用于施加光学梯度力的改进的设备、系统和方法技术方案

本发明专利技术主要涉及一种产生并控制用以操纵微粒的光学阱阵列。具体地，本发明专利技术涉及一种双重功能的光学元件，该元件能够将激光衍射成射束，并且会聚该射束（作为用于激光的虚透镜），从而不必需要多个实透镜将衍射激光束传输给聚焦透镜。本发明专利技术还涉及通过限制由于未衍射激光造成的反射和分散噪扰量，以改进对光学阱的监控。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】
本专利技术总体涉及光学阱。具体地，本专利技术涉及用于施加光学梯度力以形成多个光学阱来操作小微粒的设备、系统和方法。
技术介绍
光学镊子是一种利用聚焦光束的梯度力来操作介电常数比周围介质高的微粒的光学工具。为了使其能量最小化，这种微粒将向电场最强的区域运动。就动量而言，聚焦的光束产生辐射压力，由一个微粒通过光的吸收、反射、衍射或折射产生微小的力。由辐射压力产生的力基本上可以忽略不计，一个光源、例如以10mW工作的二极管抽运Nd:YAG激光器仅产生几微微牛顿的力。然而，几微微牛顿的力足以操作小微粒。可以用于操作小微粒的其它光学工具包括但不限于光学涡流、光学瓶、光学旋转器和光笼。光学涡流尽管与光学镊子用途类似，但是工作原理相反。光学涡流在零电场的区域周围产生一个梯度，这对于操纵介电常数低于周围介质的微粒、或者具有反射性微粒、或被光学镊子所排斥的其它类型的微粒是有用的。为了使其能量最小化，这种微粒将向电场最低的区域、即向在适当形状的激光束的焦点处的零电场区域运动。光学涡流提供一个非常类似于环形室(电子回旋加速器室)中的空位的零电场区域。在环形室周围，光学梯度以最强的电场辐射。光学涡流将小微粒滞留在环形室的空位中。这种滞留是通过涡流在小微粒上沿着零电场线滑过而实现的。光学瓶与光学涡流的不同点在于，其仅在焦点处具零电场，并且在涡流的一端具有一个非零电场。光学瓶可以用于捕获那些太小或太具有吸收性而不能用光学涡流或光学镊子捕获的原子和纳米团簇。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。光学旋转器是最近公开的光学工具，它提供了一种捕获物体的悬臂模式。变换模式可以使被捕获的物体旋转。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。这种类型的工具可以用于操纵非球形的微粒并且驱动MEMs装置或纳米机械。Neal在美国专利No.5,939,716中公开的光笼是一种宽泛的可目视的光学涡流类设备。光笼形成围绕着一个太大、太具有反射性或者具有低于周围介质的介电常数的微粒的光学涡流环。如果说光学涡流类似于一个环形室，则该光笼类似于一个充糊(jelly-filled)环形室。环形室空位(对于涡流而言)是零电场区，而充糊则是低电场区。总体而言，形成环形室的多个光学镊子的梯度力向着也可以被认为是位于多个光学镊子之间的不明亮区的充糊“推动”具有比周围介质低的介电常数的微粒。然而，与涡流不同，产生了一个非零电场区。在描述光学阱阵列的Grier and Dufresne的美国专利No.6,055,106中，可以获知一种采用具有衍射光学元件的单束激光形成多个聚焦形成光学阱阵列的衍射激光束。该专利提出采用物理传输透镜将一个衍射的激光束导向聚焦透镜的后孔径。多个实透镜被用于引导和将激光束重叠在聚焦透镜的后孔径处，使激光束充分重叠以获得至少为0.8的有效数值孔径(NA)，如Chu and Kronis的美国专利No.5,079,169所述，0.8被认为是在三维空间中捕获和操纵微粒所需的最小NA。美国专利No.6,055,106中公开的设备的缺点是，各透镜需要相对大量的物理空间以进行操作，并且各透镜必须被维护、清洁和对齐。熟悉传输透镜系统的人将认识到，在系统中的透镜数目越多、则未对准的可能性越大，并且还存在其它维修问题。因此，需要减少用于形成光学阱阵列的传输透镜系统中的透镜数目。本专利技术可以满足这一需要。在美国专利No.6,055,106中描述的用于监控光学阱活动的通常形式是在激光束路径中放置一个分束器，并从而产生一个光学数据流。这种形式的局限在于，噪扰对于光学数据流的有害影响。在光学阱方面，噪扰指的是对光学阱的成像、测量和/或观察、它们的内容、或者周围区域造成影响，这是由于透镜不完美、灰尘、污垢或因未对齐而导致未衍射的聚焦光束或能量存在于系统中、光线从光学阱发散、以及光从物理传输透镜系统中的一个透镜被反射或衍射所造成的。如美国专利No.6,055,106所述，一种减少噪扰的途径是相对于衍射元件以一个倾斜的角度引导激光束，从而促使未衍射的光束远离物镜。尽管对于其所希望达到的目的是有用的，但是仍然存在其它噪扰源。因此需要减少或消除由于产生光学阱阵列的系统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扰。本专利技术同样可以满足这一需要以及其它需要，并且提供相关优点。
技术实现思路
本专利技术提供一种仅采用单一物理传输透镜来产生、监控和控制光学阱阵列的新型和改进的方法、系统和设备。通过过滤或屏蔽掉由系统中的分散、未衍射和反射光引起的“噪扰”，本专利技术也改进了光学阱的监控和控制。在产生多个光学阱的系统中，通过将一个透镜功能编译(encoding)在一个衍射光学元件中，消除或减少了多个传输透镜。该衍射光学元件还可以改变任何光束的相位。通过编译衍射光学元件以会聚多个光束，本专利技术创造了采用单个实透镜传递多个光束并将它们重叠在物镜的后孔径上、并形成贯穿的光学阱的有利条件。在一个基本形式中，本专利技术(图1A)为一个聚焦的光或能束，例如由衍射光学元件衍射的单一激光束，所述衍射光学元件具有编码透镜功能。该激光束被衍射成多个光束，并且每个光束也被衍射光学元件会聚并随后引导至单一传输透镜，该单一传输透镜又将多个光束引导并重叠到聚焦透镜(例如显微镜的物镜)的后孔径上，从而形成多个光学阱。为了改变给定光学阱的位置，形成该光学阱的光束通过衍射光学元件可以被调整到一个新的位置，从而改变由此产生的光学阱位置。可以增加一个运动的反射镜(图1D、1E、2和4)，以便整体地改变所有光学阱的位置。在一些情况下，单一传输透镜的运动也可以令人满意地用于改变给定光学阱的位置。用单透镜移动系统有选择地产生和控制光学阱阵列对于许多商业应用是有用的，例如光学回路设计和制造、纳米复合材料的构建、电子部件的制造、光电子、化学和生物传感器阵列、全息数据存储矩阵组件、驱动MEMS的能源或光马达、对组合化学的促进、胶体自组装的推广、生物材料的控制、生物材料的审查、所定的生物材料的浓缩、生物材料特性的研究、以及生物材料的检验等。在本专利技术的一些实施例中(图2和4)，通过在聚焦透镜之前将一个分束器置于光束路径中并随后引入一个滤光器以限制未衍射的、分散的或反射的光线沿着光学数据流通过、并因此减少可以扰乱光学数据流的图像或其它监控的噪扰，可以对光学阱阵列的活动进行实时观察。还可以将一个用于调节整个光学阱阵列的位置的运动的反射镜与分束器结合起来(图2和3)或者添加到系统中(图4)。通过周期性地切断激光(图3)并监控光学数据流、和/或通过当激光器打开时切断光学数据流，可以减小噪扰。在参照附图的说明中将部分地提到本专利技术的本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种用于形成多个可动光学阱的方法，该方法包括：产生聚焦光束；将聚焦光束引导至具有可变光学表面的相位图案形成光学元件，以便形成从该相位图案形成光学元件发出的多个射束，各射束具有一个相位分布；通过相位图案形成光学元件使从 相位图案形成光学元件发出的射束在相位图案形成光学元件和一个单个传输透镜之间的一个位置会聚；引导从相位图案形成光学元件发出的射束通过单个传输透镜，以使射束在一个聚焦透镜的后孔径处重叠；以及使从该聚焦透镜发出的射束会聚以形成多个 光学阱。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】...

【专利技术属性】
技术研发人员：戴维格里尔，沃德洛佩斯，埃里克迪弗雷纳，
申请(专利权)人：阿尔利克斯公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]