专利名称：用于施加光学梯度力的改进的设备、系统和方法
技术领域：
本发明总体涉及光学阱。具体地，本发明涉及用于施加光学梯度力以形成多个光学阱来操作小微粒的设备、系统和方法。
背景技术：
光学镊子是一种利用聚焦光束的梯度力来操作介电常数比周围介质高的微粒的光学工具。为了使其能量最小化，这种微粒将向电场最强的区域运动。就动量而言，聚焦的光束产生辐射压力，由一个微粒通过光的吸收、反射、衍射或折射产生微小的力。由辐射压力产生的力基本上可以忽略不计，一个光源、例如以10mW工作的二极管抽运Nd:YAG激光器仅产生几微微牛顿的力。然而，几微微牛顿的力足以操作小微粒。
可以用于操作小微粒的其它光学工具包括但不限于光学涡流、光学瓶、光学旋转器和光笼。光学涡流尽管与光学镊子用途类似，但是工作原理相反。光学涡流在零电场的区域周围产生一个梯度，这对于操纵介电常数低于周围介质的微粒、或者具有反射性微粒、或被光学镊子所排斥的其它类型的微粒是有用的。为了使其能量最小化，这种微粒将向电场最低的区域、即向在适当形状的激光束的焦点处的零电场区域运动。光学涡流提供一个非常类似于环形室(电子回旋加速器室)中的空位的零电场区域。在环形室周围，光学梯度以最强的电场辐射。光学涡流将小微粒滞留在环形室的空位中。这种滞留是通过涡流在小微粒上沿着零电场线滑过而实现的。
光学瓶与光学涡流的不同点在于，其仅在焦点处具零电场，并且在涡流的一端具有一个非零电场。光学瓶可以用于捕获那些太小或太具有吸收性而不能用光学涡流或光学镊子捕获的原子和纳米团簇。J.Arlt andM.J.Padgett.“Generation of a beam with a dark focus surrounded by regionsof higher intensityThe optical bottle beam”，Opt.Lett.25，191-193，2000。
光学旋转器是最近公开的光学工具，它提供了一种捕获物体的悬臂模式。变换模式可以使被捕获的物体旋转。L.Paterson，M.P.MacDonald，J.Arlt，W.Sibbett，P.E.Bryant，and K.Dholakia，“Controlled rotation ofoptically trapped microscopic particles，”Science 292，912-914，2001。这种类型的工具可以用于操纵非球形的微粒并且驱动MEMs装置或纳米机械。
Neal在美国专利No.5,939,716中公开的光笼是一种宽泛的可目视的光学涡流类设备。光笼形成围绕着一个太大、太具有反射性或者具有低于周围介质的介电常数的微粒的光学涡流环。如果说光学涡流类似于一个环形室，则该光笼类似于一个充糊(jelly-filled)环形室。环形室空位(对于涡流而言)是零电场区，而充糊则是低电场区。总体而言，形成环形室的多个光学镊子的梯度力向着也可以被认为是位于多个光学镊子之间的不明亮区的充糊“推动”具有比周围介质低的介电常数的微粒。然而，与涡流不同，产生了一个非零电场区。
在描述光学阱阵列的Grier and Dufresne的美国专利No.6,055,106中，可以获知一种采用具有衍射光学元件的单束激光形成多个聚焦形成光学阱阵列的衍射激光束。该专利提出采用物理传输透镜将一个衍射的激光束导向聚焦透镜的后孔径。多个实透镜被用于引导和将激光束重叠在聚焦透镜的后孔径处，使激光束充分重叠以获得至少为0.8的有效数值孔径(NA)，如Chu and Kronis的美国专利No.5,079,169所述，0.8被认为是在三维空间中捕获和操纵微粒所需的最小NA。美国专利No.6,055,106中公开的设备的缺点是，各透镜需要相对大量的物理空间以进行操作，并且各透镜必须被维护、清洁和对齐。熟悉传输透镜系统的人将认识到，在系统中的透镜数目越多、则未对准的可能性越大，并且还存在其它维修问题。因此，需要减少用于形成光学阱阵列的传输透镜系统中的透镜数目。本发明可以满足这一需要。
在美国专利No.6,055,106中描述的用于监控光学阱活动的通常形式是在激光束路径中放置一个分束器，并从而产生一个光学数据流。这种形式的局限在于，噪扰对于光学数据流的有害影响。在光学阱方面，噪扰指的是对光学阱的成像、测量和/或观察、它们的内容、或者周围区域造成影响，这是由于透镜不完美、灰尘、污垢或因未对齐而导致未衍射的聚焦光束或能量存在于系统中、光线从光学阱发散、以及光从物理传输透镜系统中的一个透镜被反射或衍射所造成的。如美国专利No.6,055,106所述，一种减少噪扰的途径是相对于衍射元件以一个倾斜的角度引导激光束，从而促使未衍射的光束远离物镜。尽管对于其所希望达到的目的是有用的，但是仍然存在其它噪扰源。因此需要减少或消除由于产生光学阱阵列的系统的部件形成的未衍射激光束、分散和反射激光束所引起的噪扰。本发明同样可以满足这一需要以及其它需要，并且提供相关优点。
发明内容
本发明提供一种仅采用单一物理传输透镜来产生、监控和控制光学阱阵列的新型和改进的方法、系统和设备。通过过滤或屏蔽掉由系统中的分散、未衍射和反射光引起的“噪扰”，本发明也改进了光学阱的监控和控制。
在产生多个光学阱的系统中，通过将一个透镜功能编译(encoding)在一个衍射光学元件中，消除或减少了多个传输透镜。该衍射光学元件还可以改变任何光束的相位。通过编译衍射光学元件以会聚多个光束，本发明创造了采用单个实透镜传递多个光束并将它们重叠在物镜的后孔径上、并形成贯穿的光学阱的有利条件。
在一个基本形式中，本发明(图1A)为一个聚焦的光或能束，例如由衍射光学元件衍射的单一激光束，所述衍射光学元件具有编码透镜功能。该激光束被衍射成多个光束，并且每个光束也被衍射光学元件会聚并随后引导至单一传输透镜，该单一传输透镜又将多个光束引导并重叠到聚焦透镜(例如显微镜的物镜)的后孔径上，从而形成多个光学阱。为了改变给定光学阱的位置，形成该光学阱的光束通过衍射光学元件可以被调整到一个新的位置，从而改变由此产生的光学阱位置。可以增加一个运动的反射镜(图1D、1E、2和4)，以便整体地改变所有光学阱的位置。在一些情况下，单一传输透镜的运动也可以令人满意地用于改变给定光学阱的位置。
用单透镜移动系统有选择地产生和控制光学阱阵列对于许多商业应用是有用的，例如光学回路设计和制造、纳米复合材料的构建、电子部件的制造、光电子、化学和生物传感器阵列、全息数据存储矩阵组件、驱动MEMS的能源或光马达、对组合化学的促进、胶体自组装的推广、生物材料的控制、生物材料的审查、所定的生物材料的浓缩、生物材料特性的研究、以及生物材料的检验等。
在本发明的一些实施例中(图2和4)，通过在聚焦透镜之前将一个分束器置于光束路径中并随后引入一个滤光器以限制未衍射的、分散的或反射的光线沿着光学数据流通过、并因此减少可以扰乱光学数据流的图像或其它监控的噪扰，可以对光学阱阵列的活动进行实时观察。还可以将一个用于调节整个光学阱阵列的位置的运动的反射镜与分束器结合起来(图2和3)或者添加到系统中(图4)。
通过周期性地切断激光(图3)并监控光学数据流、和/或通过当激光器打开时切断光学数据流，可以减小噪扰。
在参照附图的说明中将部分地提到本发明的其它特征和优点，在该说明和附图中描述并表示了本发明的优选实施例，并且通过遵循下面结合附图的详细说明进行实验，本领域技术人员可以理解这些特征和优点，或者可以通过实践本发明而了解。可以通过所附权利要求中具体指出的措施和结合实现并获得本发明的优点。
图1A表示一个用于操纵小微粒阵列的系统。
图1B表示用于操纵小微粒阵列的第一替代系统。
图1C表示用一个反射性衍射光学元件操纵小微粒阵列的第二替代系统。
图1D表示具有可动反射镜的用于操纵小微粒阵列的第三替代系统。
图1E表示具有可动反射镜的用于操纵小微粒阵列的第四替代系统。
图2表示适于进行实时和无噪扰观察的用于操纵小微粒阵列的第五替代系统。
图3表示适于进行实时和无噪扰观察的用于操纵小微粒阵列的第六替代系统。
图4表示适于进行实时观察的用于操纵小微粒阵列的第七替代系统。
具体实施例方式
在下面的说明中将采用特定的术语，为了更为方便并有利于参考，在下面给出非限定性的简明定义A.“射束”指聚焦光或其它能量源的子束，它是通过引导例如由激光器或从发光二极管发出的平行输出产生的光或其它能量源的聚焦束穿过一个将该聚焦束衍射成两个或更多子束的介质而产生的。射束的一个例子为从光栅衍射的高阶激光束。
B.“相位分布”指在一个光束的横截面中光或其它能量源的相位。
C.“相位图案形成(phase patterning)”指将一个图案的相位移给予改变其相位分布的光、其它能量源的聚焦束、或射束，包括但不限于相位调制、模式形成、分裂、会聚、发散、整形和对光或其它能量源的聚焦束或射束的其它操纵。
如图1A、1B和1C所示，用于形成多个可动光学阱的本发明的设备的各种实施例总体被标为8。在图1A所示的实施例中，通过产生一个能量、例如电磁波能量的聚焦束，形成一个可动光学阱阵列。在优选实施例中，电磁波为光波，该光波优选地具有从大约400nm至大约1060nm的波长，更优选地具有绿光光谱的波长。如图1A-E所示，该光束由平行光形成，例如从光发射极而来的平行输出、优选为激光束10。
沿着光轴500引导聚焦光束穿过一个具有可变光学表面的相位图案形成光学元件、例如一个基本上设置在与聚焦透镜、例如一个物镜18的后孔径16的平面15共轭的平面上的、具有可变光学表面的衍射光学元件12，以便产生多个具有所选择的相位分布的射束32和33(示出两个)。改变衍射光学元件的光学表面将改变该射束。
一个虚透镜被编码在衍射光学元件12中，该虚透镜将多个射束会聚在编码衍射光学透镜和单一传输透镜之间的一个位置上。从编码衍射光学元件射出的射束，在会聚之后被完全引向一个传输透镜，以便将射束重叠在聚焦透镜、例如物镜18的后孔径上。然后，利用聚焦透镜将射束会聚，以便在工作聚焦区2000中形成多个光学阱1002和1004。工作聚焦区2000是一个放置包含需要利用光学阱1002和1004进行检验、测量或操纵的微粒3000或其它材料3002的介质的区域。
可以采用任何适当的激光器作为激光束10的光源。可用的激光器包括固态激光器、二级管抽运激光器、气体激光器、染料激光器、亚历山大激光器、自由电子激光器、VCSEL激光器、二极管激光器、Ti-兰宝石激光器、掺钇铝石榴石激光器、掺YLF激光器、二级管抽运钇铝石榴石激光器和闪光灯抽运钇铝石榴石激光器。在10mW和5W之间工作的二级管抽运Nd:YAG激光器是优选的。
当聚焦光束10被引导通过编码衍射光学元件12时，该编码衍射光学元件产生具有变化的相位分布的多个衍射射束32和33。根据所需光学阱的类型，所述变化可以包括波阵面整形、相位移、转向、发散和会聚，以形成包括光学镊子、光学涡流、光学瓶、光学旋转器、光笼等不同类型的光学阱、以及不同类型光学阱的组合。为了清楚起见，仅表示出了两个衍射射束和两个相应的光学镊子1002和1004，但是应当理解，利用编码衍射光学元件可以产生这种射束阵列。
利用编码衍射光学元件可以有选择地控制各个阱的位置。本发明的一个显著特征在于，可以对各阱的运动进行有选择的控制，使其为在固定位置上进行旋转、在非固定位置上进行旋转、二维和三维运动、连续和阶跃运动。通过改变光束穿过的衍射光学元件的表面、从而改变从编码衍射光学元件射出的射束的会聚位置可以实现这一控制。
适当的衍射光学元件根据它们如何引导聚焦光束来决定其特性是透射或反射。如图1A和图1B所示，透射衍射光学元件对光束进行聚焦，而如图1C所示，反射衍射光学元件对光束进行反射。
在两个总组中，衍射光学元件可以分类为由静态或动态介质构成。适当的静态衍射光学元件的例子包括具有固定表面的衍射光学元件，例如光栅，包括衍射光栅、反射光栅、透射光栅、全息图(holograms)、模板、光整形全息滤波器、多色全息图、透镜、反射镜、棱镜、波片等。
静态衍射光学元件可以具有不同的区域，各个区域的结构给予射束一个不同的相位分布。在这些实施例中，静态衍射光学元件的表面可以通过相对于激光束10移动所述表面来改变，以便选择适当的区域来改变赋予射束的所需特性，即改变至少一个所获得的射束的所需相位分布。在一些实施例中，静态表面包含两个或更多的不连续非均匀区域。在一个替代实施例中，该静态表面基本上连续地变化。
功能随时间变化的适当的动态衍射光学元件的例子包括可变的计算机产生的衍射图案、可变相位移材料、可变液晶相位移阵列、微反射镜阵列、活塞模式微反射镜阵列、空间光调制器、电光偏转器、声光调制器、可变形反射镜、反射MEMS阵列等。采用动态衍射光学元件，例如借助一个计算机可以改变编码表面的特征，以便改变射束数目、至少一个射束的相位分布和至少一个射束的位置。
编码于衍射光学元件上的虚透镜改变入射到光学元件上的光的相位。一个典型的虚透镜类似于菲涅耳透镜的形式，菲涅耳透镜例如在反射光栅或向列型液晶的取向上编码。该虚透镜与整体地影响所有射束32和33的实透镜不同，因为该虚元件可以独立地改变各个光束的相对位置。
衍射光学元件还用于赋予激光一个特定的拓扑模式。因此，一个射束32以高斯-拉盖尔模式形成，而另一个射束33以高斯模式形成。
优选的虚透镜编码衍射光学元件包括纯相位空间光调制器，例如由日本的Hamanmatsu制造的“PAL-SLM系列X7665”、由Boulder NonlinearSystem of Layfette，Colorado制造的“SLM512SA7”。这些编码衍射光学元件是可以用计算机进行控制的并且是多功能的，从而它们可以通过对激光束10进行衍射而产生射束32和33，并且有选择地赋予所获得的射束所需的特性。
从编码衍射光学元件的前表面13上的区域A发射各衍射射束，并且各射束还必须在后孔径16上通过一个区域B，从而射束在物镜18的后孔径16上重叠。在图1所示的实施例中，通过将虚透镜编码衍射光学元件与下游的一个单一可动光学透镜L1结合起来，可以有效地实现接近精确的重叠。
激光束10优选具有基本上与后孔径16的直径一致的光束直径w，并且本发明系统的一个优点在于，物镜18的后孔径17很少或没有过满，物镜既保持会聚激光束10的强度又保持以所需模式在工作聚焦区2000中产生有效光学阱1002和1004的电场梯度的强度。
按数学方式表述如果建立足以形成光学阱的梯度力的有效NA为0.8，并且如果以公式NA＝n*Sinφ/2计算有效NA，其中n表示物镜外侧介质的折射指数、而φ是衍射光束的会聚角度，并且如果采用折射指数为1.5的油浸物镜，则为了保持0.8的有效NA，在光学阱运动过程中φ应当保持至少66度，以便形成并保持在三维中有效操纵微粒的光学阱。
或者，如果采用相对于激光束10具有超大尺寸的后孔径的超大尺寸聚焦透镜，则可以形成一个有效光学阱而不需要填满后孔径16。然而，这种透镜需要较大的物理空间并且成本可能会更高。
转到图1B所示的替代实施例，通过使激光束10通过一个以一个虚透镜编码的衍射光学元件12形成可控的光学阱阵列，所述虚透镜大致布置在一个相对于光轴500形成锐角β的平面14’中。在本实施例中，利用衍射光学元件引导从编码衍射光学元件前表面上的区域A射出的射束32和33，以便穿过物镜18后孔径16上的区域B，并且在工作聚焦区2000中形成光学阱1002和1004。通过改变激光束10相对于光轴500的位置，未衍射光34的一部分被除去，这又减少了由于未衍射光34所造成的噪扰，从而改善了形成光学阱1002和1004的效率和效果。此外，当如图1A和1C所示、沿着光轴引导激光束时，可以消除由激光束的一个未衍射部分形成的不可动光学阱(未示出)。
图1C表示一个替代实施例，其中，通过用一个具有编码虚透镜的衍射光学元件12”反射激光束10，形成可控的光学阱阵列。
图1D和1E表示具有可动反射镜41的替代实施例，可动反射镜41用于在聚焦透镜的后孔径处重叠射束之前使从相位图案形成光学元件发出的射束整体地转向。可动反射镜41置于传输透镜L1的上游，其旋转中心位于区域C中。代表性的射束32从编码衍射光学元件12的前表面13上的区域A通过传输透镜L1并照射到区域C上，区域C将它反射到后孔径16处的区域B上。倾斜可动反射镜41将改变射束32相对于反射镜41的入射角度，并且可以用于平移光学阱1002和1004的阵列。
该可动反射镜用于既精确地在一个固定基片内对准光学阱阵列、以便通过小幅快速振荡性位移对光学阱进行动态加强，又通过精确改变光学阱阵列的位置有效增强捕获作用，同时使光学阱产生脉动、以由相同数目的射束形成两个或更多的交替光学阱组。
图1D中所示的实施例通过包括一个设置在可动反射镜41和物镜18之间的传统望远镜系统42使射束的错位最小化。该望远镜系统由放置在共轭面43和45之间的两个透镜L2和L3构成，以便射束从编码衍射光学元件12的前表面13上的区域A穿过照射到平面43上区域C处的分束器51的旋转中心上，并且随后穿过平面44上的物镜18的后孔径16上的区域B。在图1E所示的实施例中，可动反射镜41被置于接近后孔径16的位置上，以便使射束的错位最小化。
采用图2和3所示的实施例，可以在工作聚焦区2000内实时观察与小微粒3000相互作用的光学阱1002和1004的光学数据流。光学阱1002和1004的可动阵列可以利用单透镜传输镜片L1形成。为了清楚起见，仅表示出一个射束32，但是应当理解，利用光学元件12可以产生多个这种射束。
为了产生光学阱阵列，激光束10穿过衍射光学元件12以产生射束32，该射束32从编码衍射光学元件12的前表面13上的区域A射出，然后传递到区域C。区域C是位于物镜18之前的分束器51表面上的中心区域。该分束器51由一个静态或可动二向色反射镜、一个静态或可动光子带隙反射镜、一个静态或可动全向反射镜、或其它类似装置构成。图2所示的分束器是可动的，并因此起可动反射镜和分束器两种作用。在图3所示的替代实施例中，分束器51是固定的。
分束器51有选择地反射用于形成光学阱的光的波长，并且透射其它的波长以形成两个射束流。因此，如图2和3所示，第一射束流从区域C穿过物镜18后孔径16处的区域B行进，从而使所有射束在后孔径处有效地重叠，并形成光学阱1002和1004。第二射束流被分束器51反射到一个监控器，并用于在一个成像照明光源(未示出)的辅助下提供实时光学数据流。第二射束流穿过设备8，以便由人类监控者65进行视觉监控64a。监控者65可以与一台计算机66交互连络，并使计算机有效地改变系统的参数，以便改变射束32之一或全部的位置。
或者，可以获得光学数据流的一个光谱64b，然后分析和/或将光学数据流转换成一个视频信号并用一个视频监控器64c进行监控。在一些实施例中，光学数据流穿过一个分光仪，并且根据光谱分析或视频监控改变至少一个射束的会聚位置，以便改变相应的(一个或多个)光学阱的位置。
通过适用于非弹性光谱或偏振光反向散射的成像照明，可以实现生物学材料的光谱分析64b，非弹性光谱用于评估化学结构，而偏振光反向散射适用于测量核子尺寸。计算机66对数据进行分析，以识别可疑的癌、癌前期或非癌细胞，并且引导光学阵列以分离并集中所选择的细胞类型的样本。本领域人员可知，采用根据癌细胞的特定参数集中细胞的方法可以在不脱离本发明范围的情况下改变以根据其它参数识别和/或集中其它类型的细胞。用于形成对操纵生物材料有用的光学阱的激光束10的波长包括红外、近红外和从大约400nm到大约1060nm的可见光波长。
在另一些实施例中，可以由一个适于记录光学数据流的计算机66接收该光学数据流，对光学数据流进行分析，和/或经由衍射光学元件13精确调整(一个或多个)射束32中之一或全部的位置、单一传输透镜L1的位置、和/或可动分束器51的位置。或者，可以利用监控其强度的光检测器、或将光学数据流转换成适用于计算机66的数字数据流的任何适当装置对光学数据流进行处理。
如果噪扰受到控制，则实时光学数据流将提供更加有用的信息。如图2所示，一个滤波元件53、例如一个偏振元件或带通元件设置在光学数据流的路径中，以减少沿光学数据流的轴线通过的反射、散射或未衍射激光10的量。滤波元件53将一种或多种预定的波长过滤掉，并且在一些实施例中，将过滤掉除光学数据流的一个预定波长之外的所有波长。
另一个限制光学数据流中的噪扰的方法是光学数据流的光闸、或脉冲。图3表示可控光闸62和63的系统。光闸的一个优点是从光学数据流基本上消除所有噪扰或干扰。光闸62通过开关激光束10以调整其开口，有选择地阻挡或不阻挡光学数据流自由通过该系统。当不产生激光束时，阻挡住光学数据流，并且当产生聚焦光束时，不阻挡光学数据流。当切断激光束10时(这又顺次导致(一个或多个)射束32和所获得的(一个或多个)光学阱1002被切换成“接通”和“断开”)，为了在光学阱中保持对小微粒(未示出)的控制，根据被操纵微粒的特性调整光闸的脉冲重复频率。然而，脉冲比太慢将导致捕获的微粒漂移。对于需要漂移的情况而言，可以将脉冲比调整为有利于漂移。
或者，光闸63阻挡激光束(未示出)或射束自由进入物镜。通过光学数据流监控的“接通”和“断开”来协调光闸63的开关，噪扰被减少。在一些例子中，可能需要双光闸。双光闸的一个优点是，激光束10和监控装置能够总是保持“接通”。在这种设计中，仅需要协调光闸62和63的动作。计算机66可以用于有选择地控制光闸62和63。
图4所示是一个有用的实施例，其中，设备的有用性、物理空间的限制或其它性能参数将从利用一个传统望远镜传输透镜系统42而受益，传统望远镜传输透镜系统42设置在该系统中位于与移动反射镜41和分束器51结合以提供光学数据流的单一传输透镜L1之后。
设备8用作一个用于操纵多个小微粒的系统的一部分。除了该设备，该系统包括一个用于产生聚焦光束的光源(未示出)、聚焦光束10、和由光学阱1002和1004操纵的多个小微粒3000。
根据本发明产生多个光学阱。在一些实施例中，光学阱形成操纵生物材料所需的梯度条件。
由于在上述设备中可以进行一定程度的改变而不脱离在此所涉及的本发明的范围，所以如附图、说明书和权利要求所述的上述说明中所包含的所有内容均是示例性的，而不具有限定作用。
权利要求
1.一种用于形成多个可动光学阱的方法，该方法包括产生聚焦光束；将聚焦光束引导至具有可变光学表面的相位图案形成光学元件，以便形成从该相位图案形成光学元件发出的多个射束，各射束具有一个相位分布；通过相位图案形成光学元件使从相位图案形成光学元件发出的射束在相位图案形成光学元件和一个单个传输透镜之间的一个位置会聚；引导从相位图案形成光学元件发出的射束通过单个传输透镜，以使射束在一个聚焦透镜的后孔径处重叠；以及使从该聚焦透镜发出的射束会聚以形成多个光学阱。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括通过改变光学表面而改变从相位图案形成光学元件发出的至少一个射束的会聚位置，从而改变至少一个光学阱的位置。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述光学阱是从光学镊子、光学涡流、光学瓶、光学旋转器、光笼以及它们的组合所构成的组中选出。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，进一步包括通过改变光学表面，以改变从相位图案形成光学元件发出的至少一个射束的相位分布。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括通过光学阱操纵生物材料。
6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，聚焦光束是激光束。
7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，激光束的波长在绿光光谱中。
8.如权利要求6所述的方法，其特征在于，激光束的波长从大约400nm至大约1060mm的范围内选出。
9.如权利要求1所述的方法，其特征在于，进一步包括在射束在聚焦透镜的后孔径处重叠之前，通过一个可动反射镜使从相位图案形成光学元件发出的射束整体地转向
10.一种形成多个可动光学阱的方法，该方法包括产生聚焦能束；将该聚焦能束引导至具有可动光学表面的相位图案形成光学元件，以形成多个射束；通过相位图案形成光学元件会聚所述射束；引导射束通过一个单一传输透镜，以使射束在一个聚焦透镜的后孔径处重叠；以及将从聚焦透镜发出的射束会聚成多个光学阱。
11.如权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括通过改变光学表面而改变从相位图案形成光学元件发出的至少一个射束的会聚，以改变至少一个光学阱的位置。
12.如权利要求10所述的方法，其特征在于，进一步包括形成从光学镊子、光学涡流、光学瓶、光学旋转器和光笼所构成的组中选出的两个或更多不同类型的光学阱。
13.如权利要求12所述的方法，其特征在于，进一步包括通过相位图案形成光学元件改变至少一个射束的相位分布。
14.如权利要求10所述的方法，其特征在于，聚焦能束是电磁波能。
15.一种形成和监控多个可动光学阱的方法，包括产生聚焦光束；将该聚焦光束引导至相位图案形成光学元件，以便形成多个从具有可变光学表面的相位图案形成光学元件发出的射束，各射束具有一个相位分布；通过相位图案形成光学元件使从相位图案形成光学元件发出的射束在相位图案形成光学元件和一个单个传输透镜之间的一个位置会聚；引导从相位图案形成光学元件发出的射束通过一个单个传输透镜，以使射束在一个分束器的表面重叠并且产生两个射束流，分束器将第一射束流反射到一个聚焦透镜的后孔径、并且反射第二射束流以形成一个光学数据流；以及使从该聚焦透镜发出的射束会聚以形成多个光学阱。
16.如权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括改变从相位图案形成光学元件发出的至少一个射束的会聚，以便改变至少一个光学阱的位置。
17.如权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括形成从光学镊子、光学涡流、光学瓶、光学旋转器和光笼所构成的组中选出的两个或更多不同类型的光学阱。
18.如权利要求17所述的方法，其特征在于，进一步包括通过相位图案形成光学元件改变至少一个射束的相位分布。
19.如权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括利用光学阱操纵生物材料。
20.如权利要求15所述的方法，其特征在于，聚焦光束是激光束。
21.如权利要求20所述的方法，其特征在于，激光束的波长在绿光光谱中。
22.如权利要求20所述的方法，其特征在于，单个激光束的波长从大约400nm至大约1060mm的范围内选出。
23.如权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括在射束在聚焦透镜的后孔径处重叠之前，通过一个可动反射镜使从相位图案形成光学元件发出的射束整体地转向。
24.如权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括将光学数据流转换成视频信号。
25.如权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括获得并随后分析光学数据流的光谱。
26.如权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括通过一个计算机接收光学数据流。
27.如权利要求16所述的方法，其特征在于，通过一个计算机指挥光学表面的改变。
28.如权利要求25所述的方法，其特征在于，进一步包括根据光学数据流的分析光谱改变光学表面，以改变至少一个光学阱的位置。
29.如权利要求24所述的方法，其特征在于，进一步包括根据视频信号改变光学表面，以改变至少一个光学阱的位置。
30.如权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括从光学数据流中滤掉除一预选波长的光之外的所有波长的光。
31.如权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括从光学数据流中滤掉一种或多种预选波长的光。
32.如权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括有选择地产生聚焦光束，并且有选择地阻挡和不阻挡光学数据流，以便在不产生聚焦光束时阻挡光学数据流，而在产生聚焦光束时不阻挡光学数据流。
33.如权利要求15所述的方法，其特征在于，进一步包括有选择地阻挡从相位图案形成光学元件发出的射束传递到分束器；以及在阻挡射束时，有选择地监控光学数据流。
34.一种用于产生至少两个光学阱的设备，包括相位图案形成光学元件，用于接收一个聚焦光束并将其衍射成至少两个射束，各射束具有一个相位分布；编码于相位图案形成光学元件的虚透镜，用于使从相位图案形成光学元件发出的各射束在相位图案形成光学元件和一个单一传输透镜之间的一个位置上会聚；单一传输透镜用于引导从相位图案形成光学元件发出的射束以使射束在一个聚焦透镜的后孔径处重叠；聚焦透镜用于使从传输透镜发出的各射束会聚以形成光学阱；以及一个在相位图案形成光学元件和聚焦透镜之间的单一传输透镜，它使射束在聚焦透镜的后孔径处重叠。
35.如权利要求34所述的设备，其特征在于，单一传输透镜是可动的。
36.如权利要求34所述的设备，其特征在于，相位图案形成光学元件具有一个静态表面。
37.如权利要求36所述的设备，其特征在于，该静态表面可重新定位以使静态表面的不同部分对齐，从而接收光束。
38.如权利要求37所述的设备，其特征在于，静态表面包括两个或更多个不连续的非均匀区域。
39.如权利要求37所述的设备，其特征在于，静态表面基本上连续地变化。
40.如权利要求36所述的设备，其特征在于，相位图案形成光学元件是从由光栅、衍射光栅、反射光栅、透射光栅、全息图、模板、光整形全息滤波器、多色全息图、透镜、反射镜、棱镜、波片和全息图构成的组中选出的至少一项。
41.如权利要求34所述的设备，其特征在于，相位图案形成光学元件是动态的。
42.如权利要求41所述的设备，其特征在于，有选择地改变编码虚透镜以改变从其发出的射束数目。
43.如权利要求41所述的设备，其特征在于，有选择地改变编码虚透镜以改变由其发出的至少一个射束的会聚位置。
44.如权利要求41所述的设备，其特征在于，有选择地改变相位图案形成光学元件以改变由此发出的至少一个射束的相位分布。
45.一种用于产生和监控至少两个光学阱的设备，包括相位图案形成光学元件，用于接收聚焦光束并将其衍射成至少两个射束，各射束具有一个相位分布；编码于相位图案形成光学元件的虚透镜，用于使从相位图案形成光学元件发出的各射束在相位图案形成光学元件和一个单一传输透镜之间的一个位置上会聚；单一传输透镜用于引导从相位图案形成光学元件发出的射束以便在一个分束器表面上重叠；该分束器接收从单一传输透镜发出的射束，以产生两个射束流，然后将第一射束流反射到一个聚焦透镜的后孔径，并且反射第二射束流以形成一个光学数据流；以及聚焦透镜用于使从分束器发出的各射束会聚以形成至少两个光学阱。
46.如权利要求45所述的设备，其特征在于，单一传输透镜是可动的。
47.如权利要求45所述的设备，其特征在于，相位图案形成光学元件具有一个静态表面。
48.如权利要求47所述的设备，其特征在于，该静态表面可重新定位以使静态表面的不同部分对齐，从而接收光束。
49.如权利要求48所述的设备，其特征在于，静态表面包括两个或多个不连续的非均匀区域。
50.如权利要求48所述的设备，其特征在于，静态表面基本上连续变化。
51.如权利要求47所述的设备，其特征在于，相位图案形成光学元件是从由光栅、衍射光栅、反射光栅、透射光栅、全息图、模板、光整形全息滤波器、多色全息图、透镜、反射镜、棱镜、波片和全息图构成的组中选出的至少一项。
52.如权利要求45所述的设备，其特征在于，相位图案形成光学元件是动态的。
53.如权利要求52所述的设备，其特征在于，动态相位图案形成光学元件可以有选择地变化，从而可以改变由其发出的射束数目。
54.如权利要求52所述的设备，其特征在于，动态相位图案形成光学元件可以有选择地变化，从而可以改变由其发出的各个单独射束的会聚位置。
55.如权利要求52所述的设备，其特征在于，动态相位图案形成光学元件可以有选择地变化，从而可以改变由其发出的各单独射束的相位分布。
56.如权利要求52所述的设备，其特征在于，相位图案形成光学元件是从由可变的计算机生成衍射图案、可变的相位移材料、可变的液晶相位移阵列、微反射镜阵列、活塞模式微反射镜阵列、空间光调制器、电光偏转器、声光调制器、可变形反射镜、和反射MEMS阵列构成的组中选出的至少一项。
57.如权利要求45所述的设备，其特征在于，分束器是从由固定全向反射镜、固定光子带隙反射镜、固定二向色反射镜、可动全向反射镜、可动光子带隙反射镜、和可动二向色反射镜构成的组中选出的至少一项。
58.如权利要求45所述的设备，其特征在于，进一步包括设置在传输透镜上游的可动反用射镜，于在射束在聚焦透镜的后孔径处重叠之前使从相位图案形成光学元件发出的射束整体地转向。
59.如权利要求58所述的设备，其特征在于，进一步包括在可动反射镜和聚焦透镜之间的望远镜系统。
60.一种用于产生并监控多个光学阱的设备，包括动态衍射光学元件，用于接收一个单一激光束并将其衍射成至少两个射束，各射束具有一个相位分布；编码于衍射光学元件的虚透镜，用于使从相位图案形成光学元件发出的射束在相位图案形成光学元件和一个单一传输透镜之间的一个位置会聚；单一传输透镜用于引导从相位图案形成光学元件发出的射束以便在一个分束器表面上重叠；该分束器用于接收从单一传输透镜发射出的射束，以产生两个射束流，然后将第一射束流反射到一个聚焦透镜的后孔径，并且反射第二射束流以形成一个光学数据流；以及聚焦透镜用于使从分束器发出的各射束会聚以形成至少两个光学阱。
61.一种用于产生多个用于操纵小微粒的光学阱的系统，包括多个小微粒；用于产生聚焦光束的光源；聚焦光束；用于接收聚焦光束并且将其衍射成至少两个射束的相位图案形成光学元件，各射束具有一个相位分布；编码于相位图案形成光学元件的虚透镜，用于使从相位图案形成光学元件发出的各射束在相位图案形成光学元件和一个单一传输透镜之间的一个位置会聚；单一传输透镜设置在相位图案形成光学元件和一个聚焦透镜之间，各射束通过所述聚焦透镜并且在聚焦透镜的后孔径被重叠；以及聚焦透镜用于使从传输透镜发出的各射束会聚而形成至少两个光学阱，各个光学阱能够操纵多个小微粒中的一个。
62.如权利要求61所述的系统，其特征在于，单一传输透镜是可动的。
63.如权利要求61所述的系统，其特征在于，光学阱根据单一传输透镜的移动而运动。
64.如权利要求64所述的系统，其特征在于，相位图案形成光学元件具有可变的光学表面。
65.如权利要求66所述的系统，其特征在于，相位图案形成光学元件具有一个静态表面。
66.如权利要求67所述的系统，其特征在于，静态表面是可动的，以便有选择地使聚焦光束与静态表面的选定区域对齐。
67.如权利要求67所述的系统，其特征在于，静态表面包括两个或多个不连续的非均匀区域。
68.如权利要求67所述的系统，其特征在于，静态表面基本上连续变化。
69.如权利要求67所述的系统，其特征在于，相位图案形成光学元件是从由光栅、衍射光栅、反射光栅、透射光栅、全息图、模板、光整形全息滤波器、多色全息图、透镜、反射镜、棱镜、波片和全息图构成的组中选出的至少一项。
70.如权利要求61所述的系统，其特征在于，相位图案形成光学元件是动态的。
71.如权利要求72所述的系统，其特征在于，相位图案形成光学元件是从由可变的计算机生成衍射图案、可变的相位移材料、可变的液晶相位移阵列、微反射镜阵列、活塞模式微反射镜阵列、空间光调制器、电光偏转器、声光调制器、可变形反射镜、和反射MEMS阵列构成的组中选出的至少一项。
72.如权利要求72所述的系统，其特征在于，进一步包括一个用于有选择地改变相位图案形成光学元件的计算机。
73.如权利要求61所述的系统，其特征在于，多个小微粒中的至少一些是生物材料。
74.如权利要求61所述的系统，其特征在于，光源为激光，并且聚焦光束是波长在绿光光谱内的激光束。
75.如权利要求61所述的系统，其特征在于，光源为激光，并且聚焦光束为具有从大约400nm到大约1060nm范围内选出的波长的激光束。
76.如权利要求61所述的系统，其特征在于，进一步包括一个可动反射镜，用于在射束在聚焦透镜的后孔径处重叠之前使从相位图案形成光学元件发出的射束整体地转向。
77.如权利要求61所述的系统，其特征在于，进一步包括一个位于单透镜下游且在聚焦透镜之前的望远镜系统。
78.一种利用光学阱操纵小微粒的系统，包括多个小微粒；用于产生聚焦光束的光源；聚焦光束；用于接收聚焦光束并且将其衍射成至少两个射束的相位图案形成光学元件，各射束具有一个相位分布；编码于相位图案形成光学元件的虚透镜，该虚透镜使从相位图案形成光学元件发出的各射束在相位图案形成光学元件和一个单一传输透镜之间的一个位置会聚；分束器，用于接收从相位图案形成光学元件发出的射束并产生两个射束流，以及用于反射第一射束流以便在一个聚焦透镜的后孔径重叠，并且反射第二射束流以形成一个光学数据流；单一传输透镜设置在相位图案形成光学元件和聚焦透镜之间，各射束通过聚焦透镜并且在聚焦透镜的后孔径被重叠；分别能够操纵多个小微粒之一的至少两个光学阱；以及用于光学数据流的监控器。
79.如权利要求80所述的系统，其特征在于，单一传输透镜是可动的。
80.如权利要求81所述的系统，其特征在于，光学阱根据单一传输透镜的移动而运动。
81.如权利要求83所述的系统，其特征在于，相位图案形成光学元件具有一个可变光学表面。
82.如权利要求85所述的系统，其特征在于，相位图案形成光学元件具有一个静态表面。
83.如权利要求86所述的系统，其特征在于，该静态表面是可动的，以便有选择地使聚焦光束与该静态表面的选定区域对齐。
84.如权利要求86所述的系统，其特征在于，静态表面包括两个或多个不连续的非均匀区域。
85.如权利要求86所述的系统，其特征在于，静态表面基本上连续变化。
86.如权利要求86所述的系统，其特征在于，相位分布光学元件是从由光栅、衍射光栅、反射光栅、透射光栅、全息图、模板、光整形全息滤波器、多色全息图、透镜、反射镜、棱镜、波片和全息图构成的组中选出的至少一项。
87.如权利要求85所述的系统，其特征在于，相位图案形成光学元件是动态的。
88.如权利要求91所述的系统，其特征在于，相位图案形成光学元件是从由可变的计算机生成衍射图案、可变的相位移材料、可变的液晶相位移阵列、微反射镜阵列、活塞模式微反射镜阵列、空间光调制器、电光偏转器、声光调制器、可变形反射镜、和反射MEMS阵列构成的组中选出的至少一项。
89.如权利要求91所述的系统，其特征在于，进一步包括用于有选择地控制动态相位图案形成光学元件的计算机。
90.如权利要求80所述的系统，其特征在于，多个小微粒中的至少一些是生物材料。
91.如权利要求80所述的系统，其特征在于，光源为激光，并且聚焦光束是波长在绿光光谱内的激光束。
92.如权利要求80所述的系统，其特征在于，光源为激光，并且聚焦光束是波长选择在大约400nm至大约1060nm范围内的激光束。
93.如权利要求80所述的系统，其特征在于，进一步包括一个可动反射镜，用于在射束在聚焦透镜的后孔径处重叠之前使从相位图案形成光学元件发出的射束整体地转向。
94.如权利要求80所述的系统，其特征在于，进一步包括一个位于单透镜下游且在聚焦透镜之前的望远镜系统。
95.如权利要求80所述的系统，其特征在于，所述监控器为人类监控者。
96.如权利要求80所述的系统，其特征在于，所述监控器是一个视频监控器。
97.如权利要求80所述的系统，其特征在于，进一步包括将光学数据流转换成数字数据流。
98.如权利要求80所述的系统，其特征在于，进一步包括用于产生光学数据流的光谱的分光仪。
99.如权利要求80所述的系统，其特征在于，进一步包括一个用于接收通过将光学数据流转换成数字数据流而获得的数字数据流的计算机。
100.如权利要求80所述的系统，其特征在于，进一步包括一个用于接收光学数据流并将其处理成数字数据流、以及用于根据光学数据流中的信息改变至少一个光学阱的位置的计算机。
101.如权利要求104所述的系统，其特征在于，进一步包括一个计算机，该计算机用于指挥一个可动反射镜，以便在射束在聚焦透镜的后孔径处重叠之前使从相位图案形成光学元件发出的射束整体地转向。
102.如权利要求102所述的系统，其特征在于，进一步包括用于光谱分析的计算机；以及和用于指挥可动反射镜、以便在射束在聚焦透镜的后孔径处重叠之前使从相位图案形成光学元件发出的射束整体地转向的计算机。
103.如权利要求80所述的系统，其特征在于，进一步包括一个设置在光学数据流路径中的偏振滤光器或带通滤光器。
104.如权利要求80所述的系统，其特征在于，进一步包括一个光闸，该光闸在打开聚焦光束时有选择地阻挡光学数据流、并且在关掉聚焦光束时不阻挡光学数据流。
105.如权利要求80所述的系统，其特征在于，进一步包括一个光闸，用于在光学数据流被监控时有选择地阻挡聚焦光束。
106.如权利要求80所述的系统，其特征在于，用于产生聚焦光束的光源为激光，并且聚焦光束为激光束。
107.如权利要求110所述的系统，其特征在于，进一步包括在光学数据流被监控时有选择地挡住激光束的第一光闸；以及在激光束被打开时有选择地挡住光学数据流、以及在激光束被关闭时不阻挡光学数据流的第二光闸。
108.一种用于监控和操纵小微粒的光学系统，包括单一聚焦能束的源；单一聚焦能束；动态衍射光学元件；通过将所述单一能束引导至所述光学元件而产生的多个会聚射束；会聚透镜；分束器，它设置在会聚射束路径中，用于产生两个射束流，并且反射第一射束流以在聚焦透镜的后孔径处重叠，并且反射第二射束流以形成一个光学数据流；设置在光学元件和分束器之间以将射束引导至分束器的可动单透镜；由通过聚焦透镜的射束会聚而形成的至少两个光学阱；以及用于光学数据流的监控器。
109.如权利要求112所述的系统，其特征在于，单一聚焦能束的源是从由固态激光器、二级管抽运激光器、气体激光器、染料激光器、亚历山大激光器、自由电子激光器、VCSEL激光器、二极管激光器、Ti-兰宝石激光器、掺钇铝石榴石激光器、掺YLF激光器、二级管抽运钇铝石榴石激光器、闪光灯抽运钇铝石榴石激光器、发光二极管、以及与校准元件形成一体的发光二极管构成的组中选出。
110.如权利要求112所述的系统，其特征在于，聚焦能束为电磁能。
111.如权利要求112所述的系统，其特征在于，光学阱根据单透镜的移动而运动。
112.如权利要求112所述的系统，其特征在于，光学阱的位置变化是由光学元件的至少一个变化而产生的。
113.如权利要求114所述的系统，其特征在于，各光学阱是从由光学镊子、光学涡流、光学瓶、光学旋转器和光笼构成的组中选出。
114.如权利要求61所述的系统，其特征在于，各光学阱是从由光学镊子、光学涡流、光学瓶、光学旋转器和光笼构成的组中选出。
115.如权利要求80所述的系统，其特征在于，各光学阱是从由光学镊子、光学涡流、光学瓶、光学旋转器和光笼构成的组中选出。
116.一种用于形成多个可动光学阱的方法，该方法包括产生会聚光束；将会聚光束引导至相位图案形成光学元件，以便形成多个从相位图案形成光学元件发出的射束，各射束具有一个相位分布；通过相位图案形成光学元件使从相位图案形成光学元件发出的射束在相位图案形成光学元件和一个单一传输透镜之间的一个位置上会聚；通过一个可动的反射镜引导从相位图案形成光学元件发出的射束通过单一传输透镜，以使射束在一个聚焦透镜的后孔径处重叠；以及使从聚焦透镜发出的射束会聚，以形成多个光学阱。
117.如权利要求120所述的方法，其特征在于，进一步包括移动该反射镜以改变至少一个光学阱的位置。
118.如权利要求120所述的方法，其特征在于，光学阱是从由光学镊子、光学涡流、光学瓶、光学旋转器和光笼构成的组中选出。
119.如权利要求120所述的方法，其特征在于，进一步包括通过光学阱操纵生物材料。
全文摘要
本发明主要涉及一种产生并控制用以操纵微粒的光学阱阵列。具体地，本发明涉及一种双重功能的光学元件，该元件能够将激光衍射成射束，并且会聚该射束(作为用于激光的虚透镜)，从而不必需要多个实透镜将衍射激光束传输给聚焦透镜。本发明还涉及通过限制由于未衍射激光造成的反射和分散噪扰量，以改进对光学阱的监控。
文档编号G02B21/32GK1509415SQ02809991
公开日2004年6月30日 申请日期2002年5月14日 优先权日2001年5月14日
发明者戴维·格里尔, 沃德·洛佩斯, 埃里克·迪弗雷纳, 迪弗雷纳, 戴维 格里尔, 洛佩斯 申请人:阿尔利克斯公司