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适合光镊工作的最佳波场计算

发布:HPLlaser    |    2019-12-09 16:34    阅读:1098
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光镊是一种获得诺贝尔奖的技术,该技术可以使光束操纵分子或生物小颗粒,但这种镊子仅限于在空白空间或透明液体中工作。在强散射生物样品中可能发生的任何会使光场发生偏转的干扰都会破坏光镊作用。现在,奥地利维也纳技术大学(TU Wien)理论物理研究所的一个研究小组开发了一种能够计算在无序环境中处理小颗粒的最佳波场的方法(Nat。Photon,doi:10.1038 / s41566-019-0550-z)。研究人员说,这种方法(类似于所有微小物体的通用遥控器)使得即使不能直接触摸样品,也可以保持,移动或旋转样品中的单个颗粒。

通过对光的电场分量的强度分布进行整形,光镊可以向微观目标施加明确的力矩。维也纳工业大学的一个团队创造了一种快速计算和调控这些场的方法,以便将光镊应用到生物组织等散射环境。

定制型光镊波场

团队负责人Stefan Rotter解释说,首先用各种波照亮粒子及其混乱的环境,然后测量反射波,该测量连续快速进行两次。Rotter说:“我们假设在两次测量之间的短时间内,无序的环境保持不变,而我们要操纵的粒子则略有变化。如果一个单元格稍微移动或下沉,我们发送的光波在两次测量中的反射会有所不同。这种微小的差异至关重要。利用TU Wien团队的新方法,可以计算最适合加速或减慢该粒子运动的波。

Rotter解释说:“如果粒子向下沉,我们可以计算出一个波来阻止这种沉降或促进粒子沉降。如果粒子旋转一点,我们就知道哪个波传输了最大的角动量。”该信息使研究人员可以定制的光场来旋转粒子而不会直接与它接触。

减小捕获细胞时的热量

论文的第一作者,Michael Horodynski说:“我们的技术可用于全息光学镊子装置中,以使光陷阱在固定输入功率下以及在任意形状的粒子复杂环境中的刚性的理论最大值达到最大。这种微调功率设置的能力代表了该技术在处理易碎生物样品时的另一个可能优势。Horodynski说:“由于过多的热量会破坏细胞,加热捕获颗粒是目前生物细胞的主要障碍。我们希望提供足够坚固的光学镊子,而不需要太大的输入功率以致破坏样品。”

计算瓶颈

Horodynski说,该技术有两个主要缺点:需要从实验中捕获尽可能多的出射光,以及需要在非常短的时间尺度上测量系统的散射矩阵,这与系统本身发生变化的时间尺度相当。对于诸如生物组织之类的非静态环境,必须连续执行散射矩阵测量和计算,以在每个时间步长获得最佳场。

Horodynski说:“我们根据给定的散射矩阵为最佳输入状态执行计算所需的时间并不是一个瓶颈,而是散射矩阵本身的采集时间太长。但是,相应的工具和硬件正在快速改进中。”

使用微波的概念验证实验

带有微波波导的工作台照片。中间有一个方形靶材的铝波导(盖板被移除,未显示)。目标左侧和右侧的白色Teflon 元件模拟了无序的培养基。

在法国尼斯物理研究所进行的概念验证实验中,TU Wien研究小组的另一位成员Kevin Pichler通过用微波辐照随机排列的聚合物特氟龙,测试了计算方法。根据实验测量的信号,他能够精确地生成那些在系统中存在混乱的情况下产生最佳波态的波形。在概念验证研究中,研究人员使用了微波,因为它们使我们可以轻松访问远场中的辐射,测量散射矩阵以及目标周围的近场,以了解目标如何受到影响。

研究团队现在正在与一个实验小组合作,以在可见光范围内应用该技术,并优化光阱的刚度。该技术的提出具有许多更有趣的可能性,例如可以通过这种方式进行扩展,最终在复杂环境中实现实时操纵任意目标。

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