空間光調(diào)制器LCOS-SLM及科研相機(jī)在光鑷研究中的應(yīng)用

1986年"光鑷之父" Arthur Ashkin發(fā)明了光鑷，他的工作核心是利用光學(xué)梯度力進(jìn)行光學(xué)捕獲和操控小型介質(zhì)粒子。并且他將光學(xué)捕獲技術(shù)發(fā)展到了捕獲并操控活體材料——例如細(xì)菌、病毒和細(xì)胞。將材料"夾"在一定的位置的激光技術(shù)被稱為"光鑷"。通過這項(xiàng)研究，Ashkin 探索了細(xì)胞的內(nèi)部，操控細(xì)胞的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，并且奠定了發(fā)現(xiàn)更好地了解人體健康、疾病狀態(tài)方法的基礎(chǔ)?？梢岳鋮s并捕獲原子的技術(shù)引領(lǐng)了基礎(chǔ)科學(xué)里程碑式的進(jìn)步，例如原子蒸氣中玻色愛因斯坦冷凝物(Bose-Einstein condensates)的創(chuàng)造。

以下將就產(chǎn)生光鑷的空間光調(diào)制器(LCOS-SLM)，以及觀察光鑷工作的科研級sCMOS相機(jī)進(jìn)行介紹。

# 可以同時產(chǎn)生多個光鑷的空間光調(diào)制器(LCOS-SLM)

濱松空間光調(diào)制器產(chǎn)品

通過小小的液晶屏，就可以將一束普通高斯光編程許多個"高級鑷子"，例如攜帶軌道角動量可以讓粒子旋轉(zhuǎn)起來的"渦旋光"，無衍射的"貝塞爾光"等等，由于其可編程的特性，還可以同時產(chǎn)生多個三維空間分布的光阱。

以下進(jìn)行展示：

# 可以觀察光鑷工作的科研級sCMOS相機(jī)

對于光鑷應(yīng)用中的相機(jī)來說，有兩個關(guān)鍵參數(shù)需要注意：分辨率和幀速。

1.分辨率

由于光鑷所操控的粒子都是細(xì)胞器級別的非常微小的粒子，所以在光學(xué)系統(tǒng)(顯微鏡)分辨率一定的情況下，相機(jī)的分辨率越高，就越能看清楚捕獲微觀粒子的細(xì)節(jié)。關(guān)于相機(jī)分辨率的詳細(xì)科普，請閱讀→相機(jī)像素尺寸(像元大小)和成像系統(tǒng)分辨率之間的關(guān)系

2.幀速

為了保持被操控粒子的活性，光鑷對微觀粒子操控的速度是非常快的，因此就需要相機(jī)有足夠高的幀速來捕獲微觀粒子的運(yùn)動。可以說高速是光鑷的核心需求。"光鑷是一種非接觸式3D定位方法，適用于微米/納米級別的操縱和組裝等領(lǐng)域。在這些應(yīng)用中，在高速下相對長距離操縱粒子的能力對于確定整體工藝效率和產(chǎn)量至關(guān)重要。"(Fundamental Limits of Optical Tweezer Nanoparticle Manipulation Speeds)。

而對于相機(jī)來說，幀速越高，意味著曝光時間越短，曝光時間短會導(dǎo)致相機(jī)接收到的信號弱，這樣為了保證圖像足夠清晰，就需要相機(jī)有足夠高的信噪比，也就是相機(jī)的噪聲要足夠小才能達(dá)到這樣的高幀速。

例如在Matti Kinnunen, Adjunct Professor of University of Oulu 的例子"OPTICAL TWEEZERS: PRINCIPLES AND SELECTED APPLICATIONS"中，就使用了1000幀/秒的幀速來拍攝2.54μm的二氧化硅小球。

濱松科研級相機(jī)ORCA系列，擁有業(yè)內(nèi)突出的的高速、高靈敏度性能，可在光鑷研究中發(fā)揮出出色的作用。文末可見具體產(chǎn)品信息。

審核編輯黃宇