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全息光镊技术的捕获性能研究与算法优化

全息光镊技术的捕获性能研究与算法优化

作者：何旻儒中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

学位级别：硕士

全息光镊(Holographic Optical Tweezers,HOTs)技术能够利用强聚焦激光束同时对多个粒子进行三维空间内的捕获和动态操控,具有灵活性高、操纵精度高和非机械接触等优点,被广泛应用于生物、物理等领域的微观作用研究。近年来,将全息光镊... 详细信息

全息光镊(Holographic Optical Tweezers,HOTs)技术能够利用强聚焦激光束同时对多个粒子进行三维空间内的捕获和动态操控,具有灵活性高、操纵精度高和非机械接触等优点,被广泛应用于生物、物理等领域的微观作用研究。近年来,将全息光镊用于定量测量微小力和位移的力学特性研究得到越来越多的关注与研究。计算机生成全息图(Computer Generated Hologram,CGH)算法设计和优化是全息光镊技术的关键。全息光镊通过设计优化CGH调制产生目标光场,实现对多粒子的捕获、操控和位置测量,具有极高的灵活性和高效性。尽管如今光场调控技术已经发展到一个较高的水平,能够产生多种光场并实现对多粒子的复杂操纵,但在全息光镊技术的相关应用中非常重要同时最为广泛的依然是点光阱对粒子的捕获。迄今为止,用于产生点光阱阵列的不同全息图算法对全息光镊捕获性能的影响还未得到系统的定量比较研究。这些算法在光场调制效率、均匀性以及计算时间等方面的差异都会显著影响光场的捕获性能。同时,传统的点光阱阵列生成办法计算耗时长,严重制约了全息光镊的实时动态操控能力,限制了全息光镊技术的应用场景。针对以上问题,本文系统研究了CGH算法对于全息光镊捕获和测力性能的影响,比较分析了基于不同CGH算法所产生的阵列光阱的光阱刚度,并提出一种改进的点光阱生成全息图算法,能够显著提高大光阱阵列的计算速度与操控精度。围绕全息光镊的算法研究,本文主要开展了以下研究内容:1.系统研究了基于六种CGH算法(GSW,GAA,GS,SR,S及RM算法)的全息光镊技术的捕获和测力特性。首次研究了上述六种CGH算法在不同粒子尺寸、不同光阱阵列大小、光阱分布形状以及动态捕获下的性能表现,比较分析了不同CGH算法的光阱刚度、均匀性以及计算时间。结果证明,当对计算时间没有要求时,GSW产生的点光阱在光阱刚度与均匀性方面有最好的表现;有实时生成全息图的需要时,SR算法更加适用,但同时也会有光阱刚度与均匀性较差的问题。2.优化并搭建了一套全息光镊系统。对全息光镊系统的工作原理进行了详细的介绍,并针对部分关键元器件的选择进行了分析并提供选择依据。介绍了针对系统像差的矫正方法并对实验的准备工作如系统标定、样品制备、图像处理方法以及光阱刚度的标定方法等进行了的说明。为全息光镊的捕获实验提供了一个全面、详细的操作指南。3.提出一种可快速生成大阵列、高操控精度光阱的CGH算法。首先对现有的点光阱生成全息图算法GSW算法进行了时间上的优化,包括引入相位截断与GPU加速模块等,使计算效率得到了10倍以上的提升。同时提出了基于快速傅里叶变换(Fast Fourier Transform,FFT)的改进GS算法,针对其再现光场对粒子操控精度低的问题进行了零信号填充,令再现光场的精度得到了4倍的提升;加入GPU加速模块与相位截断,令算法的计算速度实现了10倍以上的提升。在不改变全息光镊捕获质量的前提下实现了一种可快速生成大阵列、高操控精度光阱的CGH算法。

关键词：全息光镊计算机生成全息图光阱刚度全息图算法点光阱

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全息光镊-光镊家族中极具活力的成员

激光与光电子学进展 2008年第11期45卷 35-41页

作者：任煜轩周金华吴建光李银妹中国科学技术大学物理系安徽合肥230026 合肥微尺度物质科学国家实验室安徽合肥230026

光镊技术在分子生物学、胶体科学、实验原子物理等领域中具有极其重要的作用,光镊本身也不断发展并产生许多衍生光镊技术。利用全息元件或空间光调制器(SLM)所形成的全息光镊,在多粒子操控方面的优势,为光镊技术走向实用化、规模工业生... 详细信息

光镊技术在分子生物学、胶体科学、实验原子物理等领域中具有极其重要的作用,光镊本身也不断发展并产生许多衍生光镊技术。利用全息元件或空间光调制器(SLM)所形成的全息光镊,在多粒子操控方面的优势,为光镊技术走向实用化、规模工业生产打开了新局面,是目前光镊家族极具活力的成员。简述了全息光镊的原理及典型实验光路,详细介绍了该技术在众多领域的最新应用进展以及潜在的应用。

关键词：光镊全息光镊胶体化学粒子分选

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基于全息光镊的荧光微纳颗粒光谱性质表征

基于全息光镊的荧光微纳颗粒光谱性质表征

作者：崔晨雨国防科技大学

学位级别：硕士

稀土掺杂上转换微纳颗粒在光电显示、新型光源、生物医学成像等领域有着广泛的应用。由于其较小的吸收截面和较低的量子效率,增强上转换微纳颗粒的发光强度成为研究的热点。本文归纳了上转换发光增强的三种常用技术,总结了上转换发光和... 详细信息

稀土掺杂上转换微纳颗粒在光电显示、新型光源、生物医学成像等领域有着广泛的应用。由于其较小的吸收截面和较低的量子效率,增强上转换微纳颗粒的发光强度成为研究的热点。本文归纳了上转换发光增强的三种常用技术,总结了上转换发光和表面等离激元增强的机理,委托合作单位合成了大小分别属于纳米尺度(直径300 nm)、微纳尺度(直径1μm)和微米尺度(直径2μm)的球型Ca F:Yb/Er上转换微纳颗粒。利用FDTD自主计算并设计,由合作单位制作了与入射激光波长匹配的基于表面等离激元共振增强的金属微纳结构基底。同时自主设计并搭建了基于全息光镊的光谱表征平台,实现了对微纳颗粒的实时捕获、操控、图像采集和光谱表征,研究了上转换微纳颗粒不同尺寸、不同阵列间距、不同增强基底、不同激发功率等因素对发光强度的影响,利用表面等离激元局域场增强,获得了两个数量级的上转换发光增强。论文的主要工作如下:(1)采用Lumerical FDTD solutions软件针对不同金属微纳结构的局域表面等离激元共振及消光谱进行了仿真计算,设计了适用于976 nm波长入射光的金(Au)纳米锥—Au纳米薄膜—Si O结构的增强基底。委托合作单位制备了无Au纳米薄膜、Au纳米薄膜厚度小于976 nm激光穿透深度和Au纳米薄膜厚度大于976 nm激光穿透深度的三种代表性的增强基底。(2)自主设计并搭建了基于全息光镊和倒置共聚焦成像结构的微纳颗粒操控及光谱表征平台。通过空间光调制器和与之匹配的光束变换装置实现了不同形状、不同间距的阵列光阱之间的实时变换。利用共聚焦成像结构设计实现了在操控、激发上转换微纳颗粒的同时获得较高空间和波长分辨图像信息的功能。(3)基于自主搭建的实验平台测量并分析了上转换发光强度随微纳颗粒阵列间距、尺寸大小、不同增强基底、不同激发功率的变化规律。实验结果表明,微纳颗粒阵列间距过小时整体发光强度降低,由于纳米尺寸效应的失效,较大的颗粒尺寸也不利于上转换发光强度的增强。在表面等离激元局域场增强的作用下,随着激发光功率增大,发光强度呈近似线性增长趋势,波峰653 nm的红光波段增强倍数显著大于波峰553 nm的绿光波段。由于表面等离激元共振区域大小为百纳米量级,直径300 nm和1μm的微纳颗粒可以更好地与之耦合,增强效果较好。设计的增强基底对Ca F:Yb/Er上转换微纳颗粒的红光波段发射强度最高实现了两个数量级的发光增强。

关键词：全息光镊上转换微纳颗粒上转换发光增强表面等离激元

基于视觉原理和流体力学法的全息光镊三维光阱刚度测量

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光子学报 2018年第7期47卷 138-143页

作者：何威李静中国科学技术大学精密机械与精密仪器系合肥230027

为了检测全息光镊的捕获能力,将基于视觉原理的光学测量系统用于全息光镊三维光阱刚度的测量.光学系统采用对称分布的双光源照射样品池,形成两个像点,通过跟踪像点位移获取被全息光镊捕获微球的三维位移信息.结合流体力学法测出本光学... 详细信息

为了检测全息光镊的捕获能力,将基于视觉原理的光学测量系统用于全息光镊三维光阱刚度的测量.光学系统采用对称分布的双光源照射样品池,形成两个像点,通过跟踪像点位移获取被全息光镊捕获微球的三维位移信息.结合流体力学法测出本光学系统中单、双光阱的三维光阱刚度.实验结果表明:单光阱中,沿X、Y水平方向光阱刚度相差不大,而轴向光阱刚度落在水平方向的1/3~1/4范围;双光阱中,离光轴(即衍射中心)近的光阱其三维刚度要比距离光轴稍远的光阱要大,说明越靠近衍射中心,光的衍射效率越高,产生的光阱捕获能力也越强.

关键词：全息光镊视觉原理三维光阱刚度流体力学法图像处理

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基于TFT-LCD的全息光镊系统

基于TFT-LCD的全息光镊系统

作者：赵重阳苏州大学

学位级别：硕士

光镊是一种光学微操纵技术,是从生物分子层次上研究生命过程的重要工具。在涉及微小粒子的各种研究和应用领域,诸如大气物理、材料科学和精密测量等方面,有着广阔的应用前景。它已经成为当前新方法和新仪器的研究热点之一。本... 详细信息

光镊是一种光学微操纵技术,是从生物分子层次上研究生命过程的重要工具。在涉及微小粒子的各种研究和应用领域,诸如大气物理、材料科学和精密测量等方面,有着广阔的应用前景。它已经成为当前新方法和新仪器的研究热点之一。本论文以光镊系统的设计为目的,构建了一套基于TFT-LCD的全息光镊系统,并利用该系统进行了囚禁酵母细胞的实验研究。本文构建的基于TFT-LCD全息光镊系统,不仅能产生任意光强分布的光阱,还能实现对被捕获粒子的操纵,比在光镊系统中利用超声步进马达二维转镜或声光偏转器来控制光阱的位置更方便、快捷,同时也降低了成本,这给光镊技术的发展提供了新的手段。论文介绍了光镊的产生、发展、基本原理及其光阱力的计算理论;分析了液晶的光学特性与电光效应,以及TFT-LCD的结构与工作原理;并根据傅立叶计算全息图的制作原理,研究了TFT-LCD在计算全息中的应用,测量分析了入射光偏振方向对衍射光强的影响。在本文构建的系统中,当入射光偏振方向与竖直方向成95 0角,且TFT-LCD后没有放置偏振片时全息图的透过率最大。论文重点描述了基于TFT-LCD全息光镊系统的构建,详细说明了器件的选取原则。在该光镊系统中,作者根据螺旋波特殊的物理性质,制作TFT-LCD实时位错光栅生成中空光阱,该光阱能稳定地捕获酵母细胞;用基于TFT-LCD再现的计算全息,成功地生成了动态全息光阱,实现了对被捕获粒子的操纵。

关键词：光镊光阱力 TFT-LCD 全息再现全息光镊

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圆偏振涡旋光致非轴向自旋和轨道运动研究

光子学报 2023年第11期52卷 105-112页

作者：蔡亚楠严绍辉张亚楠柳牧龙张锐任文艺姚保利西北农林科技大学理学院杨凌712100 中国科学院西安光学精密机械研究所瞬态光学与光子国家重点实验室西安710119

为了实现粒子的非轴向旋转操控,对圆偏振涡旋光的光致旋转特性进行了研究。理论上,利用T矩阵理论,计算光场作用于微粒的光力和力矩,分析圆偏振涡旋光场中自旋角动量和轨道角动量的取向对非轴向旋转效应的影响。研究结果表明:当轨道角动... 详细信息

为了实现粒子的非轴向旋转操控,对圆偏振涡旋光的光致旋转特性进行了研究。理论上,利用T矩阵理论,计算光场作用于微粒的光力和力矩,分析圆偏振涡旋光场中自旋角动量和轨道角动量的取向对非轴向旋转效应的影响。研究结果表明:当轨道角动量和自旋角动量的方向相同时,粒子除受轨道矩和轴向自旋矩作用外,还受一个可观的横向自旋矩作用,可以诱导粒子同时做轨道和非轴向自旋运动;当轨道角动量和自旋角动量方向相反,则粒子受到的横向自旋矩难以驱动其做非轴向自旋运动。实验上,利用全息光镊系统捕获微米尺度的粒子,观察到粒子做轨道运动时的非轴向自旋现象,对理论研究结果进行了初步验证。

关键词：全息光镊涡旋光束光致旋转非轴向自旋横向自旋角动量

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轴向多光阱微粒捕获与实时观测技术研究

轴向多光阱微粒捕获与实时观测技术研究

作者：王玥中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

学位级别：硕士

光镊技术凭借其非机械接触、可精确测量微小粒子位移等独特优势,在胶体物理、生物医学等领域得到了广泛的应用。但是,传统的光镊技术使用单个物镜同时进行光学捕获与显微成像,使得捕获与成像区域被限制在物镜焦平面附近,无法同时观察到... 详细信息

光镊技术凭借其非机械接触、可精确测量微小粒子位移等独特优势,在胶体物理、生物医学等领域得到了广泛的应用。但是,传统的光镊技术使用单个物镜同时进行光学捕获与显微成像,使得捕获与成像区域被限制在物镜焦平面附近,无法同时观察到沿光轴方向（即Z向）捕获的多个微粒。轴向的多光阱微粒捕获与实时跟踪仍然是一个挑战。利用三维成像技术可以实现对轴平面（X-Z平面）的监控,但普通的三维成像技术速度慢,不能满足光镊实时观测的需求。为了解决传统光镊技术三维捕获中的这些问题,我们开展了以下几方面的理论和实验研究。为了实现稳定的轴向多光阱捕获,提出了一种基于轴平面傅里叶变换的Gerchberg-Saxton（GS）算法,可直接产生沿轴向分布的光阱阵列。为解决轴向实时观测的问题,提出了一种基于45°反射棱镜的直接观测样品轴平面的技术方案,利用Zemax仿真软件模拟了采用不同光学参数的反射棱镜系统的成像性能,确定了成像系统的最佳参数。基于仿真结果,将轴平面成像技术与全息光镊相结合,建立了一套轴向多光阱微粒捕获与实时直接观测系统,并开展了横平面和轴平面的同时观测和轴向多光阱捕获的实验研究,通过视频分析法测量了轴向多光阱的光阱刚度。主要研究工作分述如下:1.提出了一种基于轴平面傅里叶变换的GS迭代算法,利用该迭代算法可直接产生沿轴向分布的多光阱阵列。我们所提出的迭代算法与透镜光栅组合法等算法相比较,具有更高的调制效率和调制精度,所产生的沿轴向分布的每个点光阱都具有较理想的高斯强度分布。2.设计了一种基于45°微棱镜的轴平面成像系统。传统光镊技术的捕获与成像区域被限制在物镜焦平面附近,这个限制导致其无法同时观察到沿轴向排列的多个微粒。我们设计的轴平面成像系统可直接对样品轴平面成像,与传统光镊技术相比增加了一个新的观测视角,拓展了光学捕获的功能和应用。3.利用Zemax软件对轴平面成像系统进行了成像性能优化,确定了最佳成像参数并进行了实验验证。比较了使用三种光学玻璃（FK54、BK7、SF11）的反射棱镜和反射镜系统的点扩散函数。利用Zernike多项式分析了系统的一阶球差、X方向一阶彗差和X方向一阶像散。综合仿真结果确定了轴平面成像系统最佳成像参数。并对BK7镀膜棱镜和反射镜的实际成像效果进行了验证。4.将轴平面成像技术与全息光镊技术相结合,实现了轴平面的多光阱捕获与实时观测,通过视频分析法标定了轴向多光阱的光阱刚度。利用轴平面GS算法产生了轴向2×2分布的光阱阵列的全息图,捕获了2×2的二氧化硅微球阵列,对捕获过程实现了实时观测。利用视频分析法同时测量了被捕获的二氧化硅微球在轴向光镊阵列中的布朗运动,根据能量均分定理标定了轴向多光阱的光阱刚度。

关键词：全息光镊光阱刚度 Gerchberg-Saxton算法轴平面成像

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激光光镊拉曼光谱技术的鼻咽癌研究展望

福建师范大学学报（自然科学版） 2021年第1期37卷 1-9页

作者：谢树森王启文林居强吴志伟福建师范大学光电与信息工程学院福建福州350007 泉州师范学院物理与信息工程学院福建泉州362000

激光光镊拉曼光谱技术是光镊技术与拉曼光谱技术交叉融合的产物,能够用于生理条件下单细胞拉曼光谱的测量和分析,已成为细胞生物学、医学研究中不可缺少的重要工具.综述回顾了激光光镊拉曼光谱测量系统理论和技术的发展,展望了全息光镊... 详细信息

激光光镊拉曼光谱技术是光镊技术与拉曼光谱技术交叉融合的产物,能够用于生理条件下单细胞拉曼光谱的测量和分析,已成为细胞生物学、医学研究中不可缺少的重要工具.综述回顾了激光光镊拉曼光谱测量系统理论和技术的发展,展望了全息光镊、声镊、光电镊、光泳镊等新型光镊与拉曼光谱系统融合的前景;根据激光光镊拉曼光谱技术的特点,系统梳理、分析了该技术在生物医学领域,尤其是鼻咽癌的诊断和治疗领域的应用前景.

关键词：激光光镊拉曼光谱全息光镊光电镊光泳镊鼻咽癌

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基于光泳力的光镊系统研究

基于光泳力的光镊系统研究

作者：刘丰瑞中国科学技术大学

学位级别：硕士

光镊是从上个世纪70年代发展起来的一种新型微操控技术,主要是利用光与物质相互作用产生的力来操纵微观物质的,属于非接触式操控。由于它具有精度高,结构简单的特点,经过40年的发展,已经广泛的应用在了物理,化学,生物,材料等众多领域。... 详细信息

光镊是从上个世纪70年代发展起来的一种新型微操控技术,主要是利用光与物质相互作用产生的力来操纵微观物质的,属于非接触式操控。由于它具有精度高,结构简单的特点,经过40年的发展,已经广泛的应用在了物理,化学,生物,材料等众多领域。光镊技术主要可以分为两类：一类基于辐射压和梯度力,这类光镊技术能够对高折射率微粒和反光性微粒进行操控,已经用于对生物细胞,细胞器,生物大分子,胶体颗粒和纳米金属颗粒等的研究中;另一类基于光泳力,能够对气体介质中的强吸光性微粒进行操控,最近几年逐渐得到了研究者的重视。基于光泳力的光镊技术作为一种可以操控气体中微粒的微操控手段,在研究大气科学中气溶胶的动态行为和行星科学中尘埃的运动规律方面有着重要的应用。本文对基于光泳力的光镊技术开展了一系列研究。本文首先设计了一种弱聚焦的圆孔衍射光阱,提出了利用该光场捕获吸光性微粒的可行性。搭建了光镊系统,对光场强度分布进行了验证性测量。我们利用该系统实现了空气中非规则形状的吸光性微粒绕光轴的旋转并且对微粒旋转的成因进行了定性分析。在实验中通过改变激光功率,成功地对粒子的旋转频率进行了周期性调控。实现了多个粒子在垂直于光轴的不同平面内同时旋转,并对旋转的多个微粒进行了整体的三维移动。可以让多个粒子同时以不同直径旋转,粒子的旋转直径最大可达700微米。利用不同形状光阑实现微粒沿不同的轨迹运动。其次,利用单光束光镊实现了对大量微粒的捕获,分析了微粒在不同激光功率下的动态行为。实验中还比较了不同类型的微粒在光场中的分布特点。为了在轴向上强化对微粒的约束以实现微粒的团聚,重新搭建了双光束光镊装置,在实现了微粒团聚的同时观察到了粒子微团在双光束汇聚相交处的旋转。本文还基于液晶空间光调制器搭建并优化了全息光镊系统,并实验比较了入射光偏振方向变化时空间光调制器的相位调制效果。采用相息图实现了涡旋光束并且利用不同拓扑荷的涡旋光束实现了对多个吸光性微粒的捕获。

关键词：光泳力锥环状光阱吸光性微粒全息光镊涡旋光束