用光操纵和移动微小物体的新设备

当你在手上照射一束光时,除了光束产生的一点热量外,你感觉不到多少。当您将相同的光线照射到以纳米级或微米级测量的世界时,光线将成为一种强大的操纵工具,您可以使用它来移动物体 - 安全地被困在光线中。

来自南非约翰内斯堡威特沃特斯兰德大学物理学院的结构光团队的研究人员发现了一种利用激光全光束来控制和操纵微小物体的方法,例如人体中的单细胞体,小体积化学中的微小颗粒,或未来的片上器件。

虽然称为全息光学陷印和镊子的特定技术并不是新技术,但是Wits研究人员找到了一种最佳地利用光的全部力的方法 - 包括以前无法用于此应用的矢量光。这形成了第一个矢量全息陷阱。

“以前的全息陷阱仅限于特定类别的光(标量光),所以我们可以展示涵盖所有类别光的整体设备,包括复制以前所有的陷阱设备,这是非常令人兴奋的,”Andrew Forbes教授,团队负责人他是物理学院的合作和杰出教授,他领导了智能结构光实验室。

“我们所做的是我们已经展示了第一个矢量全息光学捕获和镊子系统。该设备允许微米大小的粒子,如生物细胞,只能用光捕获和操纵。”

最终的设备可以同时捕获多个粒子并仅使用矢量状态光移动它们。本研究的实验由Nkosi Bhebhe进行,作为他博士研究的一部分。这项工作发表在Nature的在线期刊“科学报告”上。

在传统的光学捕获和镊子系统中,光被非常紧密地聚焦到包含小颗粒的小体积中,例如生物细胞。在这种小规模(通常是微米或纳米)下,光可以施加的力是显着的,因此粒子可以被光捕获然后被控制。随着光线的移动,粒子会随之移动。这个想法赢得了美国科学家阿瑟·阿什金2018年诺贝尔物理学奖。最初,光线是用平台和镜子机械控制的,但后来通过全息移动光线,即通过使用计算机生成的全息图来控制光线而不移动部件,从而改善了这一想法,从而控制了粒子。到目前为止,在这种全息陷阱中只能使用特殊类别的激光束,称为标量光束。

在他们的题为“矢量全息光学陷阱”的论文中,Wits研究人员展示了如何创建和控制任何全息光模式,然后用它来形成一种新的光学陷阱和镊子装置。

“特别是该设备可以与传统的激光束(标量光束)以及更复杂的矢量光束一起工作。矢量光束是高度局部的,并且已经发现了许多应用,但直到现在还没有矢量全息陷阱,”福布斯说。

Wits研究人员通过在同一设备中全息控制标量和矢量光束来展示他们的新陷阱,推进最新技术并向社区引入新设备。该小组希望这种新设备可用于微观和纳米世界的对照实验,包括生物学和医学中的单细胞研究,小体积化学反应,基础物理学和未来的片上器件。

之前已经证明可以从一个全息图创建数百个自定义光图案,该研究将他们之前关于光全息控制的工作与光学捕获和镊子的应用结合在一起。

全息光学陷阱的工作原理

在传统的光阱中,光被非常紧密地聚焦,使得它可以对物质施加力。这个问题,比如一个小颗粒,被困在光中。当光线通过镜子或机械平台移动时,粒子随之移动。这被称为光学捕获(捕获粒子)和光学镊子,像镊子一样移动粒子,但在这种情况下是由光制成的镊子。为了减少机械控制,研究人员使用全息图来控制光线。利用空间光调制器,可以编码结构化光图案并在陷阱内部移动这些图案,从而可以同时捕获和移动许多粒子。这开辟了许多令人兴奋的新领域,但最终的全息光学陷阱(HOTs)仅限于标量光束,这是可能的一小部分。另一类光束,矢量状态,被认为不可能全息控制。使用新的矢量HOT,现在可以使用所有光状态。时间将是时间对整个社区意味着什么。