HK1092541B - Apparatus for applying optical gradient forces - Google Patents

Claims (30)

1. Eine Vorrichtung zur Manipulation von Partikeln durch Bilden einer optischen Falle (50) bestehend aus:

   einem optischen Element (40) zum Empfang eines Lichtstrahls (12);

   zumindest einem Teleskoplinsensystem (34), das dem genannten optischen Element (40) nach Interaktion des Lichtstrahls mit dem genannten optischen Element (40) nachgelagert ist; und

   einem fokussierenden Element (20), das den genannten optischen Element (40) nachgelagert ist;

   wobei es sich bei dem optischen Element (40) um ein lichtbrechendes optisches Element handelt, das eine Reihe separater gebrochener Lichtstrahlen (44) bildet;

   wobei das genannte optische Element (40) mit dem genannten fokussierenden Element (20) kooperiert, um jeden der gebrochenen Lichtstrahlen (44) separat zu konvergieren, um einen fokussierten Lichtfleck zu bilden, um eine Möglichkeit zur Bildung einer separaten optischen Falle (50) im Lichtfleck für jeden der Partikel (14) zu liefern, wobei einer der separat gebrochenen Lichtstrahlen (44) für jeden Partikel (14) verwendet wird; und

   dadurch gekennzeichnet, dass:

   zum optischen Element (40) computergenerierte Hologramme gehören, welche den genannten Lichtstrahl (12) in die genannten, mehreren separaten, gebrochenen Lichtstrahlen (44) aufteilen und welche unabhängig eine Wellenfront jedes der separat gebrochenen Lichtstrahlen (44) formen;

   wobei einige der genannten separaten optischen Fallen (50) räumlich auf einer Brennebene (52) und einige der genannten, separaten optischen Fallen räumlich außerhalb der Brennebene (52) des fokussierenden Elements (20) angeordnet sind, um eine dreidimensionale Anordnung der optischen Fallen (50) zu bilden.
2. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 1, wobei das genannte, lichtbrechende, optische Element (40) senkrecht zu einer optischen Achse (22) des genannten Teleskoplinsensystems (34) positioniert ist.
3. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 1, wobei das genannte, lichtbrechende, optische Element (40) schräg zu einer optischen Achse (22) des genannten Teleskoplinsensystems (34) positioniert ist.
4. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 1, wobei das genannte, lichtbrechende, optische Element (40)mehr oder weniger auf einer Ebene (42) paarig mit einer hinteren Blende (24) des genannten fokussierenden Elements (20) positioniert ist.
5. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 1, wobei das genannte, lichtbrechende, optische Element (40) die optischen Fallen (50) zumindest entweder lenkt oder fokussiert.
6. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 1, zu der weiterhin ein Spiegel (60) gehört, der positioniert ist, um eine Bewegung der optischen Fallen (50) zu ermöglichen.
7. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 6, wobei der genannte Spiegel (60) so montiert ist, dass er eine laterale und vertikale Verschiebung der optischen Fallen (50) ermöglicht.
8. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 7, zu der weiterhin ein zweites Teleskoplinsensystem (62) gehört, das dem genannten ersten Teleskoplinsensystem (34) und dem genannten Spiegel (60) nachgelagert ist.
9. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 1, wobei zumindest das fokussierende Element (20) so positioniert ist, um den Lichtstrahl zu empfangen, der vom genannten Teleskoplinsensystem (34) empfangen wird.
10. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 8, zu der weiterhin ein Strahlteiler (70) gehört, der zwischen dem genannten zweiten Teleskoplinsensystem (62) und dem genannten fokussierenden Element positioniert ist, und somit Ansicht von Bildern der Partikel (14), die manipuliert werden, ermöglicht.
11. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 1, zu der weiterhin ein System zur Erzeugung eines Laserstrahls zwecks Eingabe in das genannte lichtbrechende Element gehört.
12. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 1, wobei zum genannten, lichtbrechenden, optischen Element (40) eine Möglichkeit zur Bildung eines sich dynamisch ändernden Partikelfelds gehört.
13. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 1, zu der weiterhin ein Spiegel (60) gehört, der beweglich positioniert ist und an einer Stelle paarig mit einer hinteren Blende (24) des genannten fokussierenden Elements (20), die vom genannten zumindest einen Teleskoplinsensystem (34, 62) gebildet wird, positioniert ist.
14. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 13, zu der weiterhin eine Möglichkeit zur Lenkung der optischen Fallen (50) gehört.
15. Die Vorrichtung entsprechend Anspruch 13, zu der weiterhin eine Möglichkeit zum Fokussieren der optischen Fallen (50) gehört.
16. Ein Verfahren zur Manipulation eines Materials mit einer Reihe kleiner, dielektrischer Partikel (14), bestehend aus folgenden Schritten:

    Erzeugen eines Laserstrahls (12);

    Eingabe des Laserstrahls (12) in ein lichtbrechendes, optisches Element (40), das eine Reihe von gebrochenen Laserstrahlen (44) bildet;

    Leiten der gebrochenen Laserstrahlen (44) durch ein Teleskoplinsensystem (34); und

    Fokussieren der Ausgabe der gebrochenen Laserstrahlen (44) vom Teleskoplinsensystem (34) unter Verwendung eines fokussierenden Elements (20);

    wobei das fokussierende Element eine Reihe separater optischer Fallen (50) zur Manipulation der kleinen dielektrischen Partikel in eine ausgewählte Richtung bildet;

    und dadurch gekennzeichnet, dass zum optischen Element (40) computergenerierte Hologramme gehören, welche den Laserstrahl in mehrere separate, gebrochene Laserstrahlen (44) aufteilen und welche unabhängig eine Wellenfront jedes der separat gebrochenen Laserstrahlen (44) formen;

    wobei einige der genannten separaten optischen Fallen (50) räumlich auf einer Brennebene (52) und einige der genannten, separaten optischen Fallen räumlich außerhalb der Brennebene (52) des fokussierenden Elements (20) angeordnet sind, um eine dreidimensionale Anordnung der optischen Fallen zu bilden.
17. Das Verfahren entsprechend Anspruch 16 zur Manipulation von Material durch Bilden und Bewegen einer Reihe optischer Fallen (50), bei dem das lichtbrechende, optische Element (40) ein zeitabhängiges lichtbrechendes optisches Element umfasst, zu dem folgende Schritte gehören:

    Anwenden eines Laserstrahls (12) auf das lichtbrechende, optische Element (40) zur gleichzeitigen Erzeugung von zumindest zwei separaten Laserstrahlen (44); und

    Erstellen optischer Gefällebedingungen in den zumindest zwei separaten Laserstrahlen (44), um die mehreren optischen Fallen (50) zu bilden und zu bewegen, die ein sich mit der Zeit änderndes Feld bilden, die das Material zur Manipulation des Materials in eine ausgewählte Richtung kontaktieren.
18. Das Verfahren entsprechend Anspruch 17, wobei zum Material weiterhin ein optisches Medium oder ein biologisches Medium gehört.
19. Das Verfahren entsprechend Anspruch 17, wobei das lichtbrechende, optische Element (40) ein programmierbares Flüssigkristallarray umfasst.
20. Das Verfahren entsprechend Anspruch 17, wobei der Schritt der Manipulation die Durchführung eines Herstellungsprozesses ist, der aus der Gruppe bestehend aus Manipulation von Partikeln in einem photonischen Kreislauf, Manipulation von Komponenten in einem Nanokomposit, Herstellung elektronischer Komponenten, Manipulation optoelektronischer Komponenten, Vorbereitung eines chemischen Sensors, Vorbereitung eines biologischen Sensors, Zusammenstellen holografischer Datenspeichermatrizen, Zusammenstellung kolloidaler Arrays und Manipulation biologischer Materialien ausgewählt wird.
21. Das Verfahren entsprechend Anspruch 17, wobei das lichtbrechende optische Element (40) ein zeitabhängiges, adressierbares, phasenverschiebendes Medium umfasst.
22. Das Verfahren entsprechend Anspruch 17, wobei das lichtbrechende, optische Element (40) in eine Ebene positioniert wird, die paarig zu einer hinteren Linse (42) des fokussierenden Elements (20) ist.
23. Das Verfahren entsprechend einem der Ansprüche 17 oder 22, zu dem weiterhin Folgendes gehört:

    Durchführung eines Herstellungsprozesses, der die Position von zumindest einem der mehreren Partikel ändert.
24. Das Verfahren entsprechend Anspruch 23, wobei der Herstellungsprozesses aus der Gruppe bestehend aus Manipulation von Partikeln in einem photonischen Kreislauf, Manipulation von Komponenten in einem Nanokomposit, Herstellung elektronischer Komponenten, Manipulation optoelektronischer Komponenten, Vorbereitung eines chemischen Sensors, Vorbereitung eines biologischen Sensors, Zusammenstellen holografischer Datenspeichermatrizen, Zusammenstellung kolloidaler Arrays und Manipulation biologischer Materialien ausgewählt wird.
25. Das Verfahren entsprechend Anspruch 23, wobei das lichtbrechende optische Element (40) ein zeitabhängiges, adressierbares, phasenverschiebendes Medium umfasst.
26. Das Verfahren entsprechend Anspruch 23, zu dem weiterhin der Schritt der Verschiebung eines Arrays optischer Fallen (50) mit den mehreren Partikeln lateral oder axial relativ zu einer Probe gehört, indem eine Probenphase relativ zu einer optische Achse (22) bewegt wird.
27. Das Verfahren entsprechend Anspruch 23, zu dem weiterhin der Schritt der Verschiebung eines Felds der mehreren Partikel relativ zu einer Probe gehört, indem eine Probenphase, welche die genannte Probe enthält, bewegt wird.
28. Das Verfahren entsprechend Anspruch 23, wobei die Durchführung des Herstellungsprozesses den Schritt des Bewegens der mehreren Partikel durch Bewegen der mehreren Laserstrahlen und damit verbundener optischer Fallen (50) durch Wirkung eines Spiegels (60) umfasst, der an einer Stelle paarig mit einer hinteren Blende (24) des fokussierenden Elements (20) positioniert ist.
29. Das Verfahren entsprechend Anspruch 16, zu dem weiterhin Folgendes gehört:

    Positionieren einer Reihe von Partikeln durch das genannte fokussierende Element (20), das mehrere separate optische Fallen (50) bildet, um ein gewünschtes Feld der genannten Reihe an Partikeln zu bilden.
30. Das Verfahren entsprechend Anspruch 29, wobei das genannte gewünschte Feld ein sich dynamisch änderndes Feld der genannten Partikel ist.