多光的產(chǎn)生方法

多光的產(chǎn)生方法

1總結(jié)1986年，ashili等人。2值孔徑物鏡典型的光勢(shì)阱由一束激光束經(jīng)過(guò)一高數(shù)值孔徑物鏡產(chǎn)生。當(dāng)非電介質(zhì)微?？拷裹c(diǎn)時(shí)即受到光壓作用,該作用力(見(jiàn)圖1)通常分為兩個(gè)部分:散射力F3單光產(chǎn)生方法光鑷技術(shù)在最近十年間得到了飛速發(fā)展。傳統(tǒng)的光鑷只能控制單個(gè)微粒,因此在實(shí)驗(yàn)需求的基礎(chǔ)上提出了多光鑷(陣列光鑷)概念,陳列光鑷可同時(shí)對(duì)多個(gè)微粒進(jìn)行三維操縱。陣列光鑷的產(chǎn)生方法有多種,其中常用的有:1)分時(shí)復(fù)用法;2)利用空間光調(diào)制器調(diào)制激光束產(chǎn)生全息式陣列光鑷;3)干涉式陣列光鑷;4)利用垂直腔面發(fā)射激光器產(chǎn)生陣列光鑷的方法;5)光纖束產(chǎn)生陣列光鑷的方法。3.1聲光偏轉(zhuǎn)器法aods最初的分時(shí)復(fù)用法即使用聲光偏轉(zhuǎn)器(Acousto-Opticdeflectors,AODs)控制光斑位置,通過(guò)分時(shí)復(fù)用的方法形成多個(gè)光鑷,典型裝置如圖2(a)所示。激光發(fā)出的激光束經(jīng)過(guò)擴(kuò)束器擴(kuò)束后,由兩個(gè)垂直放置的聲光偏轉(zhuǎn)器分別在兩個(gè)方向調(diào)制,使調(diào)制后的光束均勻進(jìn)入物鏡,最后在載物臺(tái)上形成了陣列式光鑷[如圖2(b)]。聲光偏轉(zhuǎn)器法的關(guān)鍵是在每一光鑷位置上,必須保證由聲光偏轉(zhuǎn)器控制的激光輪流照射到這些位置上的時(shí)間間隔遠(yuǎn)小于微粒發(fā)生布朗運(yùn)動(dòng)遠(yuǎn)離束縛位置的時(shí)間。利用計(jì)算機(jī)可以控制AODs,還可以在不改變光學(xué)結(jié)構(gòu)的前提下,控制光鑷的各種參數(shù)選擇,諸如微粒受力大小、光鑷空間圖樣分布甚至掃描頻率等。其硬件結(jié)構(gòu)相當(dāng)復(fù)雜昂貴。聲光偏轉(zhuǎn)器法提供了高效的二維光鑷發(fā)生方法,但由于激光輪流照射在每一點(diǎn)光鑷上,為微粒提供了遠(yuǎn)離束縛位置的機(jī)會(huì),從而限制了這種技術(shù)的推廣。3.2光的計(jì)算機(jī)合成法目前廣泛采用全息技術(shù)產(chǎn)生陣列式光鑷。全息動(dòng)態(tài)投射和高級(jí)空間濾波可通過(guò)空間光調(diào)制器實(shí)現(xiàn)空間光調(diào)制器的出現(xiàn)使得實(shí)現(xiàn)虛擬衍射光學(xué)信息變得很方便,陣列光鑷的研究工作由此迅速展開(kāi)。該方法的缺陷是效率不高:由于需要經(jīng)過(guò)調(diào)制重新分配輸入光信息,所以能量損耗比較大。2002年P(guān).J.Rodigo等目前在生物學(xué)上應(yīng)用較多的是利用空間光調(diào)制器形成陣列光鑷的方法,已有研究者試圖將其應(yīng)用于分析某些化學(xué)材料對(duì)細(xì)胞貼壁性能的影響。另一全息式陣列光鑷裝置如圖5所示。計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的全息圖像衍射光柵使單光束激光轉(zhuǎn)換成多束獨(dú)立的光束,并可在三維空間中任意地改變其焦點(diǎn)位置。一個(gè)可由計(jì)算機(jī)控制的衍射元件3.3陣列光裝置干涉式光鑷是一種特殊類型的光鑷,它是利用兩束相干光的相干性形成的具有梯度變化的干涉場(chǎng)產(chǎn)生的?？赏ㄟ^(guò)采用多種干涉發(fā)生裝置產(chǎn)生條紋狀陣列光鑷,線性極化光與非極化光相比可以產(chǎn)生對(duì)比度更加銳利的明暗條紋,因而可以提供更強(qiáng)的梯度力圖6是條紋狀陣列光鑷裝置圖,其采用菲涅耳雙棱鏡裝置形成兩束相干光,利用玻璃板調(diào)節(jié)光程差,在樣品池處形成干涉場(chǎng)。調(diào)節(jié)兩棱鏡之間的距離d調(diào)節(jié)干涉場(chǎng)周期,即能改變條紋疏密。采用這種干涉式陣列光鑷能對(duì)凝結(jié)的血紅細(xì)胞進(jìn)行分離,梯度激光輻射場(chǎng)對(duì)體外染色體穩(wěn)定性及細(xì)胞凋亡等的影響分析都非常有意義。3.4不同排列陣列光雖然空間光調(diào)制器能夠靈活地調(diào)制每一象素點(diǎn)的光學(xué)性質(zhì),但需復(fù)雜算法來(lái)計(jì)算空間光調(diào)制器顯示屏幕上的顯示模式,所以人們開(kāi)始尋求新的方法來(lái)解決空間光調(diào)制器的不足。2001年YusukeOgura等VCSEL陣列是一種在半導(dǎo)體激光源上高密度排列的陣列,各VCSEL發(fā)射源通過(guò)高頻分量來(lái)控制,其發(fā)射強(qiáng)度由計(jì)算機(jī)獨(dú)立控制,最大光強(qiáng)能達(dá)到幾毫瓦,并且還能以兆赫茲的速度調(diào)制光強(qiáng),這種速度能與聲光偏轉(zhuǎn)器的調(diào)制速度相媲美。VCSEL陣列捕獲技術(shù)有許多優(yōu)點(diǎn),其中最重要的一點(diǎn)是陣列不需要額外的光學(xué)器件,能夠輕松地與微小光學(xué)器件配合使用。這意味著VCSEL陣列捕獲裝置能有效降低硬件系統(tǒng)的復(fù)雜性。VCSEL可靈活控制光斑的位置,從而可形成多種分布形式的陣列光鑷。圖7是一個(gè)典型的VCSEL陣列光鑷。計(jì)算機(jī)通過(guò)驅(qū)動(dòng)電流源來(lái)控制VCSEL的發(fā)射源。垂直腔面發(fā)射激光器表面的各個(gè)發(fā)射源發(fā)射不同的光束通過(guò)二色鏡進(jìn)入到物鏡形成陣列式光鑷。通過(guò)計(jì)算機(jī)控制垂直腔面發(fā)射激光器表面各發(fā)射源的光束強(qiáng)度,是否發(fā)射光束,還可以調(diào)節(jié)陣列光鑷各點(diǎn)的有無(wú)和光鑷的捕獲尺度。3.5光纖材料取得的重復(fù)使用對(duì)于通常的空間光調(diào)制器方法和垂直腔面發(fā)射激光器方式的陣列型光鑷,雖然能夠產(chǎn)生一定數(shù)量的陣列光鑷,但造價(jià)相當(dāng)昂貴,且兩者的光學(xué)傳遞效率也難以取得更大的突破。于是人們開(kāi)始把目光投向光纖材料,并最終取得成功。光纖束的使用打破了以往陣列數(shù)量的限制,使得陣列光鑷的發(fā)展研究進(jìn)入了新的階段。典型的光纖光鑷如圖8所示,整個(gè)裝置放在一個(gè)倒置的顯微平臺(tái)上,將入射的TEM4陣列光的應(yīng)用我國(guó)在光鑷的研究領(lǐng)域有一定基礎(chǔ),但主要集中在單光鑷技術(shù)上,其中李銀妹教授帶領(lǐng)的中國(guó)科技大學(xué)激光生物實(shí)驗(yàn)室在該領(lǐng)域處于國(guó)內(nèi)領(lǐng)先水平為了拓展光鑷的應(yīng)用領(lǐng)域,發(fā)展陣列式光鑷技術(shù),北京理工大學(xué)生物醫(yī)學(xué)工程系在國(guó)家自然科學(xué)基金資助下,進(jìn)行了“網(wǎng)狀陣列光鑷顆粒分離系統(tǒng)在細(xì)胞分離分析中的應(yīng)用”的研究。該方法屬于干涉式光鑷。5陣列光技術(shù)的出現(xiàn)光鑷已經(jīng)成為開(kāi)展分子生物學(xué)、細(xì)胞生物學(xué)等生命科學(xué)及介觀物理學(xué),微機(jī)電系統(tǒng)研究的有力