홀로그래피 조리개 원리 및 응용 프로그램 개요

소개 : 홀로그램 기술로 형성된 복잡한 조리개는 광학 분야의 진폭만을 제어하는 일반적인 조리개보다 적응하기 때문에 미세한 입자 또는 원자를 포착하고 조작하는 것과 같은 다른 경우에 중요한 응용 가치를 가지고 있습니다. 예를 들어, 특수 위상 판을 사용하여 만든 홀로그램 횡격막은 작은 입자의 응집을 전달, 정렬 또는 제어 할 수 있습니다.

차세대 옵티컬 핀셋 - 홀로그램 조리개

광학 집게 기술은 분자 생물학, 콜로이드 과학, 실험 원자 물리학 및 기타 분야에서 매우 중요한 역할을합니다. 광 핀셋 자체도 지속적으로 개발되었으며 많은 핀셋이 생산되었습니다. 공간 광 변조기 (Spatial Light Modulator, SLM)에 의해 형성된 홀로그램 구멍은 다중 입자 조작에서 이점을 가지며, 광학 집게 및 대규모 산업 생산의 실제 적용을위한 새로운 단계를 열었습니다. 현재 광 마이 (Kwangmai) 가족의 역동적 인 멤버입니다. 이 논문은 홀로 그래픽 애 퍼처의 원리와 적용을 간단하게 소개하고 시중에서 판매되는 홀로 그래픽 애 퍼처 시스템 만 소개합니다. 미국 Meadowlark (BNS)의 홀로그램 조리개 시스템 CUBE입니다.

소개

단일 빔 입자 트랩으로도 알려진 광학 족집게는 1986 년 A. Ashkin에 의해 1969 년 이후 가벼운 입자 상호 작용의 실험을 바탕으로 발명되었습니다. 단일 빔 입자 트랩은 본질적으로 광학 복사 압력 구배 포스 트랩이며, 미 및 레이리 산란 범위 입자 전체를 맞물리게 할 수있는 반경 방향 압력 구배 력 및 산란력의 상호 작용에 의해 형성된 포텐셜 웰 (potential well)이다. 그것은 생물체 또는 다른 거대 분자 (공), 세포 기관 등을 수 nm에서 수십 μm까지 탄 성적으로 포집하여 주변 환경에 실질적으로 영향을 미치지 않으면 서 물질을 포착 할 수있는 고도로 수렴 된 단일 빔 레이저에 의해 형성됩니다. 하위 접촉, 비파괴 라이브 작업.

관항은 1986 년 창안 된 이래로 레이저 냉각, 콜로이드 화학, 분자 생물학의 실험 연구에서 비접촉 및 저손실이라는 장점을 지닌 매우 중요한 역할을 담당해 왔습니다. 광 핀셋 응용 분야의 지속적인 확장에 따라 더 많은 연구 요구를 충족시키기 위해 광학 핀셋 기술 자체가 실시간 및 제어 가능한 복잡한 광학 트랩 측면에서 끊임없이 개선되고 있습니다. 현재 연구원은 실험 방법을 지속적으로 개선하고 샘플의 브라운 운동을 제어하여 초 단위로 변위 측정의 정확성을 향상시킬 수 있습니다. 동시에, 25nm만큼 작은 입자를 포착하고 관찰 할 수 있으며 더 작은 나노 입자를 포착 할 것으로 예상됩니다. 지난 수십 년 동안 광학 족집게의 개발은 사람들이 복잡한 생물 시스템에서 운동의 분자 메커니즘을보다 자세하게 이해할 수있게했습니다. 표현의 형태에서, 애 퍼처 장치는 원래의 단일 빔 구배 력 광학 트랩으로부터 여러 유형의 광학 포착 트랩을 점차 발전시켰다. 두 배 빛, 3 개의 빛, 4 개의 빛, 스캐닝 빛, femtosecond 빛 등등. 이 일련의 광학 유도체 화 기술은 가문의 가족을 풍부하게 할뿐만 아니라 이중 가닥 DNA의 푸는 과정 측정과 같은 생물 과학과 같은 다양한 분야의 마이크로 나노 스케일 연구를위한 매우 독창적 인 도구를 제공했습니다. 분자 모터 연구. 이동 메커니즘, 벼 염색체 분리 등. 다중 광학 트랩 제어 기술은 수많은 실험 연구에서 점점 중요 해지고있다. 다중 구멍 및 트랩 위치를 제어하기위한 간단한 단일 광선 구배 힘 광학 트랩, 다중 광학 트랩 또는 새로운 광학 잠재적 트랩을 생성하는 방법으로서 홀로 그래픽 핀셋의 지속적인 개발에서 광학 핀셋이 두드러집니다. 다양한 기능의 가벼운 트랩을 구성 할 수있을뿐만 아니라 3 차원 광학 트랩 어레이를 구현할 수 있으며 일련의 연구 개발을 이끌어 냈습니다. 과학자 Grir는 홀로 그래픽 조리개가 광학 조작의 기술적 혁명으로 이어질 것이라고 예측했습니다.

홀로그램 조리개의 원리

홀로그램 소자는 홀로그램 횡경막을 구성하는 핵심 요소이다. 이는 필름 기록 대상물 광 및 참조광에 의해 형성된 간섭 패턴이다. 물체 광 필드가 재생 될 때, 원래의 참조 광만이 홀로그램 소자에 조사되어 재구성 된 객체를 얻는다. 라이트 필드. 홀로 그래픽 애 퍼처 (holographic aperture)는 홀로 그래픽 요소를 사용하여 특정 기능을 가진 라이트 필드를 구성함으로써 형성된 다이어프램입니다. 형성된 광 필드의 성질이 다르기 때문에, 홀로 그래픽 애퍼 추어는 단일 입자의 회전, 다수의 입자의 조작 및 분류 등과 같은 상이한 기능을 달성 할 것이다. 가장 초기의 홀로 그래픽 조리개는 1998 년 시카고 대학교의 Eric R. Dufresne에 의해 구현되었습니다. 그들은 회절 광학 요소 (DOE)를 사용하여 시준 된 레이저 광선을 여러 개의 독립적 인 광선으로 분할했으며, 강력한 수렴 렌즈로 초점을 맞추어 다중 구경. 홀로그램 조리개를 만드는 핵심은 실제 요구에 따라 적절한 홀로그램 요소를 선택하는 것입니다. 홀로그램을 생성하는 전통적인 방법은 간섭 성 광 간섭계를 사용하는 것입니다. 단점은 그들이 취하는 홀로그램이 회절 효율이 낮고, 시간이 많이 걸리고 다재다능하지 못하다는 것입니다. 따라서, 홀로그램 어퍼 처에는 널리 사용되지 않습니다. 현재, 홀로그램 홀로그램은 대부분 공간 광 변조기 (SLM)에 의해 형성된다. 일반적인 공간 광 변조기는 액정 공간 광 변조기, 광 자기 공간 광 변조기, 디지털 마이크로 미러 어레이 (DMD), 다중 양자 우물 공간 광 변조기 및 음향 광학 변조기를 포함한다. 또한, UV 리소그래피를 사용하여 특정 회절 광학 요소가 광 필드를 변조하도록하는 것이 가능하다. 현재 사용되고있는 대부분의 것은 홀로그램 소자를 구현하기위한 컴퓨터 - 어드레싱 된 액정 공간 광 변조기이고, 형성된 광 트랩은 홀로그램 소자를 변화시킴으로써 동적으로 변화 될 수있다.

컴퓨터 출현 이전에는 제한된 모양의 홀로그램을 형성하기 위해 레이저 홀로그램이 필요했습니다. 컴퓨터의 도움으로 모든 모양의 홀로그램을 실현할 수 있습니다. 그러나 새로 설계된 라이트 트랩이 구현 될 때마다 해당 홀로그램을 다시 계산해야합니다. 컴퓨터 속도가 지속적으로 새로 고침되고 새로운 알고리즘이 등장함에 따라 일반적인 과학 연구 실험실에서 어떤 모양의 홀로그램 구멍도 쉽게 구현할 수 있습니다. 원칙적으로, 홀로그램 조리개는 모든 형태, 크기 및 수의 가벼운 함정을 생성 할 수 있습니다. 포획 된 빛의 위상 분포를 변경함으로써, 트랩 된 입자는 설정된 경로에 따라 광 트랩에서 이동 될 수 있으며, 이에 의해 아이리스 정렬 입자를 구현하기위한보다 편리한 도구를 제공한다. 레이저 캡처 기술의 지속적인 발전과 캡처 대상의 끊임없는 변화로 기존의 단일 빔 구배 포스 광학 트랩은 더 이상 미세 입자 캡처에 대한 새로운 요구를 충족시킬 수 없습니다. 신흥 광학 기술로서, 홀로그램 조리개의 추가로 크립톤 (Krypton) 제품군이 활력을 불어 넣었습니다. 홀로 그래픽 조리개는 여러 입자를 포착하고 조작하고 표면 플라스 몬 공명 포착 입자를 얻는 분야에서 큰 가능성을 보였습니다. 홀로그램 애 퍼처의 장점과 단점을 완전히 인식하면 사람들은 홀로그램 애 퍼처를 설계하는 데있어 장점을 최대한 활용하고 실제 필요성을 충족시키는 우수한 성능의 홀로그램 애 퍼처를 디자인하여 분자 생물학 및 생물학에 사용할 수있게함으로써 결함을 극복 할 수 있습니다. 화학, 나노 제조 및 기타 분야는 고유 한 이점을 발휘하고 학제 간 연구에 더 많은 가치있는 정보를 제공합니다.

홀로그램 조리개의 일반적인 응용

빛과 입자 사이의 운동량 또는 각 운동량의 교환으로 인해, 빛 필드는 현미경 입자를 캡처, 이동, 늘이거나 회전시키는 데 사용되는 비접촉식 도구입니다. 종래의 방법은 결정된 스핀 각 운동량을 갖는 빔을 얻기 위해 파장 판 및 편광 장치를 이용하고, 특정 홀로그램은 와류 빔과 같은 궤도 각운동량을 갖는 빔을 얻는데 사용될 수있다. 이것은 홀로그램 어퍼 처의 적용을 확대하고 입자의 광 회전, 다중 입자의 조작 및 복잡한 모션 측면에서 고유 한 이점을 보여줍니다.

1 개의 새 중공 조명 필드가 미세 입자 캡처 및 회전

광자는 선형 운동량과 각운동량을 가지며 각운동량은 궤도 각운동량과 스핀 각 운동량을 포함합니다. 그 중에서도 스핀 각운동량은 프리즘, 웨이브 플레이트 등으로 변경할 수있는 빔의 편광 상태에 따라 달라집니다. 2007 년 Wang 그룹은 원통형 나노 석영 입자를 제조하기 위해 나노 제조 기술을 사용했습니다. 입자는 조리개에서 회전하고 dsDNA의 비틀림 힘과 모멘트를 측정합니다. 이 기술은 복굴절 입자를 회전시키기 위해 광자의 회전 각운동량을 사용합니다.

1991 년 Sato et al. 처음에는 구멍에서 광 유도 된 입자의 회전을 깨달았고, 사용 된 빔은 회전하는 고차 Hermite-Gaussian 빛이었다. 중공 가우시안, 라게르 가우스, 고차 베셀, 중공 속 중형 베이글 및 중공 LP01 출력 할로우 빔과 같은 입자의 광 유도 회전을 연구하기 위해 일련의 새로운 광 트랩이 사용되었습니다. 이 방법의 장점은 입자가 트랩 될 때 발생하는 열 효과가 작고 일반적인 가우스 빔에 의해 형성된 단일 빔 경사 포텐셜 트랩의 새로운 특성이 없다는 것입니다. 전통적인 홀로그램 기술은 광에 의한 회전에서 이러한 새로운 유형의 빔을 적용하는 것을 촉진했습니다. 궤도 각운동량은 조명 필드의 특정 공간 분포와 관련이 있습니다.

궤도 각운동량을 갖는 빔은 회전 도브 프리즘에 의해 생성 될 수 있지만, 이는 달성하기가 어렵고 빔 특성을 동적으로 변경할 수없는 광학 파장 범위의 프리즘의 매우 정확한 배열을 필요로한다. 홀로그램 기술의 사용은 이러한 단점을 극복합니다. Laguerre-Gaussian (LG), Bessel Bessel Beam, Hermite-Gaussian beam 등과 같은 적합한 홀로그램을 사용하여 궤도 각 운동량 또는 특정 회절 특성을 가진 광선을 쉽게 얻을 수 있습니다.

또한, 보텍스 라이트 트랩과 같은 홀로 그래픽 기술로 생성 된 새로운 라이트 트랩은 계면에서 금속 입자를 포착하고 회전시키는 데 사용할 수있는 니어 필드 애 퍼처 (near-field apertures)를 생성합니다. 2008 년에, Maria Dienerowitz et al. 스코틀랜드의 세인트 앤드루스 대학 (St. Andrews University)에서는 LG 광을 사용하여 나노 입자를 포착했습니다. 그들은 표면 플라즈몬 공명 근처에서 광선을 사용하여 LG 입자의 암흑 장 영역에 금 입자를 가두어 광자의 궤도 각을 사용했다. 광학 트랩에 동시에 두 개의 100 nm 금 나노 입자의 회전을 실현하는 기세 전달.

2 다중 입자 복합체 움직임

광학 파면 교정 기술의 사용으로 생성 된 힘은 과학 및 기술 및 엔지니어링 응용 분야의 여러 영역에서 신속한 제어를 달성 할 수 있습니다. 예를 들어, 홀로그램 어퍼 처는 실시간으로 여러 입자를 동적으로 캡처하고 조작 할 수 있습니다. Jesacher et al. 오스트리아 Innsbruck School of Medicine은 복잡한 광파를 생성하기 위해 액정 공간 광 변조기의 유용성에 대한 광범위한 연구를 수행했다. 이들은 광 필드의 진폭과 위상을 개별적으로 제어함으로써 미리 구성된 광학 트랩에서 미세 유전체 펠렛을 포착하고 조작합니다. 조명 필드의 진폭 및 위상을 변경하면 교차, 직사각형 및 원과 같은 특수한 모양의 가벼운 함정을 구현할 수있을뿐 아니라 특정 경로의 입자 이동을 제어 할 수 있습니다. 원칙적으로, 임의의 형태의 라이트 트랩에서 입자 트래핑을 실현하는 것이 가능합니다. 제어.

3 홀로그램의 다른 응용

홀로그램 기술로 형성된 복잡한 조리개는 광학 필드의 진폭만을 제어 할 수있는 일반적인 조리개보다 적응하기 때문에 미세한 입자 또는 원자를 포착하고 조작하는 것과 같은 다른 경우에 중요한 적용 가치가 있습니다. 예를 들어, 특수 위상 판을 사용하여 만든 홀로그램 횡격막은 작은 입자의 응집을 전달, 정렬 또는 제어 할 수 있습니다.

현재, 홀로그램 기술을 사용하여 최대 400 개의 광학 트랩을 갖는 홀로그래피 어레이 애 퍼처를 얻을 수 있습니다. 컴퓨터 기술과 결합하여 개별 광학 트랩의 특성을 동적으로 변경할 수도 있습니다. 이렇게 생성 된 실시간 빛 트랩은 바이러스, 작은 콜로이드 및 수영 박테리아와 같이 움직이고 고도로 분산 된 물체를 포착 할 수 있습니다. 또한 선형, 베셀 광학 트랩 및 각운동량을 갖는 광학 볼텍 트랩을 생성 할 수 있습니다. 이러한 비정상적인 라이트 트랩을 사용하면 이미지 평면이나 광축에서 원형 오브젝트를 조정, 회전, 회전 및 생성 할 수 있으며 기타 비정형 조작이 가능합니다. 이 연구는 홀로 그래픽 애 퍼처 (holographic aperture)의 적용 범위를 더욱 확대 시켰고,이를 교차 과학 연구 홀에서 훌륭한 작업으로 만들었습니다.

홀로 그래픽 애 퍼처는 여러 입자를 제어 할 수있는 자유를 특징으로하여 입자 또는 표면 간의 융합, 흡착 및 상호 작용을 더 쉽게 만듭니다. 예를 들어, 바이러스가 세포에 주입되거나 정자가 난자에 이식되고, 분자간 결합력이 다기능의 볼과 표면을 사용하여 검출됩니다. 라이트 트랩에서 물체의 거동을 관찰함으로써 물체 또는 주변 환경의 특성을 정확하게 측정 할 수도 있습니다. 다중 우물 트랩은 단일 분자와 세포막과 유체 사이의 경계에서 물질을 늘리거나 구부릴 수 있습니다. 이러한 실험은 많은 시스템에서 탄성 계수, 표면 에너지 및 흡착력에 대한 정보를 얻을 수 있으며, 동시에 미세 규모 기계적 성질의 연구를 단순화합니다. 홀로그램 구멍은 특정 구조물을 조립하는 데 사용할 수 있습니다. 형광 또는 반사 조명으로 특정 물질을 볼 수 있으며 투명 기판 또는 전극에 배치 할 수 있습니다. 홀로그램 조리개는 3 차원에서 새로운 물리적 또는 광학적 특성을 가진 많은 재료를 구성 할 수 있습니다. 잠재적 인 응용 분야는 광결정 밴드 갭 재료의 제작, 생물학적 또는 나노 스케일 전자 부품의 제조, 그리고 전기적 특성을 측정하기 위해 전극에 다른 재료를 증착하는 것입니다. 2007 년 미국의 과학자들은 실리콘 웨이퍼상의 입자 움직임을 제어하기 위해 적외선을 사용했습니다. 그들은 적외선을 투과하여 CCD에 의해 감지 될 수 있도록 적절한 두께와 도핑 농도의 실리콘 웨이퍼를 선택했습니다. 이 기술은 액체 상태에서 입자를 포착하는 전통적인 방식의 병목 현상을 해결합니다. 홀로그래피 다이어프램 기술을 결합하면 특정 솔리드 표면에 의미있는 구조를 조립할 수 있습니다.

특히, 홀로그래피 조리개가 발명되기 전에는 조리개 기술이 주로 단일 입자의 기본 연구에 중점을두고 있으며, 다중 입자 조작시 홀로그램 조리개의 장점은 광축 집게를 대규모 산업에 적용 할 수있는 가능성을 열어줍니다 생산. 새로운 상황.

제품 사례

현재 상업적으로 이용 가능한 애 퍼처 시스템은 주로 AOD 및 Meadowlark (BNS)의 홀로그래피 애 퍼처 시스템을 사용합니다. CUBE는 유일한 상업용 홀로 그래픽 애 퍼처 시스템입니다. 구조는 다음과 같습니다.

AOD를 사용하는 다른 조리개와 비교하여 Meadowlark (BNS)의 홀로그램 조리개 시스템 CUBE는 다음과 같은 특징을 가지고 있습니다.

현재, 상업적으로 이용 가능한 멀티 애 퍼처 시스템은 모두 AOD (고속 변조) 레이저를 사용하여 상이한 광 트랩을 형성하고, 단지 2 차원 (x, y- 방향) 평면만을 취급 할 수있다. 액정 공간 광 변조기는 빛의 강도와 위상을 변조 할 수 있으며 진정한 3D 조작입니다. 번역뿐만 아니라 입자 및 세포의 3 차원 회전 및 기타 조작.

2. 빛을 위상 조정할 수 있기 때문에, 액정 공간 광 변조기는 위상차를 보정하고, 레이저 스폿을 조정하며, 광 트랩 분포를보다 이상적으로 만들 수 있습니다.

(a) SLM에로드 된 위상차를 보정하는 데 사용되는 위상 다이어그램 (b) 사전 보정 광 스폿 (c) 보정 된 광 스폿

3. 액정 공간 광 변조기 (SLM)는 AOD보다 높은 90 % 이상의 회절 효율을 가지며, 레이저의 활용도가 높다.

4. 고속 스위칭을 통해 여러 개의 라이트 트랩을 형성하는 AOD와는 달리, SLM (Liquid Crystal Spatial Light Modulator)은 동시에 여러 개의 집중된 빔을 생성 할 수 있으며, 각 빔은 별도의 라이트 트랩을 형성하므로 빛이 안정적입니다. 함정이 더 좋다.