統(tǒng)中，通過將一個(gè)透鏡功能編譯(encoding)在一個(gè)衍射光學(xué)元件中，消除或減少了多個(gè)傳輸透鏡。該衍射光學(xué)元件還可以改變?nèi)魏喂馐南辔弧Ｍㄟ^編譯衍射光學(xué)元件以會(huì)聚多個(gè)光束，本專利技術(shù)創(chuàng)造了采用單個(gè)實(shí)透鏡傳遞多個(gè)光束并將它們重疊在物鏡的后孔徑上、并形成貫穿的光學(xué)阱的有利條件。在一個(gè)基本形式中，本專利技術(shù)(圖1A)為一個(gè)聚焦的光或能束，例如由衍射光學(xué)元件衍射的單一激光束，所述衍射光學(xué)元件具有編碼透鏡功能。該激光束被衍射成多個(gè)光束，并且每個(gè)光束也被衍射光學(xué)元件會(huì)聚并隨后引導(dǎo)至單一傳輸透鏡，該單一傳輸透鏡又將多個(gè)光束引導(dǎo)并重疊到聚焦透鏡(例如顯微鏡的物鏡)的后孔徑上，從而形成多個(gè)光學(xué)阱。為了改變給定光學(xué)阱的位置，形成該光學(xué)阱的光束通過衍射光學(xué)元件可以被調(diào)整到一個(gè)新的位置，從而改變由此產(chǎn)生的光學(xué)阱位置。可以增加一個(gè)運(yùn)動(dòng)的反射鏡(圖1D、1E、2和4)，以便整體地改變所有光學(xué)阱的位置。在一些情況下，單一傳輸透鏡的運(yùn)動(dòng)也可以令人滿意地用于改變給定光學(xué)阱的位置。用單透鏡移動(dòng)系統(tǒng)有選擇地產(chǎn)生和控制光學(xué)阱陣列對于許多商業(yè)應(yīng)用是有用的，例如光學(xué)回路設(shè)計(jì)和制造、納米復(fù)合材料的構(gòu)建、電子部件的制造、光電子、化學(xué)和生物傳感器陣列、全息數(shù)據(jù)存儲(chǔ)矩陣組件、驅(qū)動(dòng)MEMS的能源或光馬達(dá)、對組合化學(xué)的促進(jìn)、膠體自組裝的推廣、生物材料的控制、生物材料的審查、所定的生物材料的濃縮、生物材料特性的研究、以及生物材料的檢驗(yàn)等。在本專利技術(shù)的一些實(shí)施例中(圖2和4)，通過在聚焦透鏡之前將一個(gè)分束器置于光束路徑中并隨后引入一個(gè)濾光器以限制未衍射的、分散的或反射的光線沿著光學(xué)數(shù)據(jù)流通過、并因此減少可以擾亂光學(xué)數(shù)據(jù)流的圖像或其它監(jiān)控的噪擾，可以對光學(xué)阱陣列的活動(dòng)進(jìn)行實(shí)時(shí)觀察。還可以將一個(gè)用于調(diào)節(jié)整個(gè)光學(xué)阱陣列的位置的運(yùn)動(dòng)的反射鏡與分束器結(jié)合起來(圖2和3)或者添加到系統(tǒng)中(圖4)。通過周期性地切斷激光(圖3)并監(jiān)控光學(xué)數(shù)據(jù)流、和/或通過當(dāng)激光器打開時(shí)切斷光學(xué)數(shù)據(jù)流，可以減小噪擾。在參照附圖的說明中將部分地提到本專利技術(shù)的本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種用于形成多個(gè)可動(dòng)光學(xué)阱的方法，該方法包括：產(chǎn)生聚焦光束；將聚焦光束引導(dǎo)至具有可變光學(xué)表面的相位圖案形成光學(xué)元件，以便形成從該相位圖案形成光學(xué)元件發(fā)出的多個(gè)射束，各射束具有一個(gè)相位分布；通過相位圖案形成光學(xué)元件使從 相位圖案形成光學(xué)元件發(fā)出的射束在相位圖案形成光學(xué)元件和一個(gè)單個(gè)傳輸透鏡之間的一個(gè)位置會(huì)聚；引導(dǎo)從相位圖案形成光學(xué)元件發(fā)出的射束通過單個(gè)傳輸透鏡，以使射束在一個(gè)聚焦透鏡的后孔徑處重疊；以及使從該聚焦透鏡發(fā)出的射束會(huì)聚以形成多個(gè) 光學(xué)阱。

【技術(shù)特征摘要】
【國外來華專利技術(shù)】...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：戴維格里爾，沃德洛佩斯，埃里克迪弗雷納，
申請(專利權(quán))人：阿爾利克斯公司，
類型：發(fā)明
國別省市：US[美國]