Egwyddor agoriad holograffig a throsolwg o'r cais

Cyflwyniad: Mae gan yr agorfa gymhleth a ffurfiwyd gan dechnoleg holograffig werth cymwysiadau pwysig mewn gwahanol achlysuron megis casglu a thrin gronynnau neu atomau microsgopig, gan ei fod yn fwy hyblyg na'r agoriadau arferol sy'n rheoli amledd y cae optegol yn unig. Er enghraifft, gall diaffram holograffig a grëir gyda phlât cyfnod arbennig drosglwyddo, didoli neu reoli cydgrynhoi gronynnau bach.

Genhedlaeth newydd o goliau optegol - agoriad holograffig

Mae technoleg golchi optegol yn chwarae rhan hynod bwysig mewn bioleg moleciwlaidd, gwyddoniaeth colloid, ffiseg atom arbrofol a meysydd eraill. Mae'r tweezers optegol eu hunain hefyd wedi cael eu datblygu'n barhaus a chynhyrchwyd llawer o ffitiadau deilliadol. Mae'r agoriad holograffig a ffurfiwyd gan y Modulau Ysgafn Gofodol (SLM) yn cael manteision mewn triniaeth aml-gronynnau, sydd wedi agor cam newydd ar gyfer cymhwyso tweezers optegol a chynhyrchu diwydiannol ar raddfa fawr yn ymarferol. Ar hyn o bryd mae'n aelod deinamig iawn o deulu Kwangmai. Mae'r papur hwn yn cyflwyno'n fyr egwyddor a chymhwyso agoriad holograffig, a'r unig system agorfa holograffeg sydd ar gael yn fasnachol ar y farchnad. Dyma'r system agoriad holograffig, CUBE, o Fairwick American (BNS).

cyflwyniad

Dyfeisiwyd tweezers optegol, a elwir hefyd yn drapiau gronynnau un-haam, yn 1986 gan A. Ashkin ar sail yr arbrawf o ryngweithiadau gronynnau golau ers 1969. Yn y bôn, mae'r trap gronynnau un-haam yn yr un hanfod yn trap grym graddio pwysedd ymbelydredd optegol, ac mae'n bosibl ei ffurfio'n dda gan ryngweithiad y llu gwasgariad a'r grym graddiant pwysedd radial sy'n gallu cuddio holl ronynnau gwasgariad Mie a Rayleigh. Fe'i ffurfiwyd gan laser trawst trawsog cydgyfeiriedig, sy'n gallu dal organebau neu macromoleciwlau eraill (peli), organelles, ac ati o gyfryngau nm i sawl deg o μm, ac yn dal y deunydd heb effeithio'n sylweddol ar yr amgylchedd cyfagos. Gweithrediad is-gyswllt, di-ddinistriol.

Ers ei ddyfeisio yn 1986, mae Guanghan wedi chwarae rhan bwysig iawn yn yr ymchwil arbrofol o oeri laser, cemeg colloid, a bioleg foleciwlaidd gyda'i fanteision o ddifrod nad yw'n gysylltiedig â ni ac yn isel. Gyda ehangu parhaus y broses o gymhwyso tweezers optegol, er mwyn cwrdd â mwy o anghenion ymchwil, mae technoleg tweezers optegol ei hun yn gwella'n gyson o ran trapiau optegol cymhleth sy'n cael eu rheoli'n amser real. Ar hyn o bryd, gall ymchwilwyr wella cywirdeb mesuriadau dadleoli ar raddfa amser eiliadau trwy wella'r dull arbrofol yn gyson a rheoli'r cynnig Brownian o'r sampl. Ar yr un pryd, gellir cipio ac arsylwi gronynnau mor fach â 25 nm, a disgwylir iddynt ddal nanoparticles llai. Yn ystod y degawdau diwethaf, mae datblygu tweezers optegol wedi ei gwneud yn bosibl i bobl ddeall yn fanylach y mecanweithiau moleciwlaidd o gynnig mewn systemau biolegol cymhleth. Mewn ffurf mynegiant, esblygu'r ddyfais agor yn raddol nifer o fathau o drapiau potensial optegol o'r trap optegol gors graddiant trawst gwreiddiol sengl. O'r fath fel golau dwbl, tair golau, pedwar golau, golau sganio, golau benywaidd, ac yn y blaen. Mae'r gyfres hon o dechnolegau derivatization optegol nid yn unig wedi cyfoethogi'r teulu o deuluoedd ysgafn, ond hefyd yn darparu offeryn dyfeisgar iawn ar gyfer ymchwil micro-nanoscale mewn gwahanol feysydd megis gwyddorau biolegol, megis mesur y broses ddiddymu o DNA dwbl a llinellau dwbl. astudio moduron moleciwlaidd. Mecanwaith symud, gwahanu cromosomau reis, ac ati Mae technoleg rheoli trap aml-optegol wedi dod yn fwyfwy pwysig mewn nifer o astudiaethau arbrofol. Mae pwysedd optegol yn y datblygiad parhaus o drap optegol grym graddiant sengl syml i reoli llestri lluosog a safleoedd trap, yn tynnu sylw at goliau holograffig fel dull ar gyfer creu trapiau aml-optegol neu drapiau potensial optegol newydd. Gall nid yn unig yn cynnwys trapiau golau o wahanol swyddogaethau, ond hefyd yn sylweddoli arfau trap optegol tri dimensiwn, ac mae wedi arwain at gyfres o ymchwil a datblygu. Rhagwelodd y Gwyddonydd Grir y bydd yr agoriad holograffig yn arwain at chwyldro technolegol wrth drin optegol.

Egwyddor agoriad holograffig

Mae'r elfen hologram yn elfen allweddol sy'n ffurfio'r diaffrag hologram. Mae'n batrwm ymyrraeth a ffurfiwyd gan y golau gwrthrych recordio ffilm a'r golau cyfeirio. Pan atgynhyrchir y maes golau gwrthrych, dim ond y golau cyfeirio gwreiddiol sydd wedi'i arbelydru ar yr elfen hologram i gael y gwrthrych a adluniwyd. Cae ysgafn. Mae agorfa holograffig yn diaffrag a ffurfiwyd trwy ddefnyddio elfen holograffig i adeiladu cae ysgafn gyda swyddogaeth benodol. Oherwydd natur wahanol y maes golau a ffurfiwyd, bydd agoriadau holograffig yn cyflawni gwahanol swyddogaethau, megis cylchdroi gronynnau sengl, trin a threfnu gronynnau lluosog, ac ati. Cafodd yr agoriadau holograffig cynharaf eu gweithredu gan Eric R. Dufresne o Brifysgol Chicago ym 1998. Defnyddiant elfen optegol dargyfeiriol (DOE) i rannu traw laser gwrthdaro mewn trawstiau annibynnol lluosog, a oedd yn canolbwyntio ar lens cyfunol cryf i ffurfio Agoriad lluosog. Yr allwedd i adeiladu agorfa holograffig yw dewis yr elfen holograffig briodol yn seiliedig ar anghenion gwirioneddol. Y dull traddodiadol o gynhyrchu hologramau yw'r defnydd o interferometry golau cydlynol. Yr anfantais yw bod yr hologramau y maen nhw'n eu cymryd yn isel mewn effeithlonrwydd gwasgaru, yn cymryd llawer o amser ac yn aml yn hyblyg. Felly, nid ydynt yn cael eu defnyddio'n eang mewn agorfeydd holograffig. Ar hyn o bryd, mae hologramau holograffig yn cael eu ffurfio yn bennaf gan modulators golau gofodol (SLMs). Mae modulatwyr golau gofodol cyffredin yn cynnwys modulatwyr ysgafn gofodol hylif, modulatyddion golau gofodol magneto-optegol, matrics micromirror digidol (DMD), modulatyddion ysgafn gofodol cwantwm lluosog, a modulatyddion acwsto-optig. Mae hefyd yn bosibl defnyddio llythograffu UV i wneud elfennau optegol dargyfeiriol penodol i addasu'r maes golau. Mae'r rhan fwyaf o'r hyn a ddefnyddir yn awr yn modulator goleuadau gofodol crystig hylif sy'n cael ei gyfeirio at gyfrifiadur i weithredu elfen hologram, a gellir newid y trap golau wedi'i ddeinameiddio trwy newid yr elfen hologram.

Cyn dyfodiad cyfrifiaduron, roedd angen hologramau laser i ffurfio hologramau o siâp cyfyngedig. Gyda chymorth cyfrifiaduron, gellir gwireddu hologramau o unrhyw siâp. Fodd bynnag, bob tro y caiff trap ysgafn newydd ei weithredu, mae angen ailgyfrifo'r hologram cyfatebol. Gyda diweddariad cyson o gyflymder cyfrifiadurol ac ymddangosiad algorithmau newydd, gellir gwireddu agoriadau holograffig o unrhyw siâp yn hawdd mewn labordai ymchwil gwyddonol cyffredinol. Mewn egwyddor, gall agoriadau holograffig gynhyrchu trapiau golau o unrhyw siâp, maint a rhif. Drwy newid dosbarthiad cam y golau a gasglwyd, gellir symud y gronynnau sydd wedi'u dal yn y llwybr golau yn ôl cwrs penodol, gan ddarparu offeryn mwy cyfleus ar gyfer gweithredu'r gronynnau dosbarthu iris. Gyda chynnydd parhaus technoleg dal laser a'r newid cyson o wrthrychau casglu, ni all trapiau optegol gorsedd graddol un-seam traddodiadol ateb y galw newydd am gipio gronynnau microsgopig mwyach. Fel technoleg optegol sy'n dod i'r amlwg, mae ychwanegu agoriadau holograffig wedi galluogi teulu Krypton i fod yn llawn bywiogrwydd. Mae agoriadau holograffig wedi dangos addewid wych ym meysydd caffael a thrin gronynnau lluosog a chyflawni gronynnau cywasgu plasmon arwyneb. Mae cydnabod holl fanteision ac anfanteision agoriadau holograffig yn helpu pobl i fanteisio'n llawn ar eu manteision wrth ddylunio agoriadau holograffig a goresgyn diffygion trwy ddylunio agoriadau holograffig gyda pherfformiad uwch sy'n diwallu anghenion gwirioneddol, gan eu galluogi i gael eu defnyddio mewn bioleg a bioleg moleciwlaidd. Mae cemegau, nano-weithgynhyrchu a meysydd eraill yn manteisio ar eu manteision unigryw ac yn darparu gwybodaeth fwy gwerthfawr ar gyfer ymchwil rhyngddisgyblaethol.

Cais nodweddiadol agoriad holograffig

Oherwydd cyfnewid momentwm neu fomentwm onglog rhwng golau a gronynnau, mae'r maes golau yn dod yn offeryn traddodiadol nad yw'n gyswllt i gasglu, symud, ymestyn, neu gronynnau microsgopig cylchdroi. Mae'r dull traddodiadol yn defnyddio plât tonnau a dyfais polareiddio i gael trawst â momentwm onglog pennawd pwrpasol, a gellir defnyddio hologram penodol i gael trawst gyda momentwm onglog orbitol, fel trawst geiriau. Mae hyn yn ehangu cymhwysiad agoriadau holograffig ac yn dangos ei fanteision unigryw o ran cylchdroi lluniau gronynnau, trin gronynnau lluosog, a chynnig cymhleth.

1 Mae Maes Ysgafn Hollow Newydd yn Cipio a Chylchredeg Gronynnau Cain

Mae gan ffotonau fomentwm llinol a momentwm onglog, a momentwm onglog yn cynnwys momentwm onglog orbitol a momentwm asgwrn sbin. Yn eu plith, mae'r fomentwm onglog sbin yn dibynnu ar gyflwr polareiddio'r trawst, y gellir ei newid gan brisiau, platiau tonnau, ac ati. Yn 2007, defnyddiodd grŵp Wang dechnoleg nano-weithgynhyrchu i baratoi gronynnau nano-chwarts silindrog. Mae'r gronynnau'n cylchdroi yn yr agorfa ac yn mesur grymoedd torsiynol ac eiliadau y dsDNA. Mae'r dechneg hon yn defnyddio momentwm onglog y ffotonau i wneud y gronynnau anghyfartal yn cylchdroi.

Yn 1991, Sato et al. sylweddoli gyntaf y cylchdro a achoswyd gan luniau o gronynnau mewn agorfa, ac roedd y trawst a ddefnyddiwyd yn golau Hermite-Gaussian gorchymyn uchel. Defnyddiwyd cyfres o drapiau ysgafn newydd i astudio'r cylchdro a achoswyd gan luniau o gronynnau, megis Gawsai gwag, Laguerre-Gaussian, Bessel gorchudd uwch, bagel wag gwag, a thrawstiau gwag LP01 gwag. Mantais y dull hwn yw bod yr effaith thermol a gynhyrchir pan fydd y gronynnau yn cael eu dal yn fach, ac nid oes nodwedd newydd o'r trap grym graddiant un-haam a ffurfiwyd gan haen Gaussian gyffredin. Mae technoleg holograffeg traddodiadol wedi hyrwyddo cymhwyso'r mathau newydd o drawiau hyn mewn cylchdro a achosir gan luniau. Mae'r momentwm onglog orbitol yn gysylltiedig â dosbarthiad gofodol penodol y maes golau.

Gall y trawst â momentwm onglog orbitol gael ei gynhyrchu gan brism Dove sy'n cylchdroi, ond mae hyn yn gofyn am drefniadaeth fanwl iawn o'r prisiau yn yr ystod tonfedd optegol, sy'n anodd ei gyflawni ac ni allant newid nodweddion trawiadol yn ddynamig. Mae'r defnydd o dechnoleg holograffig yn goresgyn y diffygion hyn. Mae'n caniatáu i un gael trawstiau golau yn hawdd â momentwm onglog orbital neu nodweddion difreiddio penodol gan ddefnyddio hologramau addas, megis trawstiau Laguerre-Gaussian (LG), Bessel Bessel Beam, halen Hermite-Gaussian, ac ati.

Yn ogystal, mae trapiau goleuni newydd a grëir gan dechnegau holograffig, megis trapiau golau vortex, yn creu agoriadau maes cae ar y rhyngwyneb y gellir eu defnyddio i ddal a chylchdroi gronynnau metel. Yn 2008, Maria Dienerowitz et al. o Brifysgol St. Andrews yn yr Alban yn defnyddio golau LG i ddal gronynnau nanogold. Defnyddiant beam ger resoniant plasmon arwyneb i gyfyngu gronynnau aur i ranbarth cae tywyll LG golau, ac i ddefnyddio ongl orbital ffotonau. Trosglwyddo momentwm, gan wireddu cylchdroi dau nanoparteg aur 100 nm a gludir yn y trap optegol ar yr un pryd.

2 Symudiad aml-gronynnau cymhleth

Gall yr heddlu a gynhyrchir trwy ddefnyddio technoleg cywiro tonnau optegol gyflawni rheolaeth gyflym mewn sawl maes o wyddoniaeth a thechnoleg a cheisiadau peirianneg. Er enghraifft, gall agoriadau holograffig ddal ati i ddal a thrin gronynnau lluosog mewn amser real. Jesacher et al. o Ysgol Feddygaeth Innsbruck yn Awstria ymchwil helaeth ar ddefnyddioldeb modulators golau gofodol grisial i gynhyrchu tonnau golau cymhleth. Maent yn dal a thrin pelenni dielectrig microsgopig mewn trapiau optegol wedi'u ffurfweddu ymlaen llaw gan reoli amledd a chyfnod y cae optegol ar wahân. Ni all newid amplitude a chyfnod y maes golau yn unig sylweddoli trapiau ysgafn o siapiau arbennig megis croes, petryal, a chylch, ond hefyd yn rheoli symudiad gronynnau ar hyd llwybrau penodol. Mewn egwyddor, mae'n bosib gwireddu gronynnau mewn trapiau ysgafn o siapiau mympwyol. Rheoli.

3 Cymhwyso hologram arall

Mae gan yr agorfa gymhleth a ffurfiwyd gan y dechneg holograffig werth cymwysiadau pwysig mewn gwahanol achlysuron megis casglu a thrin gronynnau neu atomau microsgopig, gan ei fod yn fwy hyblyg na'r agorfeydd arferol a all ond reoli ehangder y cae optegol. Er enghraifft, gall diaffram holograffig a grëir gyda phlât cyfnod arbennig drosglwyddo, didoli neu reoli cydgrynhoi gronynnau bach.

Ar hyn o bryd, gellir cael agoriadau amrywiaeth holograffig gyda hyd at 400 o drapiau optegol trwy ddefnyddio technoleg holograffeg. Ar y cyd â thechnoleg gyfrifiadurol, gall nodweddion trapiau optegol unigol gael eu newid yn ddeinamig hefyd. Gall y trapiau golau amser real a gynhyrchir felly ddal gwrthrychau symudol a gwasgaredig iawn fel firysau, colloidau bach a bacteria nofio. Yn ogystal, gellir cynhyrchu trapiau optegol llinellol, Bessel, a thrapiau vecteg optegol gyda momentwm ongl hefyd. Mae'r trapiau golau anarferol hyn yn ei gwneud hi'n bosibl addasu, cylchdroi, cylchdroi, a chreu gwrthrychau cylchol yn yr awyren ddelwedd neu echelin optegol, yn ogystal â thriniaethau annodweddiadol eraill. Mae'r astudiaethau hyn wedi ehangu ehangu cwmpas cymhwyso agoriadau holograffig ymhellach, gan ei gwneud yn waith gwych yn y neuadd ymchwil groes-wyddoniaeth.

Nodweddir agoriadau holograffig gan ryddid i reoli gronynnau lluosog, gan wneud y cyfuniad, assugno, a rhyngweithio rhwng gronynnau neu arwynebau yn haws. Er enghraifft, mae'r feirws yn cael ei fewnblannu i gelloedd neu mae'r sberm yn cael ei fewnblannu i'r celloedd wyau, ac mae'r grym rhwymo intermolecular yn cael ei ganfod gan ddefnyddio peli ac arwynebau amlswyddogaethol. Trwy arsylwi ymddygiad y gwrthrych yn y llwybr golau, mae hefyd yn bosibl mesur yn gywir nodweddion y gwrthrych neu'r amgylchedd cyfagos. Gall trap aml-dda ymestyn neu blygu deunydd yn y rhyngwynebau rhwng moleciwlau sengl a philenni celloedd a hylifau. Gall arbrofion o'r fath gael gwybodaeth am modiwlau elastig, ynni arwyneb, a grym assugno mewn sawl system, ac ar yr un pryd, symleiddio'r astudiaeth o eiddo mecanyddol micro-radd. Gellir defnyddio agorfeydd holograffig i ymgynnull strwythurau penodol. Gyda goleuadau golau fflwroleuol neu adlewyrchiedig, gellir gweld deunydd penodol a'i leoli ar is-haen neu electrod dryloyw. Gall agoriadau holograffig drefnu llawer o ddeunyddiau gydag eiddo ffisegol neu optegol newydd mewn tri dimensiwn. Ceisiadau posibl yw adeiladu deunyddiau bandgap grisial ffotonig, ffabrigau cydrannau electronig biolegol neu nanoscale, a dyddodiad gwahanol ddeunyddiau ar electrodau i fesur eu heiddo trydanol. Yn 2007, roedd gwyddonwyr yn yr Unol Daleithiau yn defnyddio golau isgoch i reoli symudiad gronynnau ar wafer silicon. Dewisasant wafer silicon o'r crynodiad trwchus a chyffuriau priodol fel y gallai dreiddio goleuni is-goch a gellid ei ganfod gan y CCD. Mae'r dechnoleg hon yn torri trwy drac darn casgliad traddodiadol y gronynnau yn y cyfnod hylif. Os ydych chi'n cyfuno technoleg diagramm holograffig, gallwch chi ymgynnull strwythurau ystyrlon ar arwynebau solet penodol.

Yn benodol, cyn dyfeisio'r agoriad holograffig, mae'r dechnoleg diaffram agorfa yn canolbwyntio'n bennaf ar ymchwil sylfaenol gronynnau sengl, ac mae'r fantais o agoriad holograffig wrth drin gronynnau lluosog yn agor cymhwysiad ymarferol tweezers optegol i ddiwydiant ar raddfa fawr cynhyrchu. Mae sefyllfa newydd.

Enghreifftiau o gynhyrchion

Ar hyn o bryd, mae systemau agorfa fasnachol sydd ar gael yn bennaf yn defnyddio system agoriad holograffig AOD, a Meadowlark (BNS) CUBE yw'r unig system agorfa holograffeg fasnachol. Mae ei strwythur fel a ganlyn:

O'i gymharu ag agorfeydd eraill gan ddefnyddio system agorfa holograffig AOD, y dolydd (BNS) mae gan CUBE y nodweddion canlynol:

1. Ar hyn o bryd, mae systemau aml-agorfa sydd ar gael yn fasnachol oll yn defnyddio laserau AOD (modiwleiddio cyflymder) i ffurfio trapiau ysgafn gwahanol, a gallant ond trin awyrennau dau ddimensiwn (x, y-cyfeiriad) fel cyfieithu. Gall modulator golau gofodol crisial hylif modiwleiddio dwysedd a chyfnod y golau ac mae'n driniaeth wir 3D. Nid yn unig cyfieithiad, ond hefyd cylchdro tri dimensiwn a thriniaeth gronynnau a chelloedd eraill.

2. Gan y gellir addasu'r golau yn raddol, gall y modulator golau gofodol hylifol gywiro'r gwahaniaeth cam, addasu'r man lle laser, a gwneud y dosbarthiad golau ysgafn yn fwy delfrydol.

(a) Diagramau cam a ddefnyddir i gywiro gwahaniaethau'r cyfnod a lwythir ar y SLM (b) Sbot ysgafn cyn-gywiro (c) Sbot ysgafn wedi'i gywiro

3. Mae gan y modulator golau gofodol grisial (SLM) effeithlonrwydd gwasgariad o fwy na 90%, yn uwch na AOD, ac mae ganddi ddefnydd uwch o'r laser.

4. Yn wahanol i'r AOD sy'n ffurfio trapiau golau lluosog trwy newid cyflym, gall Modiwlaidd Golau Gofodol Liquid (SLM) greu trawiau lluosog sy'n canolbwyntio ar yr un pryd, pob trawst yn ffurfio trap ysgafn ar wahân, felly y golau Mae siâp sefydlog mae'r trap yn well.