通過形狀相位全息攝影擴展的光阱的製作方法

2023-08-09 10:36:06

專利名稱：通過形狀相位全息攝影擴展的光阱的製作方法
技術領域：
本發明一般地涉及一種用於可控地建立用於處理材料以用於多 種用途的擴展光阱的系統和方法。具體地，本發明涉及使用形狀相位 調製或者全息攝影來建立多種形狀的光阱，用於操控、定位、製造和 處理從納米到微米尺寸物體的物體。
背景技術：
已經在現有技術內進行了各種嘗試來將單點類光阱擴展為線、曲 線和三維形狀，但是在所有這樣的工作內固有地存在嚴重的缺陷。例 如，已經使用圓柱透鏡或者其全息攝影等同物實現了線鉗。但是，使 用圓柱透鏡形成的線被嚴重的散光變差，因此不能在三維上陷落物體。 圓柱透鏡也不能產生更一般的結構，而僅是線性擴展的陷阱。也已經 使用在Keplerian望遠鏡內布置的多對圓柱透鏡形成了線阱。雖然這 樣的線阱可以沒有散光，但是它們的形狀是固定的，並且不能改變它 們的強度和相位分布。這樣的線阱也與全息光阱技術不兼容，因此不 能與可能通過全息投影產生的多種陷阱能力集成。在另一種現有技術 的方法內，已經通過光阱的時間共享或者掃描而建立了擴展的光阱。 這種方法具有下述的各種缺點。在另一個現有技術方法內，可以通過傳統的全息技術來投影擴展 的光阱。這種手段不允許一般的三維結構來用於投影線，並且受到投 影缺陷的影響，諸如光斑。作為本發明的說明書的一部分，以下說明 另外的缺點，由此演示本發明相對於現有技術的實質優點。發明內容單束光學梯度力陷阱可以被一般化以沿著具有預定強度的指定 的曲線或者體積建立其影響域，以限定光阱影響的線和體積。可以通 過使用形狀相位調製或者全息攝影來產生這樣的擴展的光阱和伴隨的 影響域。其可以進一步擴展到投影多個這樣的陷阱。圓柱透鏡可以例 如被實現來用於一維的勢能井，以操控納米尺寸到微米尺寸的物體。 在單個的、定製的和良好特徵化的擴展勢能井內陷落一個、兩個或者多個這樣的物體在下列領域內有應用處理監控、質量控制、處理控 制和納米製造以及研究和其他領域。最簡單的圓柱透鏡採取所謂的線鉗(line tweezer )的形式，其中， 適當結構的光束聚焦到線段，而不是點。已經使用圓柱透鏡或者使用 其全息等同物實現了這樣的線鉗。但是，結果產生的陷阱具有一些不 良特性。使用圓柱透鏡投影的線阱實際上具有被嚴重的散光變差的傳 統光鉗的三維結構。因此，其沿著在一個平面上的一個軸聚焦到一條 線，並且聚焦到在另一個平面內的垂直線。所述兩條線在光束軸上交 叉，這降低了在那個點的軸強度，因此，嚴重地影響了這樣的陷阱陷 落三維物體的能力。圓柱透鏡也可以僅投影單個線鉗，並且不控制沿 著線的強度和相位分布。最後，圓柱透鏡僅可以投影線性的擴展的光 阱，而不是更一般的結構。以下所述的系統通過下述方式允許這樣的 缺點通過允許建立一個或多個擴展的光阱，其中每個聚焦到在指定 的陷落總管(trapping manifold)上的單個曲線，並且其中每個具有 沿著其長度的獨立指定的強度和相位分布。在現有技術內，也已經通過在視場上快速地掃描單個光鉗來在時 間共享的意義上建立擴展的光阱。如果光鉗足夠快地移動，則被陷落 的物體不能跟上光鉗，而是經歷了擴展的位勢，其特性反映了光鉗的 通過的時間平均值。這具有缺點需要高峰值的雷射功率來保持甚至 普通的平均井深，並且這可以使得光敏採樣變差。被掃描的雷射也可 以施加短暫的能量或者脈沖到短時間照亮的物體，這會導致較小但是不良的不平衡效應。最後，被掃描的光鉗通常僅工作在單個平面內， 而不沿著三維的更一般的曲線。在此所述的系統通過在被投影的陷阱 的其整體長度上提供連續的照明而避免了這些缺點。這樣的系統也能 夠沿著三維曲線投影擴展的光阱，如下所述。也可以通過傳統方法來投影擴展的光阱。在這種情況下，僅相位 或者僅幅度全息編碼期望的曲線被投影到採樣內。但是，大多數這樣 的全息攝影不指定被投影線的三維結構，因此不優化全部三維的光阱 所需要的強度梯度。傳統的全息線阱也受到諸如光斑的投影缺陷的影響。這些以下述方式改變了沿著被投影曲線的強度分布使得意欲的 勢能井結構變差。因為對這樣的全息線阱編碼的相位轉移函數以固有 的非線性方式關聯於被投影的強度模式，優化以校正投影缺陷變得困 難。在此所述的系統通過以相位全息的形狀以及以其相位值編碼相位 和幅度信息而避免了這些困難。結果是可以自適應地優化的特定的、 平滑地改變的陷阱模式。例如，在一個優選實施例內的陷阱沿著與光 軸垂直的線最佳地擴展，並且實際上可以沿著所述線施加任何光分布 強度或者相位分布。這樣的光照明可以沿著所選擇的線(或者如下所 述的曲線)連續，以便可以使用低強度，由此避免了採樣損害。如果 使用適當的相位和幅度全息，可以通過傳統的全息陷阱系統來建立這 些類型的擴展的光阱。這些擴展的線阱也可以用於另外的陷落形式， 諸如光學渦系，其可以與擴展的光阱混合，並且通過對於被設計來實 現新的功能的光的波前上的特定操作來限定每個形式。通過下面結合附圖詳細說明，本發明的這些和其他目的、優點和 特徵以及其組織和操作方式將變得明顯，其中，在下述的幾個附圖內， 類似的元件具有類似的標號。


圖1圖解了用於投影擴展的光阱的光阱的示意圖；圖2圖解了編碼不均勻亮度的線鉗的相位掩模函數；圖3A圖解了被計算的強度模式；圖3B圖解了試驗模式；圖3C圖解了擴展的光阱，其對齊和陷落直徑上1.5並且浸沒在水內的幾個 聚苯乙烯泡沫塑料球；圖4A圖解了用於成像全息線鉗橫向和縱向強度分布(圓周)的 像片的高斯計算；插圖是被投影的光的圖像，圖4B是用於在1.5亳瓦 雷射功率的、1.5微米直徑的在水內的聚苯乙烯泡沫塑料球的被測量的 勢能井，虛線示出了拋物線的擬合；圖4C是具有投影光開始的均勻 線計算；圖4D是在線上陷落的幾個球體的亮度場圖像；圖4E是雙井 平面頂部輪廓的計算，並且具有投影光插圖；圖5圖解了用於使用計算機產生的全息圖來投影擴展的光阱的另 一種系統；圖6A圖解了沿著軸傳播的光鉗的三維重建；圖6B是在xy平面 內的截面；圖6C示出了在yz平面內的截面，並且水平虛線表示相位 z = Zo，其中，其xy部分被獲得，圖6D示出了在xz平面內的截面， 插圖等效面圍繞入射光的95%;並且在圖6C內的定標線條表示5微 米，並且在每個平面內的截面是在圖6D內的插入尺寸的灰度級強度 水平。圖7A圖解了在圖7B的體中心的立體網格內布置的35光鉗的體 積表示；圖8A-8D圖解了圓柱線鉗的重建，並且應當與作為它們各自的 相對方的圖6A-6D相比較。圖9A-9D圖解了按照本發明的一個實施例的全息光線阱的三維 依序重建，並且應當與圖6A-6D和8A-8D相比較。
具體實施方式
圖1示意地表示可以用於投影擴展的光阱的典型光學系統90。激 光器100將光束110投影到物鏡120，物鏡120將光束聚焦到在採樣 130內的光阱內。通常，需要光束擴展器140以便光束的直徑匹配聚 焦透鏡120的輸入孔徑，以形成最強可能的光阱。在這個實現方式內， 示出了分色鏡150，其將光束IIO反射到物鏡120內。這允許建立與線阱交互的物體的圖像，成像光通過分色鏡150。在典型的實現方式 內，成像光可以被聚焦透鏡200聚焦在採樣130上，被物鏡120收集， 並且被目鏡220中繼到照像機210。如果沒有附加功能，則這個系統90將投影單個傳統的光鉗。適 當配置的衍射光學元件(DOE) 300和附加的中繼光學器件310的增 加使得系統90能夠投影擴展的光阱。在圖1內的最優選的DOE 300 是空間光調製器(SLM)，其是通常在計算機控制下能夠編碼限定衍 射光學元件的相位調製的模式的器件。當要投影線阱形成全息圖序列 時，DOE300的SLM形式特別有益，但是對於本發明的實踐不需要。 在其中需要擴展的光阱的單個模式的其他實現方式內，可以將DOE 300的靜態形式替換SLM。這個系統90已經被示出為有益於投影全 息光阱(HOT)。並且可以用於除了在此討論的類別之外還投影幾類 的擴展的光阱。具體地，全息光阱可以投影光學渦系(optical vortices), 其是施加扭矩和力的環狀光阱。HOT技術也可以用於投影其最大強度 曲線可以落在沿著任意的指定曲線的、 一般化的光學渦系。光學渦系 和它們的一般化具有兩個主要缺點它們施加的扭矩不能被消除，並 且不是對於所有的應用期望的，並且不能指定它們的強度分布。HOT 也可以投影Bessel光束，其是一維軸線阱。但是，這些限於沿著光軸 形成線阱，它們沿著它們的長度來施加力，並且不能指定它們的強度 分布。最後，HOT技術也可以投影圓柱線阱和全息線阱，這兩者受到 上述的實現問題的影響。擴展的線阱與這些其他類型的全息光阱不同在用於投影它的 DOE300的特性。具體地，投影擴展的光阱要求編碼在全息圖的相位 和幅度信息，而傳統的全息光阱僅需要相位信息。我們通過指定在其 上編碼相位信息的DOE 300內的域的形狀來編碼在僅相位DOE內的 相位和幅度信息。用於建立擴展的光阱的相位信息的使用是一個特別 有益的實施例。在下面的段落內，我們解釋形狀相位調製或者形狀相 位全息的原理和其對於建立具有指定的形狀和力分布的擴展的光阱的 應用。作為具體示例，我們提供均勻線鉗的實現。而且，我們描述用於將線阱的輪廓從在平面內的線段修改為在用於體積應用的更一般三 維曲線的方法。理想的線鉗以指定的強度分布聚焦在線段上，並且在與線垂直的 所有方向上具有最深可能的強度梯度。可以通過反轉在透鏡的聚焦體積內的光和在DOE 300的平面內的電場之間的數學關係來在原理上 實現它。結果一般包含調製進入光的幅度和相位，其在給定僅調製相 位或者僅調製幅度的DOE 300的情況下是不可能的。在本發明的內的 關鍵點是線鉗固有地是一維的，因此，可以通過使用下述方式在二維 的僅相位的DOE 300內編碼其幅度和相位信息通過使用一維來編碼 相位信息，並且使用橫向維來編碼幅度信息。作為示例，我們形成與在透鏡的聚焦平面內的夕軸對齊的長度L 的均勻亮度的線鉗。在陷落平面內的場可以被近似為formula see original document page 10,否則這個場的傅立葉變換在DOE平面內獲得相關聯的場； fcp'，其中"丘， (2)其是純實數值的函數。因為Y(p)僅涉及幅度調製，並且具有正負值，可能看起來不可能在僅相位的DOE300上編碼它。但是，Y (p)不依賴於px，並且這提供了形狀相位調製所基於的機會。 我們將輸入場重新寫為formula see original document page 10(3)其中，A(p)是正確定幅度，並且q) (p)是實數值相位。通過 查看方程(2)，formula see original document page 10(4)並且注意formula see original document page 10其中formula see original document page 11如果我們假定DOE 300被均勻地圖解，則可以將A(p) = A(px) 解釋為被允許通過以形成線阱的以py在DOE上入射的光的小部分。 對於失常的DOE，這對應於有助於全息圖的以py沿著行的像素的小 部分。通過其他像素的光不有助於全息圖，並且必須從投影圖案轉開。 結果產生的輸入場的劃分為有助於全息圖的區域和不構成形狀相位全 息圖的形狀分離的區域。值得強調的是，A (p)獨立於用於沿著j)對 齊的任何線阱的px，並且cp(p)獨立於用於不均勻的亮線的特殊情況 的px。因此，幅度函數A (py)指定多少在py的像素有助於全息圖， 而不是哪些像素有助。這提供了用於建立多個線阱和用於將線阱與其 他陷落形式組合的附加範圍，如下所示。因此，對於均勻的線鉗， 一種適當的相位函數是通常通過未分配的區域的光將被帶到聚焦平面的中間的焦點，其 中，它將有助於形成傳統的光鉗。或者，以通過施加傳統的位移相位 函數而從所述線轉開其中，q是不變的波形向量，用於描述未分配的光的位移。這樣 的位移函數解釋在圖2內的DOE相位函數400的扭曲的背景。在此， 沿著A的平滑梯度以2TT的相位值被圍繞，以建立等同的鋸齒形相位函 數。通過向被分配的像素加上方程(8)形式的相位函數，線鉗也可以 從光軸位移。通過選擇用於未分配的像素的q的不同值，通過未分配 的像素的光仍然可以被分支到另一個方向。也可以通過向未分配的相位像素分配隨意的相位值來分散額外 的光。最後，可以使用額外的光來構造另外的線鉗。這個額外的功能 需要相對於光軸位移線阱，以便它們不重疊。未分配的區域也可以被 應用到其他應用，諸如建立傳統的光鉗、光學渦系和其他光學陷落形 式。例如，可以使用下述方程來投影均勻的線鉗(p,)5(p〉其中形狀函數S (p)將DOE的平面劃分為被分配的(S = l)和未分 配的(S = 0 )區域。可以通過向未分配的像素施加另 一個相位掩模cpj.s (p)來將通過未分配區域的光轉向、散射或者施加到另一個任務。通圖2示出了按照方程(9)來編碼L-15微米長的均勻線鉗並且 使用未分配的像素來投影橫向位移50微米的傳統光鉗的僅相位全息 圖。在圖3A內所示的所計算的強度模式與通過將鏡子置於採樣平面 並且使用圖3B的物鏡收集反射光而測量的實際光分布緊密地一致。在圖2內的線阱410受到三個容易補救的缺陷的影響。由方程 (10)描述的分析形狀函數在線的端部產生橫向人為效應。通過將S (p )替換為隨意的分布——在每個列內的正確像素數量——來消除這 些。在方程(3)內調用的陡強度梯度進一步超過實際的DOE的空間 帶寬，並且因此引起與所設計的強度分布的擺動偏離。這是Gibbs現 象的一個示例，可以通過修改陷阱的設計以減少梯度或者通過標準的 數值方法來將其最小化。在圖4A-4E內的結果示出了這些校正的益處。 當被15毫瓦的光碟機動時，這些線鉗的每個容易陷落三維的微米 尺寸的膠狀球體，同時允許它們具有沿著擴展軸的某種運動自由度。 我們通過下述方式來特徵化用於1.5微米的聚苯乙烯球體(Duke科學度結構。批次5238)的擴展的光阱勢能分布通過將單個粒子置於線上，並且 通過數字視頻顯微術以1/30秒的間隔和10 nm的空間解析度跟蹤其熱 驅動的運動。在平衡的位置r的d2r內找到粒子的概率P (r) d2r通 過下面的Boltzmann方程而與本地電勢V ( r)相關，其中P"-kBT是在絕對溫度T的熱能級。單個粒子在IO分鐘的 軌跡獲得在圖4A內的結果。縱向的勢能分布緊密地跟隨所設計的形 狀，並且是30士7kBT深。在圖4A內與對於拋物線輪廓的擬合一起繪 制了井的底部第三個。相對於所設計的形狀的偏離小於0.8kBT。可以 通過自適應優化來進一步減少這些。通過球體的直徑來加寬橫向輪廓， 如期望的那樣。在圖1內所示的這種系統90最好用於實現線阱410。在此，相位 函數400包含由方程(7)描述的形狀，並且使用方程(8)來位移未 分配的光。如圖3A內所示，擴展的線阱412和被轉向的鉗子414被 示出具有對於這個相位函數400計算的強度分布。在圖3B的照片內 示出了顯示線阱412的試驗版本和在實踐中投影的轉向鉗子414。這 個線阱412為16微米長。圖3C的插圖示出了這個擴展的光阱，其陷 落7個聚苯乙烯球體，每個在直徑上為1.5微米，浸沒在水中。已經在除了在此的本發明之外的申請內描述的對於相位掩模400 的其他修改可以用於沿著光軸平移線鉗，以校正在系統90內的像差， 並且將在系統90內的這樣的缺陷解釋為相位定標誤差。不像使用圓柱透鏡建立的線阱或者它們的等同物那樣，這種形狀 相位全息線阱410不是簡單象散的，而是具有擴展的圓錐的三維結構。 這種結構對於光阱是理想的，因為它獲得了最強的可能軸強度梯度。 因此，其成功地陷落了沿著其長度的物體，而沒有基底或者其他力來 源的介入。可以使用相同的DOE投影多個擴展的光阱，只要它們的形狀函 數Sj(P)在i不等於j的情況下L&(P)Sj(P)d2p-0的意義上分開。被分配的域因此是S(P)-^ SJ(P)。已經在其他上下文內描述的對於相位掩模400的其他修改可以用於將線鉗410沿著光軸平移，以校正在 光學系統內的像差，並且將在光學系統內的這樣的缺陷解釋為相位定 標誤差。最後，通過向相位掩模400應用適當的保角(conformal)映 像，形狀相位調製可以被一般化來用於曲線的鉗子的強度調製。形狀相位調製可以被一般化來用於曲線的鉗子的強度調製。為 此，我們識別被投影到期望的曲線鉗子或者陷阱內的倒易格子上的曲 線。倒易曲線的強度的調製器導致在曲線的鉗子上的強度的調製。為 了實現期望的調製，通過幅度函數來設置在與所述曲線垂直的方向上 的形狀，同時通過準一維等同問題的相位(對於線形相位調製類似) 來確定沿著這條線的每個分段的相位。這產生二維的曲線鉗子或者線 阱。可以通過保角映像而描述的相位函數或者掩模400的增加可以將 這條線彎曲為三維曲線，並且產生三維的擴展陷阱。結果產生的保角 映像可以僅被包括在幅度形狀區域內(例如圓柱透鏡相位可以有助於 修改線阱的寬度)，或者可以覆蓋所有的相位掩模400 (例如徑向相 位可以將聚焦平面從中心點移位)。因此，可以將混合的形狀相位調 制和傳統的相位調製 一 起應用以形成混合的調製模式。光阱向三維的擴展下面給出可以建立和與其他類別的擴展的光阱相比較的、擴展的 光阱的三維強度分布的詳細視圖。這些實施例基於優選的全息陷阱技術，如圖5內示意地所示。在 此，來自工作在波長X- 532 nm的倍頻固態雷射器(未示出)(相干 Verdi)的雷射束500被引導通過中繼光學器件505到高數值孔徑的物 鏡510 ( Nikon 100X Plan Apo，數值孔徑1.4，浸沒在油內)的輸入光 孔，所述物鏡510將所述雷射束聚焦在光阱內。計算機尋址的液晶空 間光調製器520 ( SLM， Hamamatsu X8267 PPM )在與物鏡的輸入平 面共軛的平面內以僅相位全息圖壓印(imprint)所述雷射束500。結 果，在物鏡的聚焦平面內的光場甲(r)與場Y (r)相關，並且在物鏡的聚焦平面內通過7>知的Fraunhofer變換而與在SLM 520的平面 內的場Y (p)相關(12)其中，f是物鏡的焦距，其中，ft是光學系統的孔徑，其中，我 們已經丟棄了無關的相位因子。假定雷射器照射具有徑向對稱的幅度輪廓和均勻的相位的SLM 520，並且在SLM的平面內的場可以^皮寫 為V(p)-"(p)邵(衝(p))'(3)其中，(p (p)是被SLM 520壓印在雷射束500上的實數值的相 位輪廓。在在我們的系統內的SLM 520在768 X 768陣列的每個像素 上在0和2兀弧度之間的相移。這個二維的相位陣列可以用於投影計算 機產生的僅相位的全息圖cp(p)，其被設計來將單個光鉗變換為光鉗 的任何期望的三維配置，每個光鉗具有單獨指定的強度和波前屬性。一般，通過將全息光阱的圖案投影到在物鏡的聚焦平面內安裝的 液體運載的採樣內而將其投入使用。為了特徵化光場，我們取代而在 採樣平面內安裝前表面鏡子。這個鏡子將陷落光反射到物鏡510內， 物鏡510通過部分反射的鏡子540將陷阱的圖像傳送到電荷耦合器件 (CCD)照像機530 (NECTI324AII)。在我們的實現方式內，物鏡 510、照像機的目鏡被安裝在傳統的光學顯微鏡(Nikon TE-2000U) 內。可以通過相對於物鏡510而平移540來獲得光阱的強度分布的三 維重建。等同地，可以通過將拋物線相位函數"P)--給 (14)疊加在編碼特定陷阱圖案的全息圖cpo(p)而相對於固定鏡子550平移陷阱。組合的全息圖—>"°(P)+ W(P)"^2"'投影與(p。(p)相同 的陷阱模式，但是每個陷阱被沿著光軸平移-Z。結果產生的、從反射光獲得的圖像表示在與物鏡的聚焦平面距離Z處的原始陷落強度的橫 截面。在軟體控制下的平移陷阱特別方便，因為它最小化了由於機械 運動導致的在光學系統的屬性上的改變。在Z的每個值獲得的圖像被 堆疊以獲得強度分布的位置體積表示。物鏡510實質上捕獲在z小於或等於0的情況下的所有的反射光。 但是，對於zX)，通過物鏡的輸出光孔來切斷會聚陷阱的最外的光線， 並且因此減少對比度。在z大於O的情況下，可以通過將所測量的強 度場乘以與z成比例的因子來校正這一點。但是，難於精確地確定適 當的因子，因此我們僅提供未改變的結果。圖6A-6D示出了以這種方式重建並且被顯示為在三個橫截面內 具有5%的峰值強度的分離強度表面的傳統光鉗。前者有益於示出會 聚光的整體結構，並且所述橫截面提供限制光學陷落的物體的三維光 場的印象。從這些數據獲得的在浸沒油內的63。的會聚角度與1.4d整 體數字孔徑一致。最尖銳的聚焦的半徑rmin-0.2微米與在光束上聚焦 的衍射受限的聚焦一致。這些結果強調了這種重建技術的兩個附加方面。物鏡510被設計 來當通過水的光被玻璃蓋片折射時校正球面像差。在沒有這個附加的 折射的情況下，被投影的光阱實際上被由物鏡510引入的大約20X的 球面像差變差。這減少了明顯的數字孔徑，並且也沿著z軸擴展了陷 阱的聚焦。所述陷阱在水中的有效數值孔徑是大約1.2。可以通過使用 附加的相位分布使光束預先失真來大致校正球面像差的效果，Zernike多項式描述了球面像差。半徑x被測量為光學系統的孔 徑的小部分，並且在光的波長內測量係數a，這個過程用於校正在施 加光學陷落系統內存在的小數量的像差，以優化它們的性能。這個校正被應用到在圖7A和7B內被示出為三維重建的35光鉗 的陣列。圖7A的這些光鉗被布置在圖7B的三維體中心立方體(BBC) 網格內，並且10.8微米的網格不變。在不校正球面像差的情況下，這些陷阱將沿著光軸彼此混合。使用校正，它們的軸強度梯度被清楚地 解決。這是因為全息陷阱沿著光軸組織物體的能力的原因。通過投射到浸漬用油內而不是水內而引起的球面像差的數量大 得使得(z (P)和(n (P)的組合對於除了最簡單的陷落模式(P。 (P)之外的全部可以超過SLM 520的孔徑帶寬。因此，我們提供了更複雜 的陷阱，而沒有像差校正。具體地，我們使用未校正的體積成像來說 明通過近來介紹的全息技術而建立的擴展的光阱的比較優點。已經通過沿著光阱的意欲輪廓迅速掃描傳統的光鉗來在時間共 享的含義上投影擴展的光阱。被掃描的陷阱具有與點狀光鉗一樣好的 光學特性和通過調整瞬時的掃描速率而可以定製的有效勢能井。可以 通過足夠快地掃描來最小化由於陷阱的移動而導致的運動效果。但是， 對於一些應用，可以期望連續的照明或者沒有掃描能力的光學系統的 簡單性。已經通過沿著一個方向擴展一個光阱來建立連續照明的線阱。這 可以例如通過向物鏡的輸入平面內引入圓柱透鏡而實現。等同地，可以通過在SLM 520上編碼函數 而實現圓柱透鏡 鉗子。在圖8A-8D內所示的結果看起來在最佳聚焦平面z-zo內可用， 並且點狀鉗子已經被擴展到具有近乎均勻的強度分布和拋物線相位的 線。但是，在圖8A內的三維重建顯示圓柱透鏡僅向光束內引入了大 量的像差，產生了與第一聚焦線垂直的第二聚焦線。這是有問題的， 因為與傳統的光鉗相比較，像差光束的強度梯度沿著光軸被嚴重地弱 化。因此，圓柱透鏡線鉗通常不能相對於沿著光軸的輻射壓力本地化 物體。將單個圓柱透鏡替換為圓柱Keplerian望遠鏡消除了像差，因此 建立了穩定的三維光阱。類似地，使用物鏡來聚焦兩個幹涉的光束建 立了能夠三維陷落的幹涉測量光阱。但是，這些手段對於擴展的光阱 的強度分布提供了較少的控制，並且不提供對於相位分布的控制。形狀相位全息圖以衍射效率的代價提供了對於擴展的光阱的幅 度和相位分布的絕對控制。其也獲得了適合於三維陷落的、具有優化的軸強度梯度的陷阱。如果所述陷阱其特徵在於在物鏡的聚焦平面內 沿著Px的方向的幅度分布U (Px)和相位分布p (px)，則通過下面的方程(12)給出在SLM平面內的場。vi/(p)-"(p,)鄉(/p(P-)),(16)其中，相位p (Px)被調整以便u (px) >0。形狀相位全息圖將 這個一維的複雜波前分布實現為二維的僅相位全息圖,、>(P.T)' P"(p), 其中，形狀函數S (p)分配與11 (Px)成比例的沿著行px的像素的數量。 一種特別有效的選擇是S (p)在適當的相對數量內沿著每 行隨機的選擇像素。未分配的像素因此被給出了 q(p),其將過量的 光從意欲的線轉向。在圖9A-9D內提供了典型的結果。不像圓柱透鏡陷阱那樣，全息線阱作為錐形楔聚焦到在物鏡的聚 焦平面內的單個衍射受限線。因此，其會聚的橫向角可與最佳的點陷 阱的相比較。這表示全息線鉗具有相比較強的軸強度梯度，其解釋了 相對於在z方向上的輻射壓力而穩定地陷落物體的能力。線鉗的橫向會聚不非常依賴於沿著線的強度分布的選擇。但是， 其三維強度分布對於沿著線的相位分布很敏感。突發的相位改變通過 破壞性的幹擾而引起線鉗的強度的本地化抑制。更平衡的變化不影響 沿著線的強度分布，但是可以實質上重建光束。例如由圓柱透鏡建立 的線鉗具有拋物線強度分布，並且也具有拋物線的相位分布。向方程 13內插入這個選擇並且使用方程(12)和(17)計算相關聯的形狀相 位全息圖，產生了理想化的圓柱透鏡相位轉移函數。這個觀察為其中 沿著線的相位分布可以被調整到期望的三維強度分布的應用或者其中 被測量的三維強度分布可以用於估計沿著線的相位分布的應用創造了 機會。使用下述內容來考慮多種用途用於材料的化學、機械、電子和 生物處理的擴展的光阱，其中包括但是不限於材料的操控、探測、所 選擇的化學和生物反應、測試、製造和組裝。在一個示例使用內，可以沿著被建立為擴展的光阱的線定位功能化的球體(或者任何類型的 粒子或者質量)。這樣的組配或者粒子也可以被探測和反映，並且容 易確定在粒子之間的交互。另外，可以容易地使用擴展的光阱來操控、探測和處理納米導線(nanowire)。可以在這樣的擴展的光阱的可編 程的勢井內布置粒子或者納米導線或者其他介觀(mescopic)材料。 也容易在可以形成的、這樣的井建立的一維狀態下執行測量，而不是 必須從更發展的二維或者三維的粒子或者材料布置去巻積信息。可以 通過擴展的光阱來探測類似的和不類似的材料，並且可以使用擴展的 光阱形式來容易地實現光學混亂的校正或者其他複雜事務。這些技術 具有用於物理、化學、電子、機械、光學和生物系統的大量應用。另 外，由於它們的可編程特性和靈活性，可以使用擴展的光阱來用於制 造和組配目的。在化學的、生物和電子的應用內，這樣的擴展的光阱 可以用於可編程地反應材料，裝配高分子、電子電路，並且建立先前 不可實現的納米級生物媒體。在製造和處理領域內，可以沿著線或者 曲線施加僅相位模式，其中，強度保持不變，但是光力可以被編程到 允許移動、加速和減速的任何分布，其可以作為納米製造裝配或者生 產線的一部分。在另一個示例內，可以使用擴展的光阱來構建和操作 微流系統。應當明白，在此所述的實施例內引用的各種改變和修改對於本領 域內的技術人員是顯然的。可以在不脫離本發明的精神和範圍的情況 下進行這樣的改變和修改。
權利要求
1.一種用於建立用於處理材料的擴展的光阱的方法，包括如下步驟提供光束；向所述光束應用衍射光學元件，所述衍射光學元件包括用於建立所述擴展的光阱的相位信息和幅度信息；和使用所述擴展的光阱來處理材料。
2. 按照權利要求1的方法，其中，所述衍射光學元件包括孔徑 光調製器。
3. 按照權利要求1的方法，其中，通過與域形狀和其上編碼所 述相位信息的所述衍射光學元件相結合地指定僅相位衍射光學元件， 提供所述相位信息和幅度信息。
4. 根據權利要求1的方法，其中，所述使用所述擴展的光阱的 步驟包括建立均勻的線鉗和一般三維曲線中的至少一個。
5. 根據權利要求1的方法，其中，在二維僅相位的衍射光學元 件內編碼所述相位信息和幅度信息。
6. 根據權利要求5的方法，其中，所述編碼步驟包括使用一維 來編碼相位信息，並且使用橫向維度來編碼幅度信息。
7. 根據權利要求l的方法，其中，對於建立多個擴展的光線阱， 電磁場的幅度函數A (py)是可控的。
8. 根據權利要求7的方法，其中，構造所述幅度函數以將所述 線阱與附加的陷落形式相組合。
9. 根據權利要求7的方法，還包括步驟在所述衍射光學元件 上施加位移相位函數，以便將光從線轉開。
10. 根據權利要求9的方法，其中，所述位移相位函數還包括不 變的波形向量，其具有用於未分配的像素的可選擇的值，用於可控地 將所述光轉向另一個方向。
11. 根據權利要求10的方法，其中，形狀函數S(p)允許均勻線阱的受控投射。
12. 根據權利要求11的方法，還包括步驟相對於光軸位移多 個擴展的光學線阱，以便每個線阱不重疊。
13. 根據權利要求l的方法，其中，所述擴展的光阱包括均勻的 線阱，其具有適當的相位函數，所述相位函數被施加到所述衍射光學 元件，以使光通過光像素的未分配的區域來用於隨後的操控。
14. 根據權利要求13的方法，包括步驟施加位移相位函數以 實現所述隨後的操控。
15. 根據權利要求l的方法，還包括在所述衍射光學元件上施 加相位函數，所述衍射光學元件產生三維強度分布。
16. 根據權利要求15的方法，其中，所述相位函數包括拋物線 相位函數。
17. 根據權利要求l的方法，其中，所述光束包括雷射束。
18. 根據權利要求l的方法，其中，光強度被保持不變，並且僅 控制所述相位信息以改變沿著所述擴展的光阱的力。
19. 根據權利要求l的方法，其中，商業應用包括至少步驟裝 配用於探測屬性的功能化粒子和用於操控產品的操控粒子。
20. —種用於建立用於處理材料的擴展的光阱的系統，包括 光源，用於提供光束；衍射光學元件，用於處理所述光束，所述衍射光學元件包括用於 建立所述擴展的光阱的相位信息和幅度信息；和光學系統，用於投影由所述衍射光學元件處理的所述光束，並且 執行材料的處理。
21. 根據權利要求20的系統，其中，所述光源包括雷射源。
22. 根據權利要求20的系統，其中，所述相位信息包括預編程 的相位函數，用於沿著所述擴展的光阱建立指定的光力。
23. 根據權利要求22的系統，其中，所述預編程的相位函數建 立用於納米製造產品的裝配線。
24. 根據權利要求22的系統，其中，所述相位信息和幅度信息包括下述函數的至少一個位移相位函數；用於建立三維成形的擴展 的光阱配置的函數；以及相位函數，用於允許可編程地布置被分配的 和未被分配的光像素。
全文摘要
一種用於建立擴展的光阱以用於商業應用的方法和系統。所述方法和系統使用衍射光學元件(DOE)來處理光束，其中，所述DOE包括相位信息和幅度信息，用於建立擴展的光阱。這樣的擴展的光阱(412)可以被進一步擴展到二維或者三維的配置。
文檔編號H05H3/04GK101336455SQ200680051961
公開日2008年12月31日 申請日期2006年12月5日 優先權日2005年12月5日
發明者D·G·格瑞爾, I·喬麗思, Y·羅伊徹曼 申請人:紐約大學