DE69931346T2

DE69931346T2 - Vorrichtung zur erzeugung optischer gradientenkräfte

Info

Publication number: DE69931346T2
Application number: DE69931346T
Authority: DE
Inventors: G. David Chicago GRIER; R. Eric Chicago DUFRESNE
Original assignee: Arch Development Corp
Current assignee: Arch Development Corp
Priority date: 1998-02-03
Filing date: 1999-02-03
Publication date: 2007-05-10
Anticipated expiration: 2019-02-04
Also published as: HK1033855A1; US20040105158A1; JP2007030162A; WO1999039223A1; JP2002502043A; EP1666926B1; HK1092541A1; DE69931346D1; EP1053492A1; EP1053492B1; EP1666926A2; US6055106A; AU2494999A; US7227688B2; EP1666926A3; EP1053492A4; JP3895545B2; JP4897382B2; US6624940B1

Description

Diese Erfindung wurde mit Unterstützung der U.S.-Regierung unter Vertrag Nr. DMR-9320278 durchgeführt, welcher von der National Science Foundation durch das MRSEC-Programm der National Science Foundation unter Zuwendung Nr. DMR-9400379, und durch ein GARNN-Stipendium des Bildungs-Ministeriums gefördert wurde.
Die vorliegende Erfindung betrifft allgemein ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Manipulieren kleiner dielektrischer Partikel oder anderer Materialien unter Verwendung optischer Gradienten-Kräfte. Insbesondere betrifft die Erfindung ein Verfahren und eine Vorrichtung, welche fokussiertes Laserlicht verwenden, welches mittels eines diffraktiven optischen Elementes, wie eines Hologramms oder eines Beugungs-Gitters, ausgerichtet wird, um irgendeines einer Vielzahl auswählbarer optischer Feld-Muster zu erzeugen, um für irgendeine von unzähligen Anwendungen partikelförmige Materialien oder andere betroffene Materialien in einem gewünschten räumlichen Muster zu versammeln.
Es ist bekannt, optische Pinzetten zu konstruieren, welche optisch Gradienten-Kräfte von einem einzelnen Lichtstrahl dazu verwenden, die Position eines kleinen dielektrischen Partikels zu manipulieren, welcher in einem Fluid-Medium eingetaucht ist, dessen Brechnungsindex kleiner ist als derjenige des Partikels. Die Optische-Pinzette-Technik wurde verallgemeinert, um ein Manipulieren reflektierender Partikel, absorbierender Partikel, und Partikel mit einer niedrigen Dielektrizitätskonstante ebenfalls zu ermöglichen.
Die derzeitigen herkömmlichen Systeme können daher ein einzelnes Partikel unter Verwendung eines einzelnen Lichtstrahls manipulieren, um eine einzelne optische Falle zu erzeugen. Um mehrere Partikel mit solchen Systemen zu manipulieren, müssen mehrere Strahlen eingesetzt werden. Die Schwierigkeit, ausgedehnte Mehr-Strahl-Fallen unter Verwendung herkömmlicher Optische-Pinzette-Methodologie zu erzeugen, behindert deren Verwendung in vielen potentiellen kommerziellen Applikationen, wie der Herstellung und Manipulation von Nanokomposit-Materialien, inklusive elektronischen, photonischen und opto-elektronischen Vorrichtungen, chemischen Sensor-Anordnungen zur Verwendung in chemischen und biologischen Tests, und holografischen und Computer-Speicher-Matrizen.
JP-A-08-131820 offenbart eine Mehrfach-Punkt-Laser-Fallen-Vorrichtung, welche simultan mehrere Partikel in einem Medium einfängt. Der Laser wird von einer Einzel-Laser-Strahl-Quelle emittiert. Ferner umfasst die Vorrichtung ein Gitter, welches Diffraktionsmuster bildet, welche aus Mehrfach-Punkt-Laser-Flecken bestehen.
Es ist daher ein Ziel der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und System zum Etablieren einer Mehrzahl optischer Fallen bereitzustellen.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein neues Verfahren und System zum Verwenden eines einzelnen Lichtstrahls mit diffraktiver Optik zum Ausbilden einer Konfiguration von Lichtstrahlen zum Etablieren einer Mehrzahl optischer Fallen bereitzustellen.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein(e) neue(s) Verfahren und Vorrichtung zur Verwendung von Hologrammen zum Erzeugen eines optischen Gradienten-Feldes zum Steuern einer Mehrzahl von Partikeln oder anderer optischer Medien bereitzustellen.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und System zum Etablieren einer Mehrzahl optischer Fallen für eine Mehrzahl kommerzieller Applikationen bereitzustellen, welche die Manipulation kleiner Partikel betreffen, wie in der Herstellung photonischer Schaltungen, Nanokomposite-Material-Appliaktionen, Herstellung elektronischer Komponenten, optoelektronischer Vorrichtungen, chemischer und biologischer Sensor-Anordnungen, Erstellen holografischer Daten-Speicher-Matrizen, Erleichtern kombinatorischer chemischer Applikationen, Fördern kolloidaler Selbst-Erstellung/Organisation, und der Manipulation biologischer Materialien.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist, ein verbessertes Verfahren und System zum Konstruieren einer temporären und räumlich variierenden Konfiguration optischer Gradienten-Felder für kommerzielle Applikationen bereitzustellen.
Es ist ferner ein Ziel der Erfindung, ein neues Verfahren und System zum Verwenden eines oder mehrerer Laser-Strahlen in Verbindung mit einem oder mehreren diffraktiven optischen Elementen zum Konstruieren einer auswählbaren, zeitlich variierenden und/oder partikulären räumlichen Anordnung optischer Fallen zum Manipulieren eines dielektrischen Materials bereitzustellen.
Es ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und System bereitzustellen, welches einen Einzel-Eingangs-Laser-Strahl, ein diffraktives optisches Element und eine divergierende und/oder konvergierende Linse verwendet, um eine statische oder dynamische optische Falle zu bilden.
Es ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, ein neues Verfahren und System zum Konstruieren einer Optische-Falle(n)-Anordnung bereitzustellen, welche direkt durch den Anwender beobachtbar ist.
Ein weiteres Ziel der Erfindung ist auch, ein verbessertes Verfahren und System bereitzustellen, welches eine Laser-Strahl-Eingabe zu einem diffraktiven optischen Element, mit einem Strahl-Abtast-System verwendet, welches Abtasten einer Anordnung optischer Fallen für verschiedene kommerzielle Applikationen ermöglicht.
Es ist zusätzlich ein weiteres Ziel der Erfindung, ein(e) neue(s) Verfahren und Vorrichtung zum Konstruieren einer Optische-Falle-Konfiguration bereitzustellen, welche(s) einen Laser-Strahl, ein diffraktives optisches Element und ein divergierendes oder konvergierendes optisches System verwendet, um eine Fallen-Konfiguration an einem auswählbaren Ort relativ zur Fokal-Ebene einer Objektiv-Linse bereitzustellen.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist, ein(e) verbesserte(s) Verfahren und Vorrichtung zum Verwenden eines Laser-Strahls und eines schräg/geneigt positionierten diffraktiven optischen Elementes bereitzustellen, um jedweden nicht-abgebeugten Strahl auszufiltern, um nur einen abgebeugten optischen Strahl bei der Konstruktion einer Optische-Falle-Anordnung effizient zu verwenden.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist, ein(e) neue(s) Verfahren und Vorrichtung zum Verwenden einer Laser-Strahl-Eingabe zu einem diffraktiven optischen Element bereitzustellen, um wenigstens eine zweidimensionale Anordnung optischer Fallen außerhalb der Fokal-Ebene einer Objektivlinse zu erzeugen.
Es ist ferner noch ein weiteres Ziel der Erfindung, ein verbessertes Verfahren und System zum Einsatz eines Lichtstrahls und diffraktiver Optik in Verbindung mit einer Mehrzahl von Teleskop-Linsen bereitzustellen, um eine Optische-Falle(n)-Anordnung abzutasten.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist, ein neues Verfahren und System zum Etablieren einer Anordnung optischer Fallen bereitzustellen, wobei eine Einzel-Lichtstrahl-Eingabe zu einem diffraktiven optischen Element und ein optisches System zum kontrollierbaren Abtasten/Scannen der Optische-Falle(n)-Anordnung verwendet wird, so dass kleine Amplituden-Oszillations-Verschiebungen appliziert werden, um die optischen Fallen dynamisch zu versteifen.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, ein neues Verfahren zum Herstellen multipler, unabhängig gesteuerter optischer Fallen bereitzustellen, wobei ein zeitabhängig adressierbares Phasen-Schiebe-Medium (wie eine Flüssigkristall-Phasen-Schiebe-Anordnung) als ein diffraktives optisches Element verwendet wird.
Noch ein weiteres Ziel der Erfindung ist, ein neues Verfahren zum Erzeugen zeitabhängiger optischer Gradienten- Felder für die Trennung mikroskopischer Partikel bereitzustellen.
Es ist noch ein weiteres Ziel der Erfindung, ein neues Verfahren zum Manipulieren einer Mehrzahl biologischer Objekte bereitzustellen, inklusive der Kristallisation von Proteinen.
Andere Ziele, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden direkt aus der folgenden Beschreibung ihrer bevorzugten Ausführungsformen in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen offensichtlich werden, welche unten beschrieben werden, wobei gleiche Elemente durchgängig gleiche Ziffern tragen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Verfahren und System gemäß dem Stand der Technik für eine einzelne optische Pinzette;
2 zeigt ein Verfahren und System gemäß dem Stand der Technik für eine einzelne, lenkbare, optische Pinzette;
3 zeigt ein Verfahren und System, welches ein diffraktives optisches Element verwendet;
4 zeigt ein anderes Verfahren und System, welches ein relativ zu einem Eingangs-Lichtstrahl geneigtes optisches Element zeigt;
5 zeigt eine kontinuierlich verschiebbare optische Pinzetten-(Fallen-)Anordnung, welche ein diffraktives optisches Element verwendet;
6 zeigt ein Verfahren und System zum Manipulieren von Partikeln unter Verwendung einer Optische-Pinzette(n)-Anordnung, während ebenfalls ein Bild zum Betrachten der Optische-Falle(n)-Anordnung gebildet wird; und
7A zeigt ein Bild einer vier-mal-vier-Anordnung optischer Pinzetten (Fallen) unter Verwendung des optischen Systems aus 6; und
7B zeigt ein Bild von Silica-/Quarz-Kugeln von einem Millimeter Durchmesser, welche unmittelbar nachdem die Fallen-Beleuchtung gelöscht wurde, aber bevor die Kugeln wegdiffundiert sind, mittels der optischen Pinzetten aus 7a in Wasser eingetaucht wurden.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN
Um die Verbesserung der Erfindung am besten zu verstehen, erläutern 1 und 2 verschiedene Verfahren und Systeme gemäß dem Stand der Technik. Die Systeme werden zuerst rezensiert, und dann wird anhand der bevorzugten Ausführungs-Beispiele gemäß den 3–7A und 7B die Erfindung beschrieben. In dem Optische-Pinzette-System 10 aus 1 gemäß dem Stand der Technik treten optische Gradienten-Kräfte aus der Verwendung eines einzelnen Lichtstrahls 12 auf, um ein kleines dielektrisches Teilchen 14 kontrollierbar zu manipulieren, welches in ein Medium 16 eingetaucht ist, dessen Berechnungsindex n_m kleiner ist als derjenige des Teilchens 14. Die Natur der optischen Gradienten-Kräfte ist wohlbekannt, und es ist auch gut verstanden, dass das Prinzip generalisiert wurde, um Manipulation reflektierender Teilchen, absorbierender Teilchen und Teilchen mit einer niedrigen dielektrischen Konstante ebenfalls zu ermöglichen. Jedwede dieser Techniken kann im Kontext der im Folgenden beschriebenen Erfindung implementiert werden, und wird durch die Verwendung der Terminologie optische Pinzette, optische Falle und optische Gradienten-Kraft-Falle im Folgenden umfasst.
Das Optische-Pinzette-System 10 wird durch Verwenden eines Lichtstrahls 12 (wie etwa einem Laser-Strahl) angewendet, welcher zum Applizieren der notwendigen Kräfte geeignet ist, welche benötigt werden, um den Optische-Falle-Effekt auszuführen, welcher zum Manipulieren eines Teilchens benötigt wird. Das Ziel einer optischen Falle 10 herkömmlicher Form ist, ein oder mehrere geformte Lichtstrahlen in das Zentrum einer hinteren Apertur 24 eines konvergierenden optischen Elementes (wie einer Objektiv-Linse 20) zu projizieren. Wie in 1 angegeben, hat der Lichtstrahl 12 eine Breite ?w?, und weist einen Eingangs-Winkel Ø relativ zu einer optischen Achse 22 auf. Der Lichtstrahl 12 wird in die hintere Apertur 24 der Objektiv-Linse 20 eingegeben, und aus der vorderen Apertur 26 ausgegeben, wobei er im Wesentlichen zu einem Brennpunkt 28 in der/einer Brennebene 30 des/eines Bildgebungsvolumens 32 konvergiert, wobei der Brennpunkt 28 mit der optischen Falle 33 koinzidiert. Im Allgemeinen kann irgendein fokussierendes optisches System die Basis des Optische-Pinzette-Systems 10 bilden.
Im Falle, dass der Lichtstrahl 12 ein kollimierter Laser-Strahl ist, und dass seine Achse mit der optischen Achse 22 koinzidiert, tritt der Lichtstrahl 12 in die hintere Apertur 24 der Objektiv-Linse 20 ein, und wird in dem Bildgebungsvolumen 32 an dem Zentrums-Punkt c der Brennebene 30 der Objektiv-Linse zu einem Fokus gebracht. Wenn die Achse des Lichtstrahls 12 durch den Winkel Ø bezüglich der optischen Achse 22 ersetzt wird, koinzidieren die Strahl-Achse 31 und die optische Achse 22 am Zentrums-Punkt B der hinteren Apertur 24. Diese Versetzung ermöglicht (eine) Translation der optischen Falle über das Gesichtsfeld, um ein Ausmaß, welches von der Winkel-Vergrößerung der Objektiv-Linse 20 abhängt. Die zwei Variablen Winkel-Versatz Ø und variierende Konvergenz des Lichtstrahls 12 können dazu verwendet werden, eine optische Falle an ausgewählten Positionen innerhalb des Bildgebungsvolumens 32 auszubilden. Eine multiple Anzahl optischer Fallen 33 kann an verschiedenen Stellen angeordnet werden, vorausgesetzt, dass multiple Lichtstrahlen 12 zu der hinteren Apertur 24 unter den verschiedenen Winkeln Ø und mit verschiedenen Kollimations-Graden appliziert werden.
Um optisches Einfangen in drei Dimensionen auszuführen, müssen optische Gradienten-Kräfte, welche an dem einzufangenden Teilchen erzeugt werden, andere Strahlungs-Drücke übersteigen, welche aufgrund von Licht-Streuung und -Absorption auftreten. Im Allgemeinen erfordert dies, dass die Wellenfront des Lichtstrahls 12 an der hinteren Apertur 24 eine geeignete Form aufweist. Beispielsweise sollte für einen Gauss-förmigen TEM₀₀-Eingangs-Laser-Strahl der Strahl- Durchmesser w im Wesentlichen mit dem Durchmesser der hinteren Apertur 24 koinzidieren. Für allgemeinere Strahl-Profile (wie Gauss-Laguerre) können vergleichbare Bedingungen formuliert werden.
In einem weiteren System gemäß dem Stand der Technik gemäß 2 kann das Optische-Pinzette-System 10 die optische Falle 33 über das Gesichtsfeld der Objektiv-Linse 20 translatieren. Ein Teleskop 34 wird aus Linsen L1 und L2 konstruiert, welches einen Punkt A etabliert, welcher optisch zu dem Zentrums-Punkt B in dem System gemäß dem Stand der Technik von 1 optisch konjugiert ist. In dem System gemäß 2 läuft der Lichtstrahl 12, welcher durch den Punkt A verläuft, ebenfalls durch den Punkt B und erfüllt damit die grundlegenden Anforderungen, um als ein Optische-Pinzette-System 10 zu wirken. Der Kollimationsgrad wird durch derartiges Positionieren der Linsen L1 und L2 aufrechterhalten, dass die Transfer-Eigenschaften des Teleskops 34 optimiert werden, wie in 2 gezeigt. Zusätzlich kann die Vergrößerung des Teleskops 34 so gewählt werden, dass der Winkel-Versatz des Lichtstrahls 12 und seine Breite/Weite w in der Ebene der hinteren Apertur 24 der Objektiv-Linse 20 optimiert werden. Wie vorhergehend angegeben, können im Allgemeinen mehrere der Lichtstrahlen 12 verwendet werden, um mehrere assoziierte optische Fallen zu bilden. Solche multiplen Strahlen 12 können aus multiplen unabhängigen Eingangs-Strahlen erzeugt werden, oder einen einzelnen Strahl bilden, welcher mittels konventioneller reflektiver und/oder refraktiver optischer Elemente manipuliert wird.
In einer in 3 gezeigten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung können willkürliche Anordnungen optischer Fallen ausgebildet werden. Ein diffraktives optisches Element 40 ist im Wesentlichen in einer zu der hinteren Apertur 24 der Objektiv-Linse 20 konjugierten Ebene 42 angeordnet. Es sei angemerkt, dass zwecks Klarheit nur ein einzelner gebeugter Ausgangs-Strahl 44 gezeigt ist, aber es versteht sich, dass eine Mehrzahl solcher Strahlen 44 von dem diffraktiven optischen Element 40 erzeugt werden kann. Der Eingangs-Lichtstrahl 12, welcher auf das diffraktive optische Element 40 einfällt, wird in ein Muster des Ausgangs-Strahls 44 aufgespalten, welches für die Natur des diffraktiven optischen Elementes 40 charakteristisch ist, von welchen jeder von dem Punkt A ausgeht. Daher verlaufen die Ausgangs-Strahlen 44 auch durch den Punkt B als eine Konsequenz des hierin vorher beschriebenen stromabwärtigen optischen Elements.
Das diffraktive optische Element 40 aus 3 ist als senkrecht zu dem Eingangs-Lichtstrahl 12 gezeigt, aber viele andere Anordnungen sind möglich. Beispielsweise trifft in 4 der Lichtstrahl 12 unter einem schrägen/geneigten Winkel β relativ zu der optischen Achse 22 ein, und nicht unter einer Normalen zu dem diffraktiven optischen Element 40. In dieser Ausführungsform werden die gebeugten Strahlen 44, welche vom Punkt A ausgehen, optische Fallen 50 in der Brennebene 52 des Abbildungs-Volumens 32 bilden (am besten in 1 zu sehen). In dieser Anordnung des Optische-Pinzette-Systems 10 kann ein ungebeugter Teil 54 des Einfalls-Lichtstrahls 12 aus dem Optische-Pinzette-System 10 entfernt werden. Diese Konfiguration ermöglicht daher, weniger Hintergrundlicht zu verarbeiten, und verbessert Effizienz und Effektivität der/einer Ausbildung optischer Fallen.
Das diffraktive optische Element 40 kann Computererzeugte Hologramme beinhalten, welche den Eingangs-Lichtstrahl 12 in ein vorselektiertes, gewünschtes Muster aufspalten. Kombinieren solcher Hologramme mit dem Rest der optischen Elemente in den 3 und 4 ermöglicht das Erzeugen willkürlicher Anordnungen, in welchen das diffraktive optische Element 40 dazu verwendet wird, die Wellenform jedes gebeugten Strahls unabhängig zu formen. Daher können die optischen Fallen 50 nicht nur in der Fokal-Ebene 52 der Objektiv-Linse 20, sondern auch außerhalb der Fokal-Ebene 52 angeordnet werden, um eine dreidimensionale Anordnung der optischen Fallen 50 zu bilden.
Bei dem Optische-Pinzette-System 10 gemäß der 3 und 4, ist auch ein fokussierendes optisches Element, wie die Objektiv-Linse 20 (oder eine andere, ähnliche, funktionell äquivalente, optische Vorrichtung, wie eine Fresnel-Linse) beinhaltet, um den abgebeugten Strahl 44 zu konvergieren, um die optischen Fallen zu bilden. Ferner erzeugt das Teleskop 34 oder die/eine andere äquivalente Übertragungs-Optik einen zu dem Zentral-Punkt B der vorhergehenden hinteren Apertur 24 konjugierten Punkt A. Das diffraktive optische Element 40 wird in einer Punkt A enthaltenden Ebene platziert.
In einer anderen Form der Erfindung können willkürliche Anordnungen der optischen Fallen 50 ohne die Verwendung des Teleskops 34 erzeugt werden. In einer solchen Ausführungsform kann das diffraktive optische Element 40 direkt in der Ebene platziert werden, welche Punkt B enthält.
Bei dem Optische-Pinzette-System 10 können entweder statische oder zeitabhängige diffraktive optische Elemente 40 verwendet werden. Für eine dynamische, oder zeitabhängige Version, kann man sich zeitlich verändernde Anordnungen der optischen Fallen 50 erzeugen, welche Teil eines Systems sein können, welches ein solches Merkmal verwendet. Darüber hinaus können diese dynamischen optischen Elemente 40 dazu verwendet werden, Partikel und Matrix-Medien relativ zueinander aktiv zu bewegen. Beispielsweise kann das diffraktive optische Element 40 eine Flüssigkristall-Phasen-Anordnung sein, welche Veränderungen erfährt, welche mittels Computer-erzeugten holografischen Mustern eingeprägt werden.
In einer anderen Ausführungsform, welche in 5 dargestellt ist, kann ein System konstruiert werden, um kontinuierliche Translation der Optische-Pinzette-Falle 50 auszuführen. Ein kardanisch montierter Spiegel 60 wird so platziert, dass sich sein Rotations-Zentrum in Punkt A befindet. Der Lichtstrahl 12 fällt auf die Oberfläche des Spiegels 60 ein, und seine Achse durchläuft den Punkt A, und wird auf die hintere Apertur 24 projiziert. Verkippen des Spiegels 60 bewirkt eine Veränderung des Einfall-Winkels des Lichtstrahls 12 relativ zu dem Spiegel 60, und dieses Merkmal kann dazu verwendet werden, die resultierende optische Falle 50 zu translatieren. Ein zweites Teleskop 62 wird aus den Linsen L3 und L4 gebildet, welches einen Punkt A' erzeugt, welcher zum Punkt A konjugiert ist. Das in Punkt A' platzierte diffraktive optische Element 40 erzeugt nun ein Muster abgebeugter Strahlen, von welchen jeder durch Punkt A verläuft, um eine der Pinzetten-Fallen 50 in einer Anordnung des Optische-Pinzetten-Systems 10 auszubilden.
In Betrieb der Ausführungsform von 5 translatiert der Spiegel 60 die gesamte Pinzetten-Anordnung als eine Einheit. Diese Methodologie ist verwendbar, um die Optische-Pinzette(n)-Anordnung präzise bezüglich eines stationären Substrats auszurichten, um die optische Falle 50 durch schnelle oszillierende Verschiebungen kleiner Amplitude dynamisch zu versteifen, sowie für jedwede Anwendung, welche eine allgemeine Translations-Fähigkeit benötigt.
Die Anordnung optischer Fallen 50 kann durch Bewegen des Proben-Tisches oder durch Einstellen des Teleskops 34 auch vertikal relativ zu dem Proben-Tisch (nicht gezeigt) translatiert werden. Darüber hinaus kann die Optische-Pinzette-Anordnung durch Bewegungen des Proben-Tisches auch seitlich relativ zu der Probe bewegt werden. Dieses Merkmal wäre insbesondere für eine Bewegung großen Ausmaßes außerhalb des Bereiches des Blickfelds der Objektiv-Linse nützlich.
In einer anderen Form der Erfindung, welche in 6 gezeigt ist, ist das optische System derart angeordnet, dass es ermöglicht, Bilder von durch die optische Pinzetten 10 gefangenen Teilchen zu betrachten. Ein dichroitischer Strahlteiler 70, oder ein anderer äquivalenter optischer Strahlteiler, wird zwischen die Objektiv-Linse 20 und den optischen Pfad des Optische-Pinzette-Systems 10 eingeführt. In der dargestellten Ausführungsform reflektiert der Strahlteiler 70 selektiv die Wellenlänge von Licht, welches zum Ausbilden der Optische-Pinzette-Anordnung verwendet wird, und transmittiert andere Wellenlängen. Daher wird der zum Ausbilden der optischen Fallen 50 verwendete Lichtstrahl 12 zu der hinteren Apertur 24 mit hoher Effizienz transmittiert, während Lichtstrahl 66, welcher zum Bilden von Bildern verwendet wird, durch die Bildgebungs-Optik passieren kann (nicht gezeigt).
Eine Darstellung einer Anwendung der Erfindung ist in den 7A und 7B gezeigt. Das diffraktive optische Element 40 ist derart ausgebildet, dass es mit dem Einzel-Lichtstrahl 12 interagiert, um eine 4x4-Anordnung kollimierter Strahlen zu erzeugen. Ein frequenzverdoppelter, Dioden-gepumpter Nd:YAG-Laser von 100mW, welcher bei 532 nm arbeitet, stellt eine Gauss-förmige TEM₀₀-Form für den Lichtstrahl 12 bereit. In 7A wird das Gesichtsfeld teilweise durch Laser-Licht beleuchtet, welches von sechzehn Silica-Kugeln zurückgestreut wird, welche in den sechzehn primären optischen Pinzetten 10 gefangen sind. Die 1 μm-Durchmesser-Kugeln sind in Wasser eingetaucht, und in einem Proben-Volumen zwischen einem Mikroskop-Objektträger aus Glas und einem 170 μm dicken Deckglas platziert. Die Pinzetten-Anordnung wird nach oben durch das Deckglas projiziert und in einer Ebene 8 μm oberhalb des Deckglases und mehr als 20 μm unterhalb des oberen Mikroskops-Objektträgers positioniert. Die Silica-Kugeln werden in jeder der sechzehn optischen Fallen 10 stabil in drei Dimensionen gefangen.
In 7B ist eine optisch organisierte Anordnung von Kugeln gezeigt, 1/30 Sekunde nachdem die optischen Pinzetten 10 (Fallen) ausgelöscht wurden, aber bevor die Kugeln Zeit hatten, aus dem Fallen-Ort weg zu diffundieren. Während bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt und beschrieben wurden, wird es für Fachleute klar sein, dass verschiedene Veränderungen und Modifikationen ausgeführt werden können, ohne von der Erfindung in ihren breiteren Aspekten abzuweichen, wie sie in den nachfolgend bereitgestellten Ansprüchen dargelegt ist.

Claims

Vorrichtung zum Manipulieren einer Mehrzahl von Partikeln durch Bilden einer Mehrzahl optischer Fallen (50), welche beinhaltet: eine Licht-Apparatur zum Bereitstellen eines Lichtstrahls (12), ein diffraktives optisches Element (40) zum Empfangen des Lichtstrahls und Bilden einer Mehrzahl separater Lichtstrahlen (44); und ein Fokussier-Element (20) stromabwärts des diffraktiven optischen Elements, dadurch gekennzeichnet, dass das diffraktive optische Element (40) eine sich dynamisch verändernde diffraktive Komponente umfasst, und mit dem Fokussier-Element zusammenwirkt, um jeden Laserstrahl separat zu konvergieren, um einen fokussierten Fleck zu bilden, um (ein) Mittel zum Bilden einer separaten optischen Falle (50) innerhalb des Flecks für jedes der Partikel zu etablieren, und (ein) dynamisches Verändern der Positionen der optischen Fallen (50) zu ermöglichen.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1, wobei das diffraktive optische Element (40) aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus einem optischen Gitter, einem Hologramm und einem zeitabhängigen adressierbaren Phasen-Schiebe-Medium besteht.
Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 2, wobei die optische Falle (50) Optischer-Gradient-Bedingungen bildet, welche ein zeitabhängiges optisches Gradienten-Feld umfassen.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Fokussier-Element (20) zumindest eines von einem Objektiv und einem weiteren diffraktiven optischen Element umfasst.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche ferner ein Teleskop-Linsen-System (34) beinhaltet, welches stromabwärts des diffraktiven optischen Elements (40), nach Interaktion des Lichtstrahls mit dem diffraktiven Element angeordnet ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das diffraktive optische Element (40) so konstruiert ist, dass es optische Fallen (50) an räumlichen Positionen bildet, welche aus der Gruppe ausgewählt sind, welche aus Positionen in einer Fokal-Ebene und außerhalb einer Fokalebene besteht, welche von dem Objektiv-Linsen-Element (20) gebildet wird/werden.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Licht-Apparatur einen Laserstrahl bereitstellt.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die dynamisch wechselnde diffraktive Komponente ein Computergeneriertes Hologramm umfasst.
Vorrichtung gemäß Anspruch 8, wobei die Vorrichtung ferner eine Flüssigkristall-Komponente beinhaltet, in welche das Computer-generierte Hologramm eingeprägt ist.
Vorrichtung gemäß Anspruch 5, welche ferner einen Spiegel (60) beinhaltet, welcher zum Bewegen angeordnet ist, und welcher zum Empfangen des Lichtstrahls stromabwärts des Teleskop-Linse-Systems (34) positioniert ist.
Vorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welche ferner eine Vorrichtung zum Ausführen von zumindest einem eines Ausrichtens und Fokussierens der optischen Falle (50) beinhaltet.
Verfahren zum Manipulieren einer Mehrzahl von Partikeln mittels Bildens einer Mehrzahl optischer Fallen (50), die folgenden Schritte umfassend: Bereitstellen eines Lichtstrahls (12); Einwirken auf den Lichtstrahl, um simultan eine Mehrzahl separater Lichtstrahlen (44) zu erzeugen; und dadurch gekennzeichnet, dass jeder der separaten Lichtstrahlen so konvergiert wird, dass er Optischer-Gradient-Bedingungen etabliert, um aus jedem der separaten Lichtstrahlen eine separate der optischen Fallen auszubilden, und Positionen von zumindest einer der optische(n) Falle(n) (50) dynamisch zu wechseln.
Verfahren gemäß Anspruch 12, ferner den Schritt des/eines Ausführens eines Herstellungs-Prozesses beinhaltend, welcher aus der Gruppe ausgewählt ist, welche aus Manipulieren von Partikeln in einer photonischen Schaltung, Manipulieren von Komponenten in einem Nano-Komposit, Herstellen elektronischer Komponenten, Manipulieren optoelektronischer Komponenten Präparieren eines chemischen Sensors, Präparieren eines biologischen Sensors, Zusammenstellen holographischer Daten-Speicher-Matritzen, Zusammenstellen kolloidaler Arrays und Manipulieren biologischer Materialien besteht.
Verfahren gemäß Anspruch 12 oder 13, wobei der Lichtstrahl ein Laserstrahl ist.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Einwirkens auf den einzelnen Lichtstrahl das Verwenden eines zeitlich adressierbaren Phasen-Schiebe-Mediums umfasst, um eine Mehrzahl separater Lichtstrahlen zu erzeugen.
Verfahren gemäß Anspruch 15, wobei das zeitlich adressierbare Phasen-Schiebe-Medium ein Flüssigkristall-Phasenschiebe-Array umfasst.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, welches ferner den Schritt des/eines Bereitstellens von Transer-Optik beinhaltet, welche mit der Mehrzahl separater Lichtstrahlen interagiert, um einen optischen Punkt eines optischen Pfads ("train") zu einer anderen Stelle zu übertragen.
Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei der Schritt des Einwirkens auf den Lichtstrahl zumindest eines von (a) Fokussieren wenigstens eines von der Mehrzahl separater Lichtstrahlen mittels eines konvergierenden Elements und (b) Divergieren zumindest eines von der Mehrzahl separater Lichtstrahlen mittels eines divergierenden Elements beinhaltet.