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5生命学院外文文献英文文献外文翻译中英对照微粒混合物的实时交互式光学微操作大学毕设论文

高低折射率微粒混合物的实时交互式光学微操作

PeterJohnRodrigoVincentRicardoDariaJesperGlückstad

丹麦罗斯基勒DK-4000号，Risø国家实验室光学和等离子研究系

jesper.gluckstad@risoe.dk

http:

//www.risoe.dk/ofd/competence/ppo.htm

摘要：

本文论证一种对于胶体的实时交互式光学微操作的方法，胶体中包含两种折射率的微粒，与悬浮介质（

）相比，分别低于（

）、高于（

）悬浮介质的折射率。

球形的高低折射率微粒在横平板上被一批捕获激光束生成的约束光势能捕获，捕获激光束的横剖面可以分为“礼帽形”和“圆环形”两种光强剖面。

这种应用方法在光学捕获的空间分布和个体几何学方面提供了广泛的可重构性。

我们以实验为基础证实了同时捕获又独立操作悬浮于水（

）中不同尺寸的球形碳酸钠微壳（

）和聚苯乙烯微珠（

）的独特性质。

©2004美国光学学会

光学分类与标引体系编码：

（140.7010）捕获、（170.4520）光学限制与操作和（230.6120）空间光调制器。

1引言

光带有动量和角动量。

伴随于光与物质相互作用的动量转移为我们提供了在介观量级捕获和操作微粒的方法。

过去数十年中的巨大发展已经导致了在生物和物理领域常规光学捕获的各种应用以及下一代光学微操作体系的出现[1-5]。

1970年，阿斯金（Ashkin）验证悬浮在水中的透明电介质微球朝着高斯光束光强分布最强的光轴被径向牵引[6]。

他用相对折射率

比1大的乳胶微球观察到该现象（

，

和

分别为微粒和悬浮介质的相对折射率）。

在朝着较强光强区域的径向牵引下，高折射率微粒由于轴向散射力的作用沿坡印亭矢量的方向加速。

另一方面，阿斯金指出，对于水中的气泡（

）由于光强梯度的原因，径向力的强度分布是相反的；因此，低折射率的微粒沿光束轴心方向被排斥。

阿斯金和他的合作者随后证实了将一束高斯光束牢牢聚焦于一颗高折射率微粒时，轴向力由于光强梯度的原因也产生了，强度足以抵消散射力，从而实现了对微粒的稳定三维约束[7]。

但是，静态的紧聚焦高斯光束并不对低折射率粒子产生约束能力。

低折射率微观粒子的光捕获需要具有圆环形光强剖面的光束。

一种最直接的方法就是在捕获面上应用支持时分复用的、期望得到光束图的高速可偏转镜。

在区域圆轨迹上扫描激光束会生成将低折射率粒子限制在其暗圆心的光环[8]。

低折射率粒子也能被聚焦的TEM01*模激光束形成的光学漩涡捕获[9]。

光学漩涡已经用于在沿激光轴的两个相邻位置同时捕获高低折射率球粒[10]。

低折射率微粒也在两束相干平面波交汇的目镜其焦平面上产生的明干涉条纹边缘处被捕获[11]。

不过，对大批量的高、低折射率微粒动态的、并行的操作还没有在以上技术中实现。

在这里，本文论证一种对高、低折射率微粒混合物的实时的、用户交互式操作的方法，该方法读取二维相图，利用广义相差的方法，使用可编程空间光调制器将二维相图编码成输入光束，以生成在横平板上对混合物微粒有光学限制的符合要求的光强分布。

对于球形微粒，可使用具有径向对称性质的捕获光束。

在使用横剖面是礼帽形的捕获光束时，高折射率微球在捕获面上被有效地捕获和操作[12,13]。

在另一方面，低折射率微粒被横剖面是圆环形的光束捕获[14]。

经验证，与其他方法不同，广义相差方法很容易地既提供生成对高、低折射率微粒可独立操作的光学势阱的能力，和对两种类型微粒实行实时任意动力学操作的灵活性。

这种优秀性能可以使应用于石油、食品和药品加工领域的空气泡中微粒封装和油包水胶状液的加工变得方便。

2实验

胶体微粒的捕获和操作用图1所示的实验装置实现。

系统利用连续波（CW）倍频掺钕钒酸钇（Nd:

YVO4）激光（532nm，光谱物理，MilleniaV）泵浦连续波掺钛蓝宝石（Ti:

S）激光（波长可调谐，光谱物理，3900s）。

掺钛蓝宝石激光器利用内置石英滤光片选择在近红外光谱内700到850纳米长作为工作波长。

在此实验中，工作波长被设定为

。

依靠掺钕钒酸钇激光最大0.5W的泵浦能量，掺钛蓝宝石激光能提供最大1.5W的能量。

激光经过扩束校正后，入射到反射式纯相位空间光调制器中。

应用平行式向列相液晶（滨松光子技术）的空间光调制器由计算机视频输出控制的视频图像阵列-分辨率（480x480像素）液晶投影元件编址。

图1，同时在捕获面上进行高、低折射率微粒操作的实验装置。

入射到空间光调制器中的扩束激光来自可视连续波掺钕钒酸钇激光泵浦的掺钛蓝宝石（Ti:

S）激光。

在电脑的控制下，任意二维相图被编码到反射空间光调制器上。

高对比度的相图光强度映射在像平面（IP）上形成，通过薄透镜的部分反射被CCD摄像机捕获。

光强分布被光学中继到捕获面上。

标准明视场检测被用于观测被捕获的微粒。

PCF：

相差滤光镜，Ir：

可变光阑，L1、L2和L3：

透镜，MO：

显微镜物镜，DM：

双色镜，TL：

套管透镜。

我们用空间光调制器将一可编程的二维二进制相图（0或π相位延迟）刻印到830nm激光束的波阵面。

相位调制的波阵面引入一个由透镜L1、L2和位于傅里叶平面上的相差滤光镜（PCF）组成的4-f滤光系统。

相差滤光镜由光学平面镜和其上所镀的直径30μm圆形透明光刻胶（Shipley,MicropositS1818）的结构组成。

傅里叶平面中心的相差滤光镜在相位编码光束的低和高空间频率分量之间引入了π的相移。

空间光调制器可变光阑（Ir）的直径和轴上相差滤色镜做了调整，以优化输出光强分布的通过量和对比度[15]。

在像平面（IP）上产生高对比度的光强分布，其大小成几何级数地与在空间光调制器上的相图相等。

一片薄透镜插入光路，将一小部分光（约3%）对准CCD摄像机，以监视输出光强分布。

在像平面上的光强图形通过透镜L3和显微镜物镜按比例中继到共轭面。

倒置显微镜（莱卡，DM-IRB）的荧光口用于通过二色镜引导近红外激光到显微镜物镜的后聚焦面。

同一显微镜物镜和内置显微镜套管透镜允许第二个CCD摄像机捕获明视场图像。

通过广义相差方法在在像平面合成的光强图形的质量如图2所示，横剖面是礼帽形和圆环形的大小不同的光束在横平板

平面的不同位置生成。

实现最优光强差的条件在以前的广义相差方法分析中有所描述[15]。

最优相位-光强转换要求空间光调制器编码π相移的区域和编码0相位的区域之比小于等于0.25，以匹配空间光调制器可变光阑和相差滤光镜工作直径。

当条件满足时，捕获图形的最大光强近似等于空间光调制器输入光束平均光强的四倍。

图2，在输出平面IP上测量高对比度光强图形。

相应的表面强度被绘制出来，代表（b）礼帽形（在黄色方框内）和（c）圆环形或面包圈形（在绿色方框内）捕获光束。

具有礼帽形横切光强剖面的捕获光束很好地为高折射率微粒提供了径向对称势能，如图3（a）所示。

当礼帽形光束置于高折射率微粒附近时，微粒被吸引至光束轴处。

我们先前已经观察到光束直径稍大于微粒直径的激光提供了更好的横向限制，特别是当被捕获的微粒在水平面移动时[12]。

相比之下，对于低折射率微粒，礼帽形光束充当着势能屏障的角色。

由于在光束中心不稳定，低折射率微粒被排斥到光势能的两侧，如图3（a）所示。

此实验中，我们用去离子水做悬浮介质，以碳酸钠玻璃材料（Polysciences）球形微壳做实验，现象很明显。

充气中空玻璃微球的壳厚约1μm，外直径从2到20μm不等。

外直径大于5μm的空心玻璃微球在水中（

）有效地表现低折射率微粒特性。

相似的空心玻璃微球的平均密度约是0.2g/mL，有效折射率

[9]。

图四所示的为直径6μm空心微球在礼帽形激光束存在下的情况。

图片的顺序显示了低指数微粒受较强光强区域的排斥而位移。

图3，在礼帽形光强横剖面光束下，高（实线）、低（虚线）折射率微粒光势能（a）图解；在圆环形光强横剖面光束下低折射率微粒的光势能（b）图解。

图4，（AVI，1.656MB）碳酸钠空心玻璃微球在电脑鼠标控制的礼帽形光强剖面捕获光束作用下发生偏移。

每幅图中的箭头所指位置是光束的即时位置。

图解比例尺，10μm。

低折射率微粒处于横剖面光强分布为圆环形光束的中心势能最小的位置，如图3（b）所示。

然而，与高折射率微粒向着礼帽形光束中心自然吸引不同，低折射率微粒不是稳定地被牵引到圆环光束的中心处。

从边缘区域到圆环的暗中心区域，低折射率微粒要克服与光束明环条纹的势能屏障。

下面验证一套可以利用低折射率微粒的光强梯度诱导斥力的方案。

我们准备的样品在30μm厚的玻璃样品池中，是浸没于去离子水中的聚苯乙烯微球（折射率

，BangsLaboratories）和低折射率空心微球的混合物。

样品放置在显微镜载物台上。

由于密度不同，聚苯乙烯微球（1.05g/mL）沉降到玻璃样品池的底部表面上，而空心玻璃微球（0.2g/mL）则浮到样品池上部。

显微镜物镜的轴向校正允许我们观察到两种不同类型的微粒。

为了使更多的粒子进入特别的区域，我们生成和扫描一束纵向激光波束图，以使低折射率微粒在扫面方向上微粒同时偏转，如图5所示。

低折射率微粒的粗筛可以应用具有用户图形界面的线性波束图非机械的扫描实现，亦可有显微镜在舞台的水平位移实现。

这项简单的程序允许我们将许多低折射率微粒直接牵引到工作区域内，这样含有聚苯乙烯微球可直接在工作区下方找到。

图5，（AVI，1.126MB）在x-y平面上，扫描明线性光强波束实现低折射率微粒到指定区域的粗筛。

箭头（第一帧图）所指为扫描方向。

图解比例尺，10μm。

在空间光调制器上实时交互式地生成和改变相图的能力允许每一个环形势阱独立地启动与关闭，使其横向移动，正确地落到符合要求的微粒的位置。

在图6中，我们演示了用面包圈形光势阱捕获低折射率微粒的步骤。

在第一帧图中，面包圈形光势阱定位到一颗几乎处于视场外的微粒旁边。

势阱从起始位置直接移到微粒的位置上然后轻轻地移到观察区域的中央。

在第三帧图中，单击计算机鼠标增加新的势阱，捕获一个尚未捕获的微粒。

在后续帧图中完成同样的程序直到四个微粒都被捕获，如第十五帧图所示。

一旦所有微粒被捕获，他们被排成菱形阵型（第二十帧）让后再变成线性排列（第二十五帧）。

微粒的大小从6μm到10μm不等，相应的面包圈形光势阱通过计算机鼠标点击和拖拽操作被设置成直径和厚度与微粒接近的尺寸。

图6，（AVI，2.512MB）用面包圈形光势阱捕获不同尺寸空心玻璃微球的用户交互式程序。

高折射率聚苯乙烯微球靠对应的礼帽形横剖面的光势阱被从样品池底部表面牵引起来。

因为加速上升，高折射率小球出现在与原先所处的样品池上部低折射率微球的近焦区域内。

高折射率微粒被礼帽形激光束牵引到玻璃样品池的上表面的同时，环形光势阱亦生成，以捕获低折射率微粒。

图7展示了高、低折射率微粒混合物同时分别被礼帽形和圆环形光束捕获的情况。

微粒根据与悬浮介质相比系数的不同，从混乱的空间分布中被逐个移动和分类。

此过程描述了广义相差方法在实时产生具有任意（对称和非对称）空间分布捕获图形的通用性。

图7，（AVI，1.113MB）水溶液中碳酸钠空心玻璃微球和聚苯乙烯微珠不均匀混合物的捕获和用户交互式分选图像序列。

（a）微粒首先被适当的捕获光束俘获，然后（b-c）一个一个地移动。

每个捕获点光束的大小等比与相应微粒的大小。

箭头所指方向为微粒移动的方向。

（d）光捕获的高折射率微粒（下面一行）、低折射率微粒（上面一行）被分成两行。

图解比例尺，10μm。

除了逐个地操作高、低折射率微粒的能力，该系统也允许预先设定每个捕获光束的移动的路径和速度。

这样的实验如图8所示，一列高折射率聚苯乙烯微球和一列低折射率微球在相应捕获激光作用下同时开始摆动运动。

捕获光束的动力学限制因素（但不是必要的，微粒操作的速度）是空间光调制器内液晶的反应时间。

对于实验中的基于向列相液晶的空间光调制器，响应时间（空间光调制器的像素在0和π相位延迟的两个极端状态转换需要时间）在100ms左右。

在捕获面上，这相当于2.5μm·s-1的最大平均速度，在该速度下，捕获激光束在单个像素图像水平上数字化地位移。

更快的移动势阱的平均速度可以通过多于一个像素的数字位移实现。

然而，这也会导致势阱粗糙地或者说更为离散地运动。

值得注意的一点是，和其他方法不同，广义相差法仅需要（但不限于）两种相位状态去生成任意对称的二维光强图形。

这种鲁棒性允许我们将基于二元空间光调制器的更快的响应时间的特点应用到其他技术上（例如，铁电体液晶、多量子阱器件、基于微机电系统（MEMS）的设备），从而实现更快且平滑的捕获移动。

另一方面，保持微粒在势阱中不脱离的情况下可以被搬移的速度取决于势阱的刚性和在粘性介质中移动的微粒诱导的流体阻力。

礼帽形和圆环形激光束的势阱刚性可能凭进入空间光调制器中输入光束能量的增加而增加。

图8，（AVI，1.518MB）同时移动的高、低折射率微粒通过预编程动力，被限制在各自的光势阱中。

相邻帧的时间间隔约为15秒。

图解比例尺，10μm。

3结论

本文已经验证了实时用户交互式光强剖面可定制的捕获激光阵列对于和悬浮液体介质相比具有相反系数的极小微粒的交互式操作用途。

悬浮于水中高、低折射率微粒能在分别具有礼帽形和圆环形横剖面的捕获光束中找到限制光学势能。

据悉，这是第一个利用光学势阱对多个高、低折射率微粒同时捕获和实行用户控制操作的演示。

任意形状捕获光束的形状布局是从空间光调制器编码的相图的光效率转换到相应的光强密度分布，用广义相差的方法获得的。

尽管原则上广义相差法在其他工作波长下是适用的，但生物无损伤近红外激光源（如830mn）的使用致使该系统在水溶液中细胞繁殖的光学操作十分具有吸引力。

最后，我们预计该技术为研究在包含高、低折射率微粒的各种液相系统中的微粒动力学提供了一个通用的工具，具有光学动力，特别是用不规则几何或不均匀光学属性制造微结构的能力[16]。

致谢

感谢欧洲科学基金会和丹麦自然科学研究委员会Eurocores-SONS计划对该项研究的支持。

感谢滨松光子技术的T·Hara和Y·Kobayashi以及制造相差滤光镜的J·Stubager。

参考文献

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