施加光梯度力的设备

本发明总的地指向一种控制光阱用的方法和设备。更具体地说， 本发明指向用于动态地控制光阱阵列和用粒子可控地填充光阱阵列的 方法和设备。此种方法和设备能够动态地变化光阱位置、每个光阱的 强度和尺寸，并能够对研究和制造目的的光阱用途可控地修正和反 馈。

已知利用单束光的光梯度力操纵浸在其折射系数小于微小介电粒 子的折射系数的流体介质中的微小介电粒子的位置而构造光钳。光钳 技术已被推广而能操纵反射的、吸收的和低介电常数的粒子。

当前的常规系统因此能够利用单束光产生单一个光阱来操纵单粒 子。为了利用此类系统操纵多个粒子，必须利用多束光。利用常规的 光钳方法研究产生扩展的多束光阱的困难阻止其在许多潜在的商业用 途如包括电子、光子和光电子器件、用于化学和生物学化验的化学传 感器阵列及全息摄影和计算机存储型片的纳米组成材料的制造和操纵 中的应用。

因此本发明的一个目的是提供一种用于建立多个光阱的改进方法 和系统。

本发明的另一目的是提供一种用于控制光阱和微小粒子阵列的新 颖的方法和设备。

本发明的又一目的是提供一种用于动态地控制光阱的改进方法和 设备。

本发明的又一目的是提供一种用于顺序地形成光阱和/或粒子阵 列的新颖的方法和设备。

本发明的又一目的是提供一种对光阱的尺寸、形状和强度施加动 态控制的改进方法和设备。

本发明的又一目的是提供一种用于动态地控制光阱构型的计算机 产生的全息图形新颖方法和设备。

本发明的又一目的是提供一种对激光束应用空间光调制器以便动 态地控制光阱阵列的改进方法和设备。

本发明的又一目的是提供一种利用机械装置来选择性地通过激光 束以便随时间变化地形成特定的光阱阵列的新颖方法和设备。

本发明的又一目的是提供一种用于增强进入光阱的粒子流和选择 性地输出不同粒子以便光学捕获的改进方法和设备。

本发明的又一目的是提供一种用于利用一受控的光阱阵列来检验 和操纵生物介质的新颖方法和设备。

本发明的又一目的是提供一种利用带有衍射光学系统的单束光来 形成一个多光束构型以建立多个光阱的新颖方法和系统。

本发明的又一目的是提供一种利用全息图来产生光梯度场以控制 多个粒子或其它光学介质的新颖方法和设备。

本发明的又一目的是提供一种建立多个光阱用的改进方法和系 统，用于各种涉及操纵微小粒子的商业用途，如光子电路制造，纳米 组成材料的应用，电子元件、光电子器件、化学和生物传感器阵列的 制造，全息数据存储型片的装配，组合化学应用的推进，胶体自装配 的促进，以及生物材料的操纵。

本发明的又一目的是提供一种用于构造商业用途的光梯度场的瞬 时变化和空间变化的构型的改进方法和系统。

本发明的又一目睥是提供一种利用与一个或多个衍射光学元件联 用的一个或多个激光束来建立一个操纵介电物质用的可以选择的随时 间而变的和/或特定的空间的光阱阵列的新颖方法和系统。

本发明的又一目的是提供一种利用单个输入激光束、一个衍射光 学元件和一个发散的和/或会聚的透镜来形成一静态的或动态的光阱 的改进方法和系统。

本发明的又一目的是提供一种用于建立一个可以由使用者直接观 察的光阱阵列的新颖方法和系统。

本发明的又一目的是提供一种用于各种商业用途的利用输入到衍 射光学元件上的带有能够扫描光阱阵列的光束扫描系统的激光束的改 进方法和系统。

本发明的又一目的是提供一种利用一激光束、一衍射光学元件和 一发散的或会聚的光学系统来在相对于物镜聚焦平面的可选位置处形 成该光阱构型而建立一个光阱构型的新颖方法和设备。

本发明的又一目的是提供一种利用一激光束和一倾斜安置的衍射 光学元件来滤出任何非衍射光束以便在建立一个光阱配置中有效地利 用仅仅一个衍射光束的改进方法和系统。

本发明的又一目的是提供一种利用输入到一衍射光学元件上的激 光束来产生从物镜聚焦平面中出来的至少两维的光阱配置的新颖方法 和设备。

本发明的又一目的是提供一种利用与多个望远镜透镜结合的光束 和衍射光学系统来扫描一个光阱阵列的改进方法和系统。

本发明的又一目的是提供一种新颖的方法和系统，用于利用输入 到一衍射光学元件和一光学系统中的单个光束来建立一个光阱阵列， 以便可控地扫描该光阱阵列，这样应用小幅度振荡位移来动态固定这 些光阱。

本发明的又一目的是提供一种利用一与时间有关的可寻址的相位 移动介质(如液晶相位移动阵列)作为衍射光学元件来产生多个独立 操纵的光阱的新颖方法。

本发明的又一目的是提供一种用于产生供显微粒子的偏析用的与 时间有关的光梯度场的新颖方法。

本发明的又一目的是提供一种用于操纵多个生物对象包括蛋白质 结晶体的新颖方法。

从结合下述附图的本发明的优选实施例的下列描述中将容易地清 楚本发明的其它目的、特点和优点，所有附图中相同的部件具有相同 的标号。

附图简述

图1例示一种单个光钳用的现有技术的方法和系统；

图2例示一种可以操纵的单个光钳用的现有技术的方法和系统；

图3例示一种利用一衍射光学元件的方法和系统；

图4例示另一种利用一相对于输入光束倾斜的光学元件的方法和 系统；

图5例示一种利用一衍射光学元件的可连续平移的光钳(光阱) 阵列；

图6例示一种用于利用一光钳阵列操纵粒子而同时形成一观察该 光钳阵列用的图象的方法和系统；

图7A例示利用图6的光学系统的4×4光钳(光阱)阵列的图象；

图7B例示一个通过图7A的光钳而悬浮在水中的1微米直径的硅 石球粒的图象，是在光阱照明已熄灭之后立即进行而在这些球粒已扩 散开去之前拍摄的；

图8例示一个包括一可动刀叉特点的全息光阱系统；

图9A例示一个在玻璃一水介面上形成的10×10光阱阵列；

图9B例示带有在玻璃上方约2微米的焦点的光阱，光阱的第五排 暴露于粒子流；

图9C例示与图9B相比已填充光阱的第八排的继续填充Pf粒子；

图9D例示一个完全填充的光阱图形；以及

图10例示一个带有显微镜成象的光阱控制系统。

优选实施例详述

为了最清楚地理解本发明的改进，图1和2例示几种现有技术的 方法和系统。将首先评述这些系统，而后将按照图3-7A和7B的优选 实施例例子来描述本发明。在图1的先有技术的光钳系统10中，使用 单独一束光12产生光梯度力来可控地操纵分散在介质16中的一个小 的介电粒子14，介质16的折射系数I1m小于微粒14的折射系数。光 梯度力的性质是熟知的，同样熟知的是，该原理已普遍化而也能够操 纵反射的、吸收的和低介电常数的粒子。这些技术中的任何部分都能 够用于此后描述的本发明的上下文中，并通过此后使用术语光钳、光 阱和光梯度力阱来将其包括进去。

利用光束12(如激光束)来外加光钳系统10，光束12能够施加 操纵一粒子所需的光阱效应所要的力。光钳系统10的常规形式的目的 是使一或多束成形的光射入一个会聚光学元件(如物镜20)的后孔24 的中心内。如图1中所示，光束12有一宽度“W”并有一相对于光轴 22的输入角Ф。光束12从物镜20的后孔24输入而从前孔26输出， 基本上会聚在成象体积32的焦平面30中的焦点28上，焦点28与光 阱33符合一致。通常，任何聚焦光学系统能够形成光钳系统10的基 础。

在光束12为准直的激光束而其轴线与光轴22符合一致的情况 下，光束12进入物镜20的后孔24并在物镜焦平面30的中心点C处 被引入成象体积32中的焦点。当光束12的轴线相对于光轴22偏移角 度Ф时，光束轴线31和光轴22在后孔12的中心点B处符合一致。该 偏移使穿过视场的光阱能够平移一个量，该量取决于物镜20的角放大 率。这两个变量(光束12的角度偏移Ф和变化的会聚度)能用于在成 象体积32内选定位置处形成光阱。如果将多个光束12以不同的角度 Ф和不同的准直度外加到后孔24上，那么能够在不同的位置中配置多 个光阱33。

为了实现三维的光阱，在被捕获的粒子上产生的光梯度力必须大 于由光散射和吸收产生的其它幅射压力。通常这要求光束12的波前在 后孔24处具有合适的形状。例如，对于高斯TEMoo输入的激光束，光 束直径W应当基本上与后孔24的直径一致。对于较一般的光束轮廓(如 高斯-Laguerre)，能够用方程式表示可以比较的条件。

在图2的另一先有技术系统中，光钳系统10能过穿过物镜20的 视场而平移光阱33。用透镜L1和L2构成的望远镜34建立一个与图1 的先有技术系统中的中心点B光学共轭的点A。在图2的系统中，通过 点A的光束12也通过点B，从而满足如光钳系统10那样起作用的基本 要求。通过如图2中所示地安置透镜L1和L2而保持准直度，以优化 望远镜34的传送性能。此外，能够选择望远镜34的放大率来优化光 束12的角度偏移及光束12在物镜20的后孔24的平面中的宽度W。如 上所述，通常可用几个光束12来形成几个相关的光阱。能够从多个独 立的输入光束或从用常规的反射的和/或折射的光学元件操纵的单独 一个光束来产生这多个光束12。

在图3所示的本发明的一个优选实施例中，能够形成任意的光阱 阵列。衍射光学元件40基本上安置在与物镜20的后孔24共轭的平面 中。注意：为清楚起见，图中只示出单独一个衍射输出光束44，但可 以理解，衍射光学元件40能够产生多个这样的光束44。入射在衍射光 学元件40上的输入光束12分解为表示衍射光学元件40的性质的特征 的输出光束44的图形，每个输出光束从点A射出。因此，由于此前所 述的下游光学元件的作用，这些输出光束44也通过点B。

图3的衍射光学元件40表示成垂直于输入光束12，但许多其它配 置也是可能的。例如，图4中，光束12以相对于光轴22成斜角β而 到达，并不垂直于衍射光学元件40。在该实施例中，从点A射出的衍 射光束44将在成象体积32(图1中看得最清楚)的焦平面52中形成 光阱50。在光钳系统10的这种配置中，能够从光钳系统10中除去输 入光束12的未衍射部分54。因此这种配置能够形成较弱的背景光，从 而提高形成光阱的效率和有效性。

衍射光学元件40能够包括计算机产生的将输入光束12分解成预 先选定的所要图形的全息图。将这些全息图与图3和4中的其它光学 元件相结合，能够产生其中利用衍射光学元件40来独立地形成每个被 衍射的光束的波前的形状的任意的阵列。因此，光阱50不仅能被安置 在物镜20的焦平面52中，而且能被安置在焦平面52之外，从而形成 光阱50的三维配置。

图3和4的光钳系统10中也包括一个聚焦光学元件如物镜20(或 其它相似的功能上等效的光学器件如菲涅耳透镜)，来会聚被衍射的 光束44而形成光阱50。其次，望远镜34或其它等效的传送光学部件 产生一个共轭于先前的后孔24的中心点B的点A。衍射光学元件40 安置在一个包含点A的平面中。

在本发明的另一形式中，能够不使用望远镜34而产生任意的光阱 50的阵列。在这样一个实施例中，衍射光学元件40能够直接安置在包 含点B的平面中。

在光钳系统10中能够使用静态的或与时间有关的衍射光学元件 40。对于动态的或与时间有关的型式，人们能够形成随时间变化的光 阱50的阵列，该阵列可以是一个利用这一特点的系统的一部分。此外， 这些动态的光学元件40能够用来彼此相对地活跃地移动各个粒子和基 体介质。例如，衍射光学元件40可以是一个遇到印有用计算机产生的 全息图形的变化的液晶相位阵列。

在图5中例示的另一实施例中，一个系统的结构可以做成进行光 钳阱50的连续平移。一个安装在万向架上的镜子60安置成其转动中 心在点A处。光束12入射在镜子60的表面上，其轴线通过点A，光束 12将投射在后孔24上。倾斜镜子60造成光束12相对于镜子60的入 射角发生变化，而这一特点可用来平移形成的光阱50。透镜L3和L4 形成第二望远镜，该望远镜产生一个与点A共轭的点A′。安置在点A′ 处的衍射光学元件40现在产生一个衍射光束64的图形，每一衍射光 束通过点A而形成光钳系统10的阵列中的光钳阱50之一。

在图5的实施例的操作中，镜子60平移作为一个单元的整个光钳 阵列。这种方法适用于使该光钳阵列与一静止的衬底对准，以通过小 幅度快速振荡位移来动态地固定光阱50，以及用于任何需要普通平移 能力的用途。

也可以通过移动样品台或通过调整望远镜34来相对于该样品台 (未示出)垂直地平移光阱50的阵列。此外，也可以通过移动该样品 台来相对于样品侧向移动该光钳阵列。这一特点对超过物镜视场范围 的大规模移动是特别有用的。

在图6所示的本发明的另一形式中，光学系统配置成允许观察被 光阱系统10捕获的粒子的图象。一个二色光束分裂器70或其它等效 的光束分裂器插在物镜20和光钳系统10的光学序列中。在例示的实 施例中，光束分裂器70选择地反射用于形成光钳阵列的光的波长并透 射其它波长。例如，将用于形成光阱50的光束12高效地透射到后孔 24，而用于形成图象的光束66能够通过而到达成象光学系统(未示 出)。

图7A和7B中示出本发明应用的例子。衍射光学元件40设计成与 单独一个光束12相互作用而产生一个4×4的准直光束阵列。一台以 532nm操作的100mW倍频二极管泵激的Nd：YAG激光器为光束12提供 一种高斯TEMoo形式。在图7A中，视场受到由16个原级光钳10的阵 列中捕获的16个硅石球粒所背散射的激光的部分照射。1μm直径的球 粒分散在水中并安置在显微镜玻璃滑片和170μm厚的玻璃盖片之间的 样品体积中。光钳阵列通过盖片向上投射，并位于一个比盖片高8μm 而比显微镜上滑片低20μm多的平面中。这些硅石球粒以三维方式稳 定地捕获在16个光钳10的每一个中。

在图7B中示出在光钳(光阱)10消失后1/30秒时但在这些球粒 有时间从光阱现场扩散开去之前的球粒的光学组建的配置。

适用的光钳模式

在本发明的其它形式中，此前描述的基本光阱实施例可用于各种 有用的方法研究。其次，其它实施例包括能够被做成应用这些方法来 增强光阱的操作和使用的设备和系统。特别是，能够控制和变化这些 光阱，而利用这些特点的各种实施例将在后面描述。

从光阱构型的随时间变化的构造和动态的变化能产生光阱的许多 新的用法和用途。在本发明的一种形式中，一个光阱阵列能够以图8 中所示方式有利地操纵。在光学系统100中，衍射光学元件102将准 直的激光束104分裂为几个(两个或更多个)激光束106和108。该 几个激光束106和108中的每一个被进入物平面118中的一个独立的 光阱中。这几个激光束106、108中的每一个通过常规光学装置(如由 透镜114和116组成的望远镜)的作用被送到物镜112的后孔110中。 物镜112将这几个光束106、108中的每一个聚焦在物平面118中的一 个独立的光阱132内。在本发明的一种优选形式中，一个刀刃120安 置成可在这几个光束106、108的路径中移动，从而能够选择地阻塞这 几个激光束106、108中的选定的任何一个，以选择地阻止光阱132的 一部分的形成。这样一种方法和结构能够利用适当设计的刀刃或有孔 刀刃结构及相似结构来构造任何所需的光阱132的阵列。

图9中示出使用这种光阱控制方法的例子，其中光阱132由衍射 光学元件122的全息形式形成。图8的可动的刀刃120能够阻塞光阱 132的除光线124以外的所有光线。通过系统地移动刀刃120，能够建 立光线124中的每一根，而这使得能够用粒子126系统地填充光阱 132。该方法允许用许多不同类型的粒子126来填充光阱132，也避免 了粒子126往往优先填充光阱132阵列的外面部分的典型问题。这种 优先填充因此能阻塞内光阱132的填充。光阱132的这种受控形成也 允许光阱配置的精确形成和变化。

除了对光阱132的阵列的填充施加细致的控制以外，也能够提供 装置来加速光阱132的填充。例如，图8中示出一个功能框128来指 示一种装置，该装置能：(1)输出选定的粒子126(见图10)；(2) 在压差下(通过电泳或电渗透)外加粒子126；(3)外加温度梯度； (4)通过一种类似鱼网方式的包含粒子126的悬浮来平移整个光阱阵 列。实验已经确定，能够(例如)将粒子134以起始大约10-4μm-3的 粒子浓度填入光阱132和以大约100μm/sec的合理的流动速率填充光 线124的一排或在大约1分钟时间内填充一个阵列图形。通过将该阵 列传送在一衬底上或通过将悬浮这些粒子126的流体胶化，能够使粒 子126的充分展开的阵列永久化。这样一种步骤也能够允许构造粒子 126的许许多多不同的粒子阵列和耦合阵列。利用光阱132的前述特性 和功能，也可以进一步查询、成象和操纵每个粒子126，以便用于操作 使用和研究的目的。

在本发明的又一形式中，能够根据一种特定的光学要求来动态地 变化光阱132。该光学要求能够利用带有所需指令信息的计算机程序来 实现，使得能够利用一个或多个光阱132来在各个光阱现场变更、移 去或增加粒子，或允许一个单独对象的各种操纵。其次，能够移动一 个或多个光阱132和改变其特性(如改变光阱的形状或强度)，从而 动态操纵任何对象，如植物或动物的一个细胞。当操纵一个精细构造 或当需要进行对象的复杂操纵时，这能够特别有利。此前，这些对象 是用一种单独的强力阱处理的，这种强力阱可能对对象造成损伤，或 不能提供完成所需功能时常常需要的自由度。

此外，在另一过程中，粒子126能够根据粒度动态地分类。人们 也能以图10中所示方式对粒子126的一种阵列成象。显微镜138能够 对粒子126成象，而个人计算机140能够识别粒子126和计算只有相 位的全息图142(对图8的衍射光学元件144)。为了捕获所述粒子， 计算机控制的空间光调制器143而后能够通过对激光束144外加相位 调制图形而实现计算机设计的全息图142。这也能够为了任何目的而动 态地变化。改变的激光束148(也参见图8中的几个激光束106、108) 通过显微镜138聚焦而产生光阱(也称作光钳)132的阵列，该光阱捕 获粒子126而显示在图象屏幕150上。然后能够单个地操纵粒子126 中的每一个，以组装一个所要的结构，来对粒子126分类，或以其它 方式操纵、检验或改变所关心的对象的形状。

虽然已示出和描述了本发明的优选实施例，但业内人士清楚，能 够进行各种变化和修改而不偏离下面的权利要求书中限定的本发明的 更广泛的方面。

本发明是在美国政府支持下根据与国家科学基金会签订的合同 No.DMR-9320278、通过国家科学基金会合同No.DMR-9400379的MRSEC 计划并通过教育部的GAANN合作关系而完成的。美国政府按照根据合 同NSFD MR-978031和NSFDMR-980595的资助也对本发明拥有一定的 权利。