ホログラフィックアパーチャの原理とアプリケーションの概要

はじめに：ホログラフィック技術によって形成された複雑なアパーチャは、光学フィールドの振幅のみを制御する通常のアパーチャよりも適応性があるため、微視的な粒子や原子の捕捉や操作など、さまざまな場面で重要なアプリケーション価値があります。 例えば、特別な位相板を用いて作成されたホログラフィックダイアフラムは、小さな粒子の凝集を伝達、分類、または制御することができる。

新世代の光ピンセット - ホログラフィックアパーチャ

光ピンセット技術は、分子生物学、コロイド科学、実験原子物理学および他の分野において極めて重要な役割を果たす。 光ピンセット自体も継続的に開発されており、多くの派生ピンセットが製造されている。 空間光変調器（SLM）によって形成されたホログラフィックアパーチャは、光ピンセットの実用化および大規模な工業生産のための新しい段階を開いたマルチパーティクル操作において利点を有する。 現在、Kwangmaiファミリーの非常にダイナミックなメンバーです。 本稿では、ホログラフィックアパーチャの原理と応用、市場で入手可能な市販のホログラフィックアパーチャシステムのみを簡単に紹介します。 それはアメリカのMeadowlark（BNS）のホログラフィックアパーチャシステムCUBEです。

前書き

シングルビーム粒子トラップとしても知られている光ピンセットは、1969年以来の光粒子相互作用の実験に基づいてA. Ashkinによって1986年に発明されました。シングルビーム粒子トラップは本質的に光放射圧力勾配力トラップであり、 Mieレイリー散乱範囲粒子全体を噛み合わせることができる半径方向圧力勾配力と散乱力との相互作用によって形成されるポテンシャル井戸である。 生物や他の巨大分子（ボール）、細胞小器官などを数nmから数十μmまで弾性的に捕捉し、周囲の環境に実質的に影響を及ぼすことなく物質を捕捉することができる高度に収束した単一ビームレーザーによって形成される。 サブコンタクト、非破壊ライブ操作。

Guanghanは、1986年に発明されて以来、レーザー冷却、コロイド化学、分子生物学の実験研究において、非接触および低損傷の利点を持つ極めて重要な役割を果たしてきました。 光ピンセットの応用分野の継続的な拡大に伴い、より多くの研究ニーズを満たすために、光ピンセット技術自体が、リアルタイムで制御可能な複雑な光トラップの点で絶えず改善されている。 現在、研究者は、実験方法を絶えず改善し、サンプルのブラウン運動を制御することによって、秒単位の変位測定の精度を向上させることができる。 同時に、25nmという小さな粒子を捕捉して観察することができ、より小さなナノ粒子を捕捉することが期待される。 ここ数十年、光ピンセットの開発により、人々は複雑な生体系における運動の分子メカニズムをより詳細に理解することが可能になりました。 表現の形式では、アパーチャデバイスは、元の単一ビーム勾配力光学トラップから多くのタイプの光学ポテンシャルトラップを徐々に進化させた。 二重光、三光、四光、走査光、フェムト秒光など。 この一連の光学誘導体化技術は、軽いファミリーファミリーを豊かにするばかりでなく、二本鎖DNAの解離プロセスの測定や生物学のような様々な分野のマイクロナノスケール研究のための非常に独創的なツールを提供しました。分子モーターの研究。 移動メカニズム、イネ染色体の分離など。多光子トラップ制御技術は、多くの実験研究においてますます重要になってきている。 複数のアパーチャおよびトラップ位置を制御するための単純な単一ビーム勾配力光学トラップ、マルチ光学トラップまたは新規光学ポテンシャルトラップを生成する方法としてのホログラフィックピンセットの連続開発における光ピンセット。 それは、様々な機能の光トラップを構成するだけでなく、三次元光トラップアレイを実現し、一連の研究開発につながった。 科学者Grirは、ホログラフィックアパーチャが光学操作における技術革命につながると予測した。

ホログラフィックアパーチャの原理

ホログラム素子は、ホログラム振動板を構成する重要な要素である。 フィルム記録対象光と参照光とで形成される干渉パターンである。 物体光の場が再生されると、元の参照光のみがホログラム素子に照射され、再構成された物体が得られる。 ライトフィールド。 ホログラフィックアパーチャは、ホログラフィック素子を用いて特定の機能を有するライトフィールドを構成することによって形成されたダイアフラムである。 形成される光場の性質が異なるため、ホログラフィックアパーチャは、単一粒子の回転、複数の粒子の操作および分類などの異なる機能を達成する。 最も初期のホログラフィックアパーチャは、1998年にシカゴ大学のEric R. Dufresneによって実装されました。彼らは、コリメートされたレーザビームを複数の独立したビームに分割する回折光学素子（DOE）を使用しました。多重開口。 ホログラフィックアパーチャを構築するための鍵は、実際のニーズに基づいて適切なホログラム要素を選択することです。 ホログラムを生成する伝統的な方法は、コヒーレント光干渉計の使用である。 欠点は、ホログラムの回折効率が低く、時間がかかり、汎用性が低いことです。 従って、それらはホログラフィックアパーチャに広く使用されていない。 現在、ホログラフィックホログラムは、大部分が空間光変調器（SLM）によって形成されている。 一般的な空間光変調器は、液晶空間光変調器、光磁気空間光変調器、デジタルマイクロミラーアレイ（DMD）、多重量子井戸空間光変調器、および音響光学変調器を含む。 また、特定の回折光学素子を作成して光の場を変調するために、UVリソグラフィを使用することも可能である。 現在では、ホログラム素子を実現するためのコンピュータでアドレス指定された液晶空間光変調器が使用されており、形成された光トラップはホログラム素子を変えることによって動的に変更することができる。

コンピュータの登場に先立ち、限られた形状のホログラムを形成するためにはレーザホログラムが必要であった。 コンピュータの助けを借りて、あらゆる形状のホログラムを実現することができます。 しかし、新たに設計された光トラップが実装されるたびに、対応するホログラムを再計算する必要があります。 コンピュータスピードの絶え間ないリフレッシュと新しいアルゴリズムの出現により、一般的な科学研究機関でどのような形状のホログラフィックアパーチャも容易に実現できます。 原則的に、ホログラフィックアパーチャは、任意の形状、サイズ、および数の光トラップを生成することができる。 捕捉された光の位相分布を変化させることにより、トラップされた粒子は、設定されたコースに従って光トラップ内を移動することができ、それによって虹彩選別粒子を実施するためのより便利なツールを提供する。 レーザキャプチャ技術の継続的な進歩とキャプチャオブジェクトの絶え間ない変化により、従来のシングルビーム勾配力光学トラップは、もはや微視的な粒子キャプチャの新しい要求を満たすことができません。 新たな光学技術として、ホログラフィックアパーチャの追加により、クリプトンファミリーは活力に満ちていました。 ホログラフィックアパーチャは、複数の粒子を捕捉して操作し、表面プラズモン共鳴捕捉粒子を達成する分野において大きな期待を示している。 ホログラフィックアパーチャの利点と欠点を完全に認識することで、ホログラフィックアパーチャを設計する際の利点を十分に活用し、実際のニーズを満たす優れた性能のホログラムアパーチャを設計し、分子生物学および生物学に使用できるようになります。 化学、ナノ製造などの分野は、独自の利点を発揮し、学際的な研究に役立つ情報を提供します。

ホログラフィックアパーチャの典型的な応用

光と粒子との間の運動量または角運動量の交換のために、光場は、顕微鏡粒子を捕捉、移動、伸張または回転させるための従来の非接触ツールとなる。 従来の方法は、決定されたスピン角運動量を有するビームを得るために波長板及び偏光装置を利用し、特定のホログラムを用いて、渦ビームのような軌道角運動量を有するビームを得ることができる。 これは、ホログラフィックアパーチャの適用を拡大し、粒子の光回転、複数の粒子の操作、および複雑な動きに関して、独特の利点を示す。

1新しい中空ライトフィールドが微粒子を捕捉して回転させる

光子には線形運動量と角運動量があり、角運動量には軌道角運動量と回転角運動量が含まれます。 その中でも、スピン角運動量はビームの偏光状態に依存し、プリズムや波長板などによって変化させることができる。 2007年にWangグループは、ナノ製造技術を使用して円筒状のナノ石英粒子を製造しました。 粒子はアパーチャ内で回転し、dsDNAのねじり力およびモーメントを測定する。 この技術は、複屈折粒子を回転させるために光子のスピン角運動量を使用する。

1991年に、Satoらは、 開口部内の粒子の光誘起回転を最初に実現し、使用されるビームは回転する高次エルミート - ガウス光であった。 中空ガウス、ラゲールガウス、高次ベッセル、中空中空ベーネル、中空LP01中空ビームなど、粒子の光誘起回転を研究するために一連の新しい光トラップが使用されています。 この方法の利点は、粒子がトラップされるときに生じる熱効果が小さく、共通のガウスビームによって形成されるシングルビーム勾配力トラップの新しい特性がないことである。 伝統的なホログラフィック技術は、光誘導回転におけるこれらの新しいタイプのビームの適用を促進している。 軌道角運動量は、明視野の特定の空間分布に関連する。

軌道角運動量を有するビームは回転式ドーブプリズムによって生成することができるが、これは光学波長範囲内のプリズムの非常に精密な配置を必要とし、これは実現が難しく、ビーム特性を動的に変更することができない。 ホログラフィック技術の使用は、これらの欠点を克服する。 これは、Laguerre-Gaussian（LG）ビーム、Bessel Besselビーム、Hermite-Gaussianビームなどの適切なホログラムを使用して、軌道角運動量または特定の回折特性を有する光ビームを容易に得ることを可能にする。

さらに、ボルテックスライトトラップなどのホログラフィック技術によって作成された新しい光トラップは、界面に近接場アパーチャを作成し、金属粒子を捕捉して回転させることができます。 2008年に、Maria Dienerowitzらは、 スコットランドのセントアンドリュース大学では、ナノ金粒子を捕獲するためにLG光を使用していました。 彼らは表面プラズモン共鳴に近いビームを用いて金粒子をLG光の暗視野領域に閉じ込め、光子の軌道角を使用した。 光学トラップ内に同時に閉じ込められた2つの100nm金ナノ粒子の回転を実現するモーメント移動。

2多粒子複合体の動き

光波面補正技術の使用によって生成される力は、科学技術および工学用途の多くの分野において迅速な制御を達成することができる。 例えば、ホログラフィックアパーチャは、リアルタイムで複数の粒子を動的に捕捉し、操作することができる。 Jesacher et al。 オーストリアのInnsbruck School of Medicineは複雑な光波を発生させるための液晶空間光変調器の有用性に関する広範な研究を行った。 それらは、光学フィールドの振幅と位相を別々に制御することによって、予め構成された光学トラップ内の微視的誘電体ペレットを捕捉し、操作する。 ライトフィールドの振幅と位相を変更すると、十字、矩形、円形などの特殊形状のライトトラップを実現するだけでなく、特定のパスに沿ったパーティクルの移動を制御することもできます。 原理的には、任意の形状の光トラップで粒子捕捉を実現することが可能である。 コントロール。

3ホログラムのその他の応用

ホログラフィック技術によって形成された複合アパーチャは、光学フィールドの振幅のみを制御することができる通常のアパーチャよりも適応性があるため、微視的な粒子または原子を捕捉し、操作するなどの様々な機会において重要な応用価値を有する。 例えば、特別な位相板を用いて作成されたホログラフィックダイアフラムは、小さな粒子の凝集を伝達、分類、または制御することができる。

現在、ホログラフィック技術を使用することにより、最大400の光学トラップを有するホログラフィックアレイアパーチャを得ることができる。 コンピュータ技術と組み合わせて、個々の光トラップの特性を動的に変更することもできます。 このようにして生成されたリアルタイムの光トラップは、ウイルス、小さなコロイド、および水泳バクテリアのような動く、高度に分散した物体を捕捉することができる。 さらに、角運動量を有する線形、ベッセル光学トラップ、光学渦トラップを生成することもできます。 これらの異常なライトトラップは、イメージプレーンまたは光軸上の円形オブジェクトの調整、回転、回転、およびその他の非典型的操作を可能にします。 これらの研究は、ホログラフィックアパーチャの適用範囲をさらに拡大し、クロスサイエンスの研究会で素晴らしい作品となっています。

ホログラフィックアパーチャは、複数の粒子を制御する自由を特徴とし、融合、吸着、および粒子または表面間の相互作用をより容易にする。 例えば、ウイルスは細胞に移植されるか、または精子は卵細胞に移植され、分子間結合力は多機能性ボールおよび表面を用いて検出される。 光トラップ内の物体の挙動を観察することによって、物体または周囲環境の特性を正確に測定することも可能である。 マルチウェルトラップは、単一の分子と細胞膜および流体との間の界面で材料を伸張または曲げることができる。 このような実験は、多くのシステムにおける弾性率、表面エネルギー、吸着力に関する情報を得ることができ、同時に、ミクロスケールの機械的特性の研究を単純化する。 ホログラフィックアパーチャを使用して、特定の構造を組み立てることができます。 蛍光または反射光の照明では、透明な基板または電極上に特定の材料を見て配置することができる。 ホログラフィックアパーチャは、3次元で新しい物理的または光学的特性を有する多くの材料を構成することができる。 可能性のある用途は、フォトニック結晶バンドギャップ材料の構築、生物学的またはナノスケールの電子コンポーネントの作製、および電気特性を測定するための電極上の異なる材料の堆積である。 2007年、米国の科学者は赤外線を使ってシリコンウェーハ上の粒子の動きを制御しました。 彼らは赤外光を透過し、CCDで検出できるように適切な厚さとドーピング濃度のシリコンウェーハを選択しました。 この技術は、液相の粒子の伝統的な捕捉のボトルネックを打ち破ります。 ホログラフィックダイヤフラム技術を組み合わせると、特定のソリッド面に意味のある構造を組み立てることができます。

特に、ホログラフィックアパーチャの発明前に、アパーチャダイヤフラム技術は主として単一粒子の基礎研究に焦点を当てており、複数の粒子を操作する際のホログラフィックアパーチャの利点は、光ピンセットの大規模工業用製造。 新しい状況。

製品の例

現在市販されているアパーチャシステムは主にAODを使用し、Meadowlark（BNS）のホログラフィックアパーチャシステムCUBEは唯一の市販のホログラフィックアパーチャシステムです。 その構造は以下の通りです：

AODを使用する他のアパーチャと比較すると、Meadowlark（BNS）のホログラフィックアパーチャシステムCUBEには次のような特徴があります。

現在、商業的に入手可能なマルチアパーチャシステムはすべて、異なる光トラップを形成するためにAOD（高速変調）レーザを使用し、平行移動などの2次元（x、y-方向）面しか扱うことができない。 液晶空間光変調器は、光の強度および位相を変調することができ、真の3D操作である。 翻訳だけでなく、粒子や細胞の3次元回転やその他の操作も可能です。

光を位相調整することができるので、液晶空間光変調器は、位相差を補正し、レーザスポットを調整し、光トラップ分布をより理想的にすることができる。

（a）SLMにロードされた位相差を補正するために使用される位相図（b）前補正光スポット（c）補正された光スポット

液晶空間光変調器（SLM）は、AODよりも高い90％を超える回折効率を有し、レーザの利用率が高い。

4.高速スイッチングにより複数の光トラップを形成するAODと異なり、液晶空間光変調器（SLM）は複数の集束ビームを同時に生成することができ、各ビームは別個の光トラップを形成するので、光トラップが良いです。