以全息光学陷阱制造、筛分和融合材料的装置和方法制造方法及图纸

公开了用来操纵、影响小电介质颗粒或其它材料间的相互作用、并以光化学方式对其转化和／或筛分的装置和方法。所述装置和方法涉及使用一或多个衍射光学元件，其各自接收单条激光束并形成多条激光束。这些激光束通过望远镜透镜系统且随后通过物镜元件工作，从而产生光学陷阱阵列，以操纵、影响小电介质颗粒或其它材料间的相互作用、并以光化学方式对其转化和／或筛分。本发明专利技术的一个目的是提供改进的方法和系统以用光学陷阱将外部物质融入到活细胞中。本发明专利技术的另一目的是提供改进的方法和系统以将光非吸收颗粒从光吸收颗粒中筛分出来。本发明专利技术还有一目的是提供用空间分辨光化学法来完成异质结构制造的改进的方法和系统。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】
本申请是申请日为2003年7月31日，申请号为03823510, 2，名称为以全息光学陷阱 制造、筛分和融合材料的装置和方法的专利技术专利申请的分案申请。本专利技术中涉及空间分辨光化学法(spatially resolved photochemistry)的这一部分是在美国政府资助下，利用全息光学陷阱 完成的，此资助系由国家科学基金以资助号DMR-9730189、及国家科 学基金的MRSEC计划以资助号DMR-9880595来提供。本专利技术中涉及 使用光学陷阱(optical traps)以从吸收颗粒中筛分出非吸收颗粒的这 一部分是在美国政府资助下完成的，此资助系由由国家科学基金以资 助号DMR-9730189来提供。本专利技术一般涉及以高聚焦光束、利用强照度和强度梯度(intensity gradients)来操作和调整细小电介质颗粒其它物质的方法和装置。特别 是，本专利技术涉及这样的方法和装置其通过由衍射光学元件如全息图 (hologram)或衍射光栅所引导的聚焦光束，产生光学陷阱或陷阱及多 种可供选择的光的强度模式中的任何一种，以将颗粒材料或其它受影 响的材料汇集或导引到一种期望的空间模式，以用于无数用途中的一 种用途。更特别的是，本专利技术涉及操纵、影响小电介质颗粒或其它物 质之间的相互作用、并以光化学方式来对其进行转化和/或筛分的方法。公知的是，可使用由单束光得到的光梯度力(optical gradient forces)来形成一个光学陷阱(也就是陷阱)，以改变浸入到液体介质 中的小电介质颗粒的位置，其中液体介质的折射率小于颗粒的折射率。 光学陷阱技术己得到推广，从而使得反射、吸收和低介电常数颗粒的 操纵也变为可能。同样，美国第6055106号专利(2000年4月25日颁 发)公开了用多个陷阱来操纵多个颗粒。然而，本专利技术的有关光学陷 阱的各种应用以前并不为人所知。最初由A.Ashkin等人所描述的光学陷阱现已成为一种常规方法， 用于陷获、移动及在不同情况下操纵物质的介观体积(mesoscopicvolumes)。参见A,Ashkin等人的Observation of single-beam gradient forces optical trap for dielectric particles (对于介电颗粒的单束梯度力光 学陷阱的观察)，Optics Letters 11, 288-290(1986)。他们操作的核心是 将陷获光的吸收减小到最低以避免损坏被陷获的物质。光学手术刀的 作用原理正相反，是使用高聚焦光束的能量来切入柔软物质。本专利 申请则公开并要求保护一种新颖的混合系统，其中聚焦激光束对不均 匀试样中的一些非吸收颗粒(nonabsorbing particles)起到光学陷阱的 作用，并同时对其它颗粒起到光学手术刀的作用。本专利技术的光学陷阱技术的另一种应用涉及通过破坏细胞膜而不导 致其完全损坏，且使物质通过破坏处移动，而将一些外部物质引入到 活细胞中。为此已开发出了许多方法，包括用来转染短尺寸DNA的病 毒载体、基因注射器(gene gun)及其用来转移较大片段的变体、及用 来完成跨膜扩散(transmembrane diffusion)的电穿孔，但看来还没有 哪种适合用来转移物理意义上大的物质，特别是在那些物质本身脆弱 的情况下。本说明书所描述的本专利技术的方法和装置便解决I这个问题 及其它问题。it匕外，可用全息光学陷阱来实现空间分辨光化学法，在以化学方 式分辨小结构方面，空间分辨光化学法相对于与之竞争的技术具有多 个优点。例如，用光学陷阱实现的空间分辨光化学法便于产生三维结 构，其特征从尺寸上构成了从光波长到宏观尺度的一小部分范围。虽 然诸如浸蘸笔纳米平版印刷术(dip-pen nanolithography)和微接触印刷 术(microcontactprinting)这类技术提供了更高的空间分辨率，但是它 们不能修正三维构造。已知有很多种光化反应，且其中任一种均可修 正空间分辨光加工(spatially-resolved photo-fabrication)。因此，空间分 辨光化学法比大多数微米及纳米加工法具备更高的适用性。用全息光 学陷阱来实现空间分辨光化学法，通过大幅提高其效率从而增强了此 基本方法的实用性。因此，本专利技术的一个目的是提供一种改进的方法和系统，其使用 一个和/或多个装置来同时建立多个光学陷阱，举例来说，上述一个和/ 或多个装置诸如是同时作用于一单个试样上的多个全息光学陷阱工 具，以及同时作用于一单体试样的多个光学陷阱和多个强度区域。本专利技术的一个附加目的是，提供一种新的方法和装置，其使用全 息图来产生光梯度场，从而控制多种颗粒或其它光学介质。本专利技术更进一步的目的是，提供一种用来建立多个光学陷阱的改 进的方法和系统，用于多种涉及小颗粒操纵的商业应用，例如光子电路(photonic circuit)的制造、纟内米复合材料(nanocomposite material)的应 用、电子部件的制造、光电子器件(opto-electronk devices)、化学和生 物传感器阵列、全息数据存储介质(holographic data storage matrices)的 组装、组合化学(combinatorial chemistiy)应用的简易化、胶体自组装 (colloidal self-assembly)的开发、及生物材料的操纵。本专利技术的一个更进一步的目的是，提供一种改进的方法和系统， 其使用光学陷阱来将外部物质融入到活细胞中。本专利技术还有一个目的是，提供一种改进的方法和系统，其从光吸 收颗粒(optically absorbing particles)中筛分出光'非吸收颗粒(optically nonabsorbing particles)。本专利技术还有一个目的是，提供一种改进的方法和系统，其使用空 间分辨光化学法来完成异质结构(heterogeneous structures)的制造。本专利技术还有一个目的是，提供一种改进的方法和系统，用来对不 同颗粒的筛分应用，建立在时间上和空间上均变化的光梯度场(optical gradient fields)的形态。本专利技术还有更进一步的目的是，提供一种新的方法和系统，其使 用与一个或多个衍射光学元件相协作的一条或多条激光束，来建造可 选择的光学陷阱的时变的和/或特定的空间阵列，以操纵电介质金属材 料和其它材料。本专利技术另外还有更进一步的目的是，提供一种改进的方法和系统， 其使用单输入激光束、衍射光学元件、及会聚透镜来形成静态或动态 的光学陷阱，此光学陷阱与其它这样形成的光学陷阱相协作，可被用 来操纵、影响细小电介质颗粒或其它材料的相互作用，以光化学方式 改变和/或筛分细小电介质颗粒或其它材料。本专利技术此外还有更进一步的目的是，提供一种改进的方法和系统， 其以一光束扫描系统来利用入射到衍射光学元件的激光束，从而使光 学陷阱阵列的扫描得以用于多种商业用途。本专利技术此外的另一目的是，提供一种新的方法和装置，其使用激 光束、衍射光学元件和会聚光学系统来构造光学陷阱的布局，以在相 对于物镜焦面的可选择位置上，形成该陷阱的布局。本专利技术的另一个目的是，提供一本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种使用一个或多个光学陷阱从吸收颗粒中筛分出非吸收颗粒的方法，所述方法包括：　　　　提供一衍射光学元件，用以接收一条激光束并形成多条独立激光束；　　　　提供一聚焦元件，其位于所述衍射光学元件的下游，所述衍射光学元件与所述聚焦元件相配合，分别会聚每条所述激光束而形成一实质聚焦光斑，以使用对应于每个颗粒的其中一条所述激光束，为每个所述颗粒在所述光斑内形成一独立的光学陷阱；　　　　使吸收颗粒和非吸收颗粒通过所述光学陷阱，由此令光的吸收非特定地平整所述吸收颗粒，而将其缩小为较小碎片；　　　　分离所述小碎片，而在所述光学陷阱中留下未受损害的所述非吸收颗粒；及　　　　将所述非吸收颗粒从所述光学陷阱中除去。

【技术特征摘要】
US 2002-8-1 10/210,5191.一种使用一个或多个光学陷阱从吸收颗粒中筛分出非吸收颗粒的方法，所述方法包括提供一衍射光学元件，用以接收一条激光束并形成多条独立激光束；提供一聚焦元件，其位于所述衍射光学元件的下游，所述衍射光学元件与所述聚焦元件相配合，分别会聚每条所述激光束而形成一实质聚焦光斑，以使用对应于每个颗粒的其中一条所述激光束，为每个所述颗粒在所述光斑内形成一独立的光学陷阱；使吸收颗粒和非吸收颗粒通过所述光学陷阱，由此令光的吸收非特定地平整所述吸收颗粒，而将其缩小为较小碎片；分离所述小碎片，而在所述光学陷阱中留下未受损害的所述非吸收颗粒；及将所述非吸收颗粒从所述光学陷阱中除去。2. —种通过光化学法在材料上产生多个空间分辨结构的方法，其使用以下 至少其中之一多个全息光学陷阱及一光学陷阱配合的...

【专利技术属性】
技术研发人员：DG格里尔，ER杜费斯尼，
申请(专利权)人：芝加哥大学，
类型：发明
国别省市：US[美国]