专利名称：调制光学镊子的制作方法
技术领域：
本发明涉及调制光学镊子。具体地说，本发明涉及调制光学镊子在各种情况下的应用。
背景技术：
由于在10年之前引入了光学陷阱，它们在大分子和生物系统的实际研究中已成为不可缺少的工具。由高度聚焦的单个激光束形成的光学镊子利用光学梯度力以操作微米尺度的物体。光学镊子允许科学工作者探测用于描述胶体，聚合物和薄膜相互作用的微小力，并把少量胶体粒子组合成中型结构。每个常规的操作仅需要一个或两个光学镊子。把这种技术延伸到较大和较复杂的系统就需要较大和较复杂的光学陷阱阵列。
用于建立多个同时光学陷阱的相关技术包括广义的相位对比度方法，干涉计量光学镊子，和光学晶格。后两种方法涉及在样本的体积中多个光束的干涉，而可以把前一种方法考虑成全息光学捕获的变型。干涉计量技术可以比全息技术覆盖更大的领域，但是它在可以建立的强度图形类型中受到很大的限制。具体地说，干涉计量光学镊子和光学晶格局限于周期性结构。
利用强会聚透镜聚焦单个激光束形成一种普遍称之为光学镊子的光学陷阱类型。一般地说，可以利用以下的波函数描述这种光束， ψ(r)＝A(r)exp(i(r))(1) 其中A(r)是幅度分布，而(r)是在与光轴垂直的平面上位置r的相位。
常规的光学镊子是从典型激光器提供的TEM00激光束中建立的。这种光束的波前是平面型，并可以用均匀的相位分布(r)＝0描述。利用合适的聚焦元件，例如，显微镜物镜，可以把光束聚焦成衍射受限的焦点，使该光束变换成光学镊子。光学镊子在透镜焦平面上的位置是由光束进入透镜入瞳时的角度确定。此外，若光束在进入透镜入瞳时是发散的，则它被聚焦并在焦平面的下游形成光学镊子。或者，若光束是会聚光束，则它在焦平面的上游形成陷阱。
多个光束同时传输通过透镜入瞳产生多个光学镊子，每个光学镊子的位置是由入射角和在入瞳上的准直度确定。这些光束在传输通过入瞳时形成干涉图形，其幅度和相位波形描述下游的捕获图形。在入瞳上对单个入射光束施加相同的调制就产生相同的陷阱图形，但是不需要建立和引导多个独立的输入光束。这种波前变化可以由通常称之为全息图的衍射光学元件(DOE)完成。一般地说，利用称之为计算机产生全息术(CGH)过程的计算机，可以计算用于编码具体光学陷阱图形的全息图或DOE。利用CGH建立多个光学陷阱的任意配置构成一种新型的光学微操作工具，称之为全息光学镊子(HOT)，它在物理和生物科学以及在工业中有广泛的应用。
全息光学镊子的效力是由形成陷阱的DOE质量确定，而该效力又反映在计算中所有数值算法的性能。以前的研究应用这样的全息图，它是利用简单的线性叠加输入场或利用经典Gerchberg和自适应可加算法的变型计算的。尽管它们有一般的效力，这些算法产生这样的陷阱，其相对强度可以与它们的设计值有很大的差别，通常导致多余的“鬼”陷阱。这些问题对于复杂的三维捕获图形可以变得十分严重，尤其是在相同的全息图还用作模式转换器以投射多功能光学陷阱阵列的情况下。
用于全息光学捕获的全息图通常仅作用在入射光束的相位上，而不是作用在它的振幅上。这种纯相位全息图也称之为开诺全息图，与振幅调制全息图比较有很高的效率，必须把光偏离开光束。与完全复杂的全息图比较，它要求在入瞳上建立任意的叠加，而纯相位全息图也是十分容易实现的。的确，利用计算机寻址的空间光调制器(SLM)以建立动态全息光学镊子，可以投射开诺全息图的序列。
利用开诺全息图仍然可以实现一般的捕获图形，尽管丢失了可以被编码成振幅调制的信息，因为光学镊子依靠它们作用到强度的梯度上，而不是作用到局部的相位变化。然而，仍然需要在输入平面上找到一个相移图形，它可以在聚焦体积中编码所需的强度图形。
发明内容
本发明涉及一种光学镊子的变型，其中可以使陷阱的劲度随方向而变化。具体地说，改变的陷阱强度在它选取的方向上有更大的扩展，从而减小它在那些方向的劲度，或便于沿那些方向对准非对称物体。这种改变的陷阱可用于使物体沿选取的方向逃逸并定向和旋转非紧致的物体。使物体沿选取方向逃逸的能力在光学分离方面有各种应用，其中物体与光学陷阱不同的相互作用可用作分类的基础。定向和旋转非紧致物体的能力可用于组装微米尺度的物体(0bject)。
以前报告关于在光学陷阱中定向物体的方法包括从Gauss-Hermite模式中建立光学镊子，利用矩形孔径改变它们的振幅轮廓，旋转直线偏转光和椭圆偏转光的偏转角，利用平面波干涉Laguerre-Gaussian模式以建立对称的螺旋图形，调制标准圆形的光学涡流和投射多个紧密相邻的常规光学镊子。
本发明还涉及一种基于直接搜索和模拟退火方法计算的新型HOT CGH算法，它利用最近引入的度量以获得空前的形成陷阱准确性和光学效率。
最好是，本发明是通过全息光学捕获方法实现的，但也可以利用其他相关的技术实现，例如，广义相位对比方法，干涉计量光学镊子，和光学晶格。
本发明的一个实施方案是一种通过光学分离选取分离部分的设备，它包含至少两个通道，分别用于提供至少第一分层液体流和第二分层液体流。这两个液体流中的至少一个液体流包含带液体粒子。全息光学镊子系统至少投射两个光学陷阱阵列到该至少两个通道的结合点处的一个区上。两个光学陷阱阵列中的每个光学陷阱阵列可以有选择地偏转带液体粒子，从而按照带液体粒子的特征分离该带液体粒子。
本发明的另一个实施方案是一种通过光学分离选取分离部分的设备，包括用于提供N个分层输入流的N个通道。N个分层输入流中至少一个分层输入流包含带液体粒子。全息光学镊子系统投射一个光学阵列到通道的结合点的一个区上，从而可以把N个分层输入流中的带液体粒子分离成M个分层输出流，其中N不必等于M。
本发明还涉及一种利用两个分开的输入激光器建立全息光学陷阱的方法，其应用包括利用两个波长的光建立全息光学陷阱(HOT)。这些方法可以扩展到包括多于两个输入激光器。
此外，本发明涉及一种用于表征溶质的电荷状态(chargestate)，尺寸，尺寸多分散性和其他性质的几个特征的方法，其中该溶质被流动的溶剂驱动通过相对于流动方向倾斜的光学陷阱阵列。
根据以下结合附图的详细描述，本发明的这些和其他目的，优点和特征以及组织和操作方法是显而易见的，其中相同的元件在以下描述的几个附图中有相同的参考数字。
图1表示被调制的光学镊子，其中左图表示常规光学镊子的未调制强度分布，它是由与焦点的距离z＝5λ的平顶形状光束建立的，λ是光的波长，和其中右图表示通过按照公式
正弦调制的光束的相同横截面，m＝5，αm＝1，θm＝0；
图2表示三维多功能的全息光学陷阱阵列，它是利用直接搜索算法计算的单个纯相位DOE建立的，其中上部的DOE相位图形包含对应于2π弧度相移的白色区和对应于0的黑色区，和其中下部投射的光学陷阱阵列是在与100x，NA 1.4物镜的焦平面距离为z＝-10μm，0 μm，和+10μm上，这些陷阱在焦平面上相隔1.2μm，和在中间平面上的12个陷阱包含l＝8个光学涡流；
图3是用于计算图2中全息图的算法的性能度量曲线，它作为可接受的单像素变化数目的函数；
图4表示有多个分层输入流的H结，这些输入流一起进入单个相互作用区，并然后分开成多个输出流；
图5表示本发明的一个实施例，其中单个输入样本被分散成几个离散部分；
图6表示本发明的一个实施例，其中两个或多个输入流的混合分量建立单个完全混合的输出流；
图7说明两个或多个输入流被混合成单个完全混合的输出流；
图8是按照本发明一个实施例用于建立二色全息光学陷阱的第一种方法；
图9是按照本发明一个实施例用于建立二色全息光学陷阱的第二种方法；
图10是按照本发明一个实施例用于建立二色全息光学陷阱的第三种方法；
图11是按照本发明一个实施例用于建立二色全息光学陷阱的第四种方法；
图12是一个实际光电动电势测定法方案的示意图；和
图13是分散在水中直径为1.5μm的石英球相对于流速v的横向速度v⊥作为10×10全息光学镊子阵列的取向角θ的函数，其中得到两个相对于不同流速值u的数据组。
具体实施例方式
光学陷阱是指由光束施加的一种类型力，用于捕获和移动微小的物体。一般地说，这些力可以分成两大类(1)辐射压力，它有沿光束的轴向下推动物体的趋势，和(2)光学梯度力。光学梯度力的出现是因为物体在被光照射时产生电磁偶极矩。光的强度梯度施加力到这些偶极矩上，偶极矩的符号取决于该物体和周围介质的相对介电常数。相对于其周围介质有较高介电常数的粒子(高介电粒子)通常受到梯度的拉力朝向明亮区，而低介电粒子被推向较暗的区域。
光学梯度力可以提供单光束光学陷阱所需的基础力，光学陷阱称之为光学镊子。光学镊子包括被高数值孔径透镜的衍射受限聚焦的单个光束，例如，显微镜物镜。高介电物体被拉向光是最强的焦点。与此同时，它们受到辐射压力的排斥，辐射压力有驱使它们到下游的趋势。若梯度力是主要的，则粒子可以稳定地被捕获在焦点附近。
换句话说，聚焦光束给高介电粒子提供三维势能阱，而给光排斥的粒子提供势能垒。被辐射压力排斥的后一类粒子包括低介电粒子以及强烈吸收或反射会聚光的粒子。若光的波长接近粒子的谐振波长，则可以增强和改变所有这些效应。
会聚到单个焦点的单个光束可以建立单个光学镊子，从而建立单个定域势阱。全息光学镊子技术从单个光束和单个聚焦元件中建立多个同时独立的光学镊子。因此，全息光学镊子可以建立任何所需的三维势能阱或势能垒排列。
建立多个全息光学陷阱应用相同的基本光学原理可用于建立单个光学镊子。具体地说，与聚焦元件的光轴同轴的一个准直光束，例如，无限远校正的物镜，被聚焦在聚焦元件的焦平面上的中间，并相应地形成一个陷阱。以某个角度进入聚焦元件的入瞳的准直光束被聚焦到焦平面上，但是，它在与光轴隔开一段距离的一个点上，该距离取决于入射角，并在与倾斜方向有关的方向上。所以，改变入射角可以改变形成的陷阱在聚焦元件的焦平面上的位置，并允许陷阱沿二维方向平移。改变光束的准直度可以沿光轴在第三维方向上移动陷阱。略微发散的光束传输通过入瞳后到达焦平面的焦点下游，而略微会聚的光束到达焦点上游。焦点的轴向位移取决于准直度。在光束传输通过聚焦元件的入瞳时，控制光束的入射角和准直度可以控制形成的光学镊子在三维方向上的位置，其中单个输入光束形成单个陷阱。
几个光束以不同角度和不同准直度都传输通过聚焦元件的入瞳可以在聚焦元件的聚焦体积中的不同位置形成多个光学陷阱。若所有的光束有相同的波长，则它们可能是来自相同的光源。所以，建立多个同时的陷阱要求一种用于产生多个光束的方法，其中所有的光束是沿具体的方向传播，每个光束有其自身具体的准直度，且所有的光束都传输通过聚焦元件的入瞳。全息光学捕获技术可以用各种方法解决这个问题，如在US Patent No.6,055,106；6,416,190；6,624,940；6,626,546；和6,639,208中所描述的，所有这些专利合并在此供参考。
传输通过入瞳平面的多个相干光束可以形成干涉图形，干涉图形是由空间变化的光振幅和相位构成。具有相同变化特征的单个光束是与多个光束一样按照相同的方式传播，这是全息学的原理。有具体调制特征的一种装置把单个光束变换成所需的扇出(fan-out)光束，我们可以说这种装置用于投射相关的全息图。更具体地说，一种通常称之为衍射分束器，全息分束器，或开诺全息图的装置构成衍射光学元件(DOE)的一个例子，它可用于建立全息光学陷阱。
把合适的全息图放置在聚焦元件的入瞳上，或放置在与入瞳共轭的平面上，可以把单个输入光束变换成多个光束，所有这些光束传输通过聚焦元件的入瞳。每个光束可以有特定的入射角和特定的准直度。因此，每个光束在聚焦体积中形成一个独立的陷阱。
形成的陷阱图形是由全息图规定。而可以利用各种方法实现该全息图。最好是，可以利用计算机设计全息图以建立具体的陷阱图形。
这种设计过程必须考虑到多个因素，例如，输入光束的振幅分布。调制光束的振幅一般涉及通过吸收或反射转移出光束的能量。在前者的情况下，被吸收的光往往使吸收器加热，从而限制可用于建立陷阱的功率量。在任何一种情况下，被转移的光可以降低单个光束可用于建立多个陷阱的效率，每个陷阱需要某个强度进行工作。在许多情况下，仅仅通过调制输入光束的相位分布，而不是调制它的振幅分布，可以建立所需的光学陷阱图形。这种灵活性是容易实现的，因为光学捕获能力依靠捕获光的强度，即，光的振幅，而不是依靠光的相位。所以，在会聚透镜的输入平面上无限多个不同图形的相位调制对于给定的振幅分布可以在输出平面上产生相同的强度分布。因此，可以选取这样的相位调制以建立所需的陷阱图形，而不需要从光束中转移能量。通过透明介质厚度的变化，例如，玻璃，通过反射镜的表面浮雕，或通过控制介质的折射率，例如，光传输通过的液晶层，可以实现最终的纯相位DOE。
可以利用一种装置或介质实现计算机设计的纯相位DOE，其中审慎地改变介质的相关光学性质，因此，可以相应地更新它编码的全息图。这种形成陷阱DOE的动态实施方式可用于实时更新光束图形，因此，可以改变形成的陷阱图形。这可以把常规的全息光学陷阱变换成动态的全息光学陷阱。
全息光学镊子可以投射任何所需的势阱或势垒形式进入透明介质。这种能力可以与低Reynolds数流动的液体性质进行组合以建立一种用于分类带液体物体的方法。这种借助于光的分类称之为光学分离。基本的光学分离技术是基于全息光学捕获技术，它公开在出版的US Patent Application 2003/0047676中，合并在此供参考。
以低Reynolds数流动的液体经受平滑的分层流动而不发生混合。实现这种流动可以借助于减小液体传输通过的通道尺寸，减小流速，或这些方法的某种组合。微流体学的领域是基于这个原理。考虑两个分层液体流一起进入到两个通道之间的结合点。若形成的液体流仍然保持足够低的Reynolds数，则这两个液体流不可能混合，而是并排地分开地流动，即使它们是由相同的液体构成。最终，两个易混合的液体流通过互相扩散而发生混合，但是，这可能需要相当大的时间间隔。在这种混合发生之前，两个液体流可以再次被分成分开的通道。一组通道使两个液体流结合在一起，允许它们在一起流动一段时间，然后再次分开，这组通道称之为H结。
H结可用于分类带液体物体。沿着一个液体流传输的物体通常是继续沿着该液体流，并仍然在液体流上的H结另一侧输出。然而，若物体扩散或使它跨过两个液体流之间的界面，则它就在H结输出端的另一个液体流中被收集。考虑进入H结的两个液体流，一个液体流包含异质样本，而另一个液体流包含空的缓冲液。跨过H结界面的任何物体被缓冲液带走并被收集。若混合物中的一些物体比其他物体更容易扩散，则更容易扩散的物体优先地跨过该界面，并以比其他物体更高的效率被收集。类似地，在从H结输出之后，初始的液体流在较少扩散部分中是相对地富裕。
这种方法至少有三个缺点。大分子样本的扩散相对地慢，因此，有效的分开要求H结有很大的界面区。此外，最容易扩散的部分在整个缓冲液和样本流中与扩展相差不多。这可以限制单路通过H结的最终分开效率。最后，物体的扩散系数往往仅与它们的大小成线性关系，因此，在H结中的分离不太可能提供分开相差很小的各个部分所必需的分辨率。除了其他的优点以外，光学分离可以克服这些缺点。
当带液体物体遇到光学陷阱阵列时，该陷阱的作用可以是势能阱。当最大捕获力是与最大驱动力相当时，物体与这些陷阱强烈地相互作用，但是它不会被定域在陷阱内而终止。在这些情况下，流动粒子的轨迹在遇到一个陷阱时可能有足够的偏离，它进入到该阵列中相邻陷阱的影响区域。若该阵列中的陷阱是均匀分布的，以及若该阵列没有与驱动力对准，则粒子的轨迹可以系统地偏离驱动力的方向。然后，该粒子选取一个与对称方向相当的方向通过该阵列，但是它不与驱动力对准。我们就说这个轨迹被锁定在该阵列中。
不同物体与相同光学陷阱图形的相互作用是不同的，因此，给定物体在陷阱阵列中经受的势能变化取决于它的性质。所以，有不同性质的不同物体被相同的力驱动通过相同的光学陷阱阵列不必跟随相同的轨迹。具体地说，一种类型物体在相同的条件下可能被锁定在阵列中，而另一种类型物体可能逃逸。所以，锁定类型的物体被该阵列系统地偏转，而其他类型的物体不发生偏转。
在这样的情况下，其中陷阱阵列被放置在微流体H结的样本流中，这些被锁定在阵列中的物体是在两个液体流之间的界面上发生偏转，并可以被收集在缓冲液中。从阵列中逃逸的物体被样本流保留。
至少，调制的势能变化提供这样一种机构，可以调准在H结的界面上带液体物体的转移，从而提供一种其他方法不能实现的优化度。此外，锁定状态与自由状态之间的区别可以取决于物体尺寸的指数灵敏度，因此，这种区别定性地超过单独扩散提供的灵敏度。而且，由于光学分离可以在很小陷阱阵列的范围内实现，就不需要长的H结。
哪个部分被光学镊子阵列偏转是由两个陷阱之间的间隔，镊子阵列的对称性，陷阱的强度，倾斜角，和所用的光波长确定。可以动态地改变所有这些特征以优化特定部分的选取。所以，这些优点也是单独扩散分离所没有的。此外，光学捕获技术可用于小至5纳米和大至几百微米的物体。因此，光学分离可用在这整个尺寸范围。此外，相同的物理设备可用在这整个尺寸范围。这是远远优于所有其他已知的分类技术。最后，陷阱阵列可以设计成这样，每个满足锁定准则的物体是在界面上被偏转。所以，利用相对于液体流倾斜的单行陷阱，可以实现几乎完美的分类，从而扩展样本流并略微延伸到缓冲流中。
虽然以下的讨论主要是借助于尺寸的分类，但是相同的原理也适合于基于其他性质的分类。特定阵列选取的部分可以包含某个尺寸和以上的所有物体。在许多应用中，可能仅需要特定尺寸的范围。或者，与此相反，可能需要从样本中去除特定的尺寸范围，例如，用于建立双模分布。这可以借助于传输通过单级光学分离系统的两个通道实现，一个通道去除太大的部分，而另一个通道拾取所需的部分。然而，利用单个正确设计的陷阱阵列投射到图4所示的单个H结上，可以组合这两个步骤。这种方法称之为多级或多功能光学分离。以下描述这个方法的几种变型，它们可以作为同时选取多个部分的基本方法。
图4表示该基本方法的第一种变型，其中P1，P2和P3类型的粒子被样本流105传输进入H结100。当样本流传输通过光学陷阱的第一个歧管110A时，所有特定尺寸和较大的所有粒子，例如，P1和P2粒子，被带入到缓冲流120。若缓冲流120现在遇到第二个陷阱阵列110B，它设计成偏转某些第一部分P1回到样本流中，则缓冲流中的剩余部分仅包含特定尺寸范围的粒子P2。利用建立初始阵列的相同DOE，可以投射第二个陷阱阵列，因此，它可以利用相同的激光器。更一般地说，利用第二个DOE可以建立第二个阵列，它也与聚焦元件的入瞳共轭，其中单个DOE专门设计成从两个不同波长的光中建立两个不同的捕获图形。
它的净效应是，两个不同的光学陷阱阵列110A和110B被投射到相同的H结100上，因此，第一个阵列带走在界面上的所需部分和另一个多余部分，而第二个阵列带走多余部分回到初始的样本流中。其结果是，从H结输出的缓冲流120仅包含被选取的部分P2，而样本流包含所有的P1和P2粒子。
H结400可以被推广到包含数目N个分层输入流410，它们一起进入单个相互作用区420，然后被分成M个输出流430，如图5所示。一般地说，N不必与M相等。单个光学陷阱图形扩展到多流相互作用区420并具有多个阵列的形式，它可以把任何输入流中分布的初始样本转移成任何的输出流。在这种情况下，可以把光学强度图形想象成一个调车场，穿梭流入的物体成所需的输出流。因为陷阱图形的变化可以通过更新形成陷阱的DOE，从而可以动态地改变和优化进入到输出流中的那些部分。
本发明的一个例子是层析法的变型500，其中单个输入流510被分散成几个离散部分520，如图6所示，每个部分可以被单独地收集。最简单的方法是利用单个镊子阵列530，在它跨越两个输出流之间的界面时，其几何形状的分布可以离散或连续地发生变化。
另一个例子是混合两个或多个输入流的分量以建立单个完全混合的输出流。图7表示这个例子。来自输入流610的P1，P2和P3类型粒子在相互作用区620中被混合，其中投射光学陷阱阵列，它可以形成单个输出流630。这种混合在微流系统中是困难的，其强度可以防止发生混合。沿相反方向操作光学分离提供一种在微流系统中用于动态和有选择地混合样本的系统。
其他的例子来自所描述交换的组合性质，并可以包括药物测试的实施例，其中微生物被转移通过候选药物流并基于它们的响应被单独地选取。这种方法的优点是，早期测试可以在非常小的样本上进行，这借助于精确测量它们对各种微生物的影响。
其他可能的例子包括选取液体流中进行反应的沉淀产品，例如，保留某个尺寸或有特定光学性质的产品。然后，把这些产品转移到附加的流动中以促使多步骤反应，制作芯-壳纳米粒子。因为这个过程可以连续地进行，可以提供大量制作这种产品的基础。它与湿化学方法比较的优点是能够优化产品而不涉及化学动力学。
本发明还涉及对Ψ(r)的一种特殊类型改动，从而得到多个有用的性质。具体地说，这涉及一类调制的相位分布， (r)＝αmsin(mθ-θm)(2) 其中θ是围绕光轴的方位角，m是对应于m重正弦调制的指数，和αm是相关的调制深度。相位角θm可以相对于参考方向旋转整个图形。利用傅里叶定理可以构造更一般的相位分布
公式(2)和(3)引入可控的m重象差到入射光束中。该象差能使沿选取方向的焦点变得模糊，从而沿这些方向延伸强度分布，并沿这些方向减小强度梯度。在图1中展示这种效应。强度分布的延伸可用于定向被延伸的物体。减小强度梯度可以有选择地弱化沿这些方向的光学梯度捕获力。
在定向被延伸的物体时，选取公式(3)中的相位结构以适应被定向物体的轮廓。一旦被投射，这个图形可以根据需要定向被延伸的物体。
在光学分离的应用中，可以沿所需的方向有选择地弱化各个光学陷阱。这些方向可以对准陷阱阵列的晶格方向，通过该阵列的驱动力物体的方向，或一些其他的方向。可以选取调制的分布和深度以优化被选取物体传输通过该阵列，特别是在这种泄漏可以提高过程选择性的情况下。
公式(2)和(3)描述的分布可以与其他模式形成和陷阱产生的相位函数进行组合，用于建立其他类型的调制光学陷阱和有选择地把它们放置在三维空间。本发明区分调制强度分布的概念与产生螺旋光模式的概念，从而使这些应用与螺旋模式的性质无关。
实现全息光学陷阱的这些和其他的应用需要有用于计算所需相位图形的准确和有效方法。按照标量衍射理论，在焦距为f的透镜焦平面上的(复)场
是与其输入平面上Fraunhofer变换的场
有关，
其中
和
分别是该场在入瞳的位置F上的实值振幅和相位，而k＝2π/λ是波长为λ的光的波数。
若
是用于给光学陷阱阵列提供功率的准直激光的振幅分布，则
是编码该图形的开诺全息图。包括利用SLM投射的大多数实际DOE包含离散相位像素的阵列
每个像素可以施加P个可能的离散相移φj∈{0，…φP-1}中的任何一个。由于这种N像素DOE，所以，在焦平面上的场是，
其中描述光从输入平面传播到输出平面的转移矩阵是 与更普遍的全息图不同，在全息光学捕获系统的输出平面上的理想光场是由位于
的M个离散的明亮斑点构成 其中αm是用归一化的第m个陷阱的相对振幅，而ξm是它的(任意)相位。此处，
代表在聚焦光束在焦平面上的振幅度布，它可以当作二维狄拉克δ函数进行处理。设计的困难是求解公式(5)，(6)和(7)中的一组相移ξm，从而在给出uj和
的准确位置
上得到理想的振幅αm。
Gerchberg-Saxon算法和它的广义算法，例如，自适应可加算法，迭代地求解公式(5)和(6)描述的正向变换以及它的反向变换，在每一步中注意到在输出平面上计算的振幅收敛成设计的振幅，并在输入平面上利用激光的实际振幅分布代替背投射的振幅uj。在每个循环中适当更新计算的输入和输出振幅可以使DOE的相位j收敛到接近理想的开诺全息图，其中对于一些变化可能有单调的收敛。输入平面和输出平面之间互相映射的正向和反向变换通常是由快速傅里叶变换(FFT)完成的。因此，输出位置
也被明确地量化成Nyquist空间频率的单位。不但是在预期的陷阱位置上，而且还在陷阱之间的空间上计算输出场。这是有用的，因为迭代算法不仅使被衍射到所需位置的输入光部分最大化，而且还使各处的杂散光强度最小化。
FFT基的迭代算法在计算三维光学镊子阵列或更普遍类型陷阱的混合方面有缺点。为了看到这一点，我们注意如何可以把分束DOE扩展成包含波前整形的能力。
对输入孔径上的发散或会聚光束进行聚焦并分别在焦平面的下游或上游形成陷阱。它在输入平面上的波前可以用以下的抛物型相位分布描述，
其中z是焦点光斑在沿光轴方向相对于透镜焦平面的位移。这个相位分布可用于移动相对于焦平面的光学陷阱，即使输入光束是通过合适增大转移矩阵进行准直 其中位移核是
并利用该结果作为公式(5)的核。
类似地，普通的TEM光束可以通过施加以下的相位分布被转换成螺旋模式
其中θ是围绕光轴的方位角，和l是称之为拓扑电荷的整数绕组数。这种螺旋形光束聚焦成称之为光学涡流的环状光学陷阱，光学涡流可以产生转矩和力。按照与位移诱发的
的相同方式，利用转移矩阵构成拓扑变换核
可以按照相同的方式包含附加的核以实现按照公式(2)的调制镊子。
我们已经描述了各种可比较的相位基模式变换，每种变换可应用于单光束光学捕获技术。利用合适的变换核增大转移矩阵，可以实现以上的所有变换。此外，不同的变换运算可以独立地应用于全息捕获图形中的每个光束，从而得到不同类型光学陷阱的一般三维配置。
计算用于编码多功能三维光学捕获图形的相位分布j仅需要略微精心设计这样的算法，它可用于求解二维普通光学镊子阵列的公式(5)。初步的要求是测量被j投射成在其焦点上第m个陷阱的实际强度。若相关衍射产生的光束有非无效的波前，则它不需要在其焦点上产生明亮的光斑。另一方面，若我们假设，通过变换核
描述的相位调制，j可以建立第m个陷阱的所需类型光束，则应用公式(5)中的逆算符
可以恢复它聚焦的光斑。
这个原理被首先应用于建立三维陷阱阵列，其中单独的平移核可用于投射每个所需的光学镊子回到焦平面上作为每个迭代求精循环的中间步骤。按照这种方式计算被投射到每个陷阱平面上的光涉及整个平面的单独傅里叶变换。除了它的计算复杂性以外，这种方法还要求考虑传播通过每个焦平面的离焦光束，否则会由于没有考虑到这个光而产生的不准确性。
一种特别有效的方法涉及计算仅在每个预期陷阱位置上的场，如以下公式所示
并把得到的振幅αm＝|Em|与设计值进行比较。与FFT基的方法不同，这种每个陷阱算法不能直接优化在陷阱之间区域的场。相反地，不需要考虑平面之间的传播。若αm的数值与设计值匹配，则没有留下可以产生鬼陷阱的光。
通过调整DOE的相位，迭代地改进输入和输出振幅涉及利用正向变换核
从每个更新的Em中完成反向变换，其中M个陷阱中每个陷阱有一次投射。与此对比，FFT基的方法涉及在每个平面内每个波前类型的一次FFT，而且，若多个波前类型被组合在给定的平面上，则可能不发生会聚。在公式(8)和(13)中唯一可调整的参数是被投射陷阱的相对相位ξm。必须调整这些M-1个实值参数以优化离散值相移j的选取，其约束条件是振幅分布uj匹配输入激光的振幅分布。这个问题对于少量陷阱和高度复杂的非均匀捕获图形可能是欠确定的。这种情况的结果可能是光学低效的全息图，其投射的振幅不同于它们的理想值。
公式(13)建议另一种用于计算离散HOT图形的DOE函数的方法。算符
描述在第m个陷阱模式中的光如何可以从DOE上的位置
传播到在透镜焦平面上陷阱的投射位置
若我们希望改变DOE在该点的相位j，则构成场在
的光线叠加就会受到影响。每个陷阱是通过它自身传播公式的这种变化而受到影响。若这种变化导致整体的改进，则我们倾向于保持这种变化，并寻找其他的这种改进。相反，若该结果不太好，则j恢复到它以前的数值，并搜索可以继续的其他改进。这是直接搜索算法的基础，其中包括广义的模拟退火和遗传算法。这些相关算法的区别是它们接受和拒绝候选变化的方法以及它们用于建立这些候选变化的方法。此处，我们描述在HOTCGH计算中如何具体地应用这些算法。
它的最基本形式是，直接搜索过程涉及从试验相位图形中随机地选取一个像素，改变它的数值到P-1个其他数值中的任何一个，并计算它对投射场的影响。通过计算仅由单个变化的相位像素而不是对所有的像素求和所造成在M个陷阱位置上的变化，可以完成这种运算。然后，把这个更新的试验振幅与它们的设计值进行比较，若可以减小整体的振幅误差，则接受所建议的变化。重复这个过程，直至所建议的变化的接受率变得足够地小。
成功和有效的直接搜索j的关键是选取一个可以有效量化投射误差的函数。标准的成本函数根据它的设计值评价第m个陷阱的投射强度I，，，的平均平方偏差，其中假设整体的衍射效率为ε。它要求准确地估算ε以及不强调被投射陷阱的强度均匀性。另一个由Meister和Winfield建议的方案是 C＝-<I>+fσ，(14) 它可以避免这两个缺点。此处，是在陷阱上的平均强度，和 测量一致收敛性与设计强度的偏差。选取 它使总的误差最小化并计算非理想的衍射效率。加权部分f设定与整体衍射效率和一致收敛性有关的相对重要性。
在用于最佳相位分布的最简单直接搜索中，接受可以减小C的任何候选变化，并拒绝所有其他的变化。选取随机变化的像素可以减小搜索被次最佳配置捕获的机会，这些次最佳配置是高度相关的。实际收敛性所需的典型试验数目应当以NP作为尺度，NP是相位像素数目与可能相位值数目的乘积。实际上，若N和P是相对地小，则这种粗略的估算值是准确的。然而，在较大数值的情况下，即使对于相当复杂的捕获图形，往往可以在N次试验内很快地实现收敛。
图2表示直接搜索算法用于计算由51个陷阱构成的HOTDOE的典型应用，其中包括拓扑电荷l＝8的12个光学涡流，它们被排列在相对于焦平面的三个平面上。从初始随机叠加的场中精选480×480像素相位图形，其中仅仅忽略振幅的变化。利用通过该阵列的单个通道，可以得到图2中的结果。在底部三个图像中展示的形成陷阱是均匀的。获得这个效应是通过设定光学涡流的亮度是常规光学镊子亮度的15倍。所以，这单个全息图可以说明独立地控制所有陷阱的三维位置，波前拓扑，和亮度。
为了更定量地展示这些现象，利用专业人员熟知的方法增大标准的品质因数。具体地说，DOE的理论衍射效率通常是由以下公式表示 而它的方均根(RMS)误差是 形成图形与均匀性的偏差是用以下的公式判定 在图3中画出这些性能是作为可接受的单像素变化数目的函数。在单个通路通过整个DOE阵列之后变化的整体可接受速率优于16％。
图3说明直接搜索算法为了大大提高均匀性而牺牲小部分的整体衍射效率。二维相位全息图包含用于编码任何二维强度分布的足够精确信息。然而，三维或多模式图形可能需要在透镜的焦平面上规定的振幅和相位。在这种情况下，二维相位全息图至少可以提供所需陷阱分布的最佳近似。
直接搜索的最直接精心设计是一种模拟退火算法。与直接搜索一样，模拟退火算法反复地尝试随机选取像素的随机变化。也与直接搜索一样，若候选变化可以减小成本函数，则接受该候选变化。模拟退火技术可以避免离开捕获的全体最佳方案，它也是通过接受一些可以增大成本函数的变化，其概率P是随成本的增大ΔC而按照指数方式减小 在这种情况下，C0是特征成本，它在Monte Carlo模拟所用的标准Metropolis算法中起温度的作用。增大C0导致增加重大变化的接受率。它的优点是可以从任何局部极小值中去除相位图形，所以，可以找到总体的最佳方案。然而，这增加的接受率也增加收敛到该方案所需的时间，因此，增加该计算的计算成本。
通过选取合适的C0值，可以优化详尽搜索与高效搜索之间的折衷。遗憾的是，每个应用中的最佳选择是不同的。从可以促进探索的大C0值开始和随后减小它到加速收敛的较低C0值可以提供一个方便的折衷。
试图同时改变多个像素，而不是一次改变一个像素，可以实现有效的搜索。为了优化不同类型的形成陷阱相位全息图，多像素变化的不同图形可能是特别有效的，而用于识别和改进这种图形的方法通常称之为遗传算法。
所有这些更高级的方法在HOT应用的设计高效，高精确度DOE方面可以有各种应用。在许多实际的情况下，最简单的方法也是最快的方法，并且大大优于以前所报告的算法。
图8表示二色全息光学陷阱(2C-HOT)的第一个实施方案。在图8中，物镜200用于把来自激光器210和激光器240的光聚焦成光学陷阱，其目的是被投射成一个样本。首先，在从激光器210中射出激光束215的路经上，在被透镜225和230投射到物镜200的输入平面上之前，这个光束的波前是通过衍射光学元件(DOE)220进行调制。透镜225和230应当理解为任何的中继光学系统，它完成调制光束215到聚焦元件200的转移。在它到达聚焦元件200的路径上，光束215被光学元件235反射而发生偏转，光学元件235是二色反射镜，部分镀银反射镜，偏振选择性分束器，或其他的元件。在这个应用中，这个元件或任何其他相当的元件是二色反射镜。光学元件235被设计成反射激光束215和传输其他的光，它可以作为其波长，其偏振方向或一些其他性质的函数。
光学元件235能够反射形成HOT的激光束215，而传输其他的光可以给系统提供形成被操作样本的图像的能力，成像光能够传输通过元件235到达普通的成像系统。它还提供一种实施2C-HOT的方法。
在图8所示的方案中，第二激光器240投射由DOE 250操作的第二个激光束245。这个改变的光束245被透镜255和260中继到物镜200，从而形成全息光学陷阱。这第二个光光束245被二色反射镜265反射后进入物镜200的输入孔径。这个光学元件被设计成反射来自激光器240的激光束245，并可以任选地传输其他的光。与此对比，二色反射镜235被设计成传输这个光，因此，它可以到达物镜200并被聚焦成陷阱。
应当强调的是，光束215和245不必是由单独的激光器产生，而是可以由单个激光束建立，该光束是被其他的元件分割和操作，此处未画出该元件。此外，DOE的作用是传输光。它们可以相当地被反射型DOE代替，其中需要改动光学系统。按照建立全息光学陷阱所需的任何方法，DOE可以调制入射光束的相位，振幅，和偏振方向，并可以包含计算机寻址的空间光调制器。
图9是图8中设计的另一个方案。在图9中，激光器310提供第一光束315，在被第一透镜325和第二透镜330中继到聚焦元件300以形成光学陷阱之前，该光束是受第一DOE 320的操作。第一个二色反射镜320被设计成反射这个捕获光进入聚焦元件，并任选地传输其他的光。第一光束315传输通过分束器360，例如，分束器360也可以是二色反射镜，偏振选择性分束器，或部分镀银反射镜。
分束器360被设计成反射由第二个激光器340产生的第二光束345。第二光束345受到第二个DOE 350的操作而形成第二组全息光学陷阱。利用第一透镜325和第三透镜355的组合，分束器360，和第二个二色反射镜350，调制的光被中继以会聚该聚焦元件300。
第一光束315和第二光束345沿着分束器360的相同光轴下游传输。
图10表示本发明的另一个方案。在这种情况下，在被第一透镜425和第二透镜430中继和被二色反射镜425反射之后，来自第一激光器410的第一光束415和来自第二激光器440的第二光束445被聚焦元件400聚焦成陷阱。如图所示，这两个光束分别是受第一个DOE 420和第二个DOE 450的作用。一旦被第一个DOE 420调制，第一光束415传输通过分束器460，而第二光束445在被第二个DOE450操作之后是由分束器460反射。如图9中的系统所示，二色反射镜425被设计成反射第一光束415和第二光束445，并可以传输其他的光。
图11表示按照本发明另一个实施例的光学系统。在这个实施例中，第一激光束515和第二激光束545分别是由第一激光器510和第二激光器540产生的，并被分束器540引导到相同的光轴以及受到相同DOE 520的操作。在被二色反射镜525反射之后，这两个调制的光束被第一透镜525和第二透镜530中继到聚焦元件500。在第一光束515和第二光束545有不同波长的情况下，这个二色DOE可以给每个光束施加不同的相位调制，从而得到两个被投射的不同图形陷阱。必须具体地计算这个DOE以适应两个不同的光束，所以，在与以上方法中描述的单波长DOE进行比较时，这种DOE有附加的设计考虑。
在一些应用中，利用视觉检查调整分离可能是不需要的或不切实际的。在这种情况下，另一个基于电(而不是光)测量的特征方法可能是优选的。图12表示一个光电动电势测定的实施方案示意图。样本1610是由带电物体构成，例如，胶体粒子，大离子，或生物细胞，它们被分散在诸如水的溶剂中。样本1610沿着通道1640以速度v流动，并通过两个电极1620之间的间隙。若两个电极排列成横跨流动的方向，则在这个间隙的两端就不能形成电势，在连接到电极两端的电位计1650上就没有电压。这是这种测量的零条件。
测量是通过投射光学陷阱阵列1630进入电极的间隙完成的。例如，利用全息光学镊子技术，广义的相位对比方法，或利用干涉计量产生的光学晶格，可以建立这些光学陷阱1630。由于它们与光强分布的相互作用，带液体物体经受结构势能的变化。取决于它们的光学性质，带液体物体可以被明亮区吸收或排斥。以下的考虑适合于任何一种情况。
若粘滞曳力由于其流动的液体而超过陷阱的最大捕获力，则粒子能够穿越光学陷阱阵列。然而，它们的轨迹因为遭遇到这些势阱而受到影响。若陷阱阵列1630是与驱动力的方向对准，则粒子只是沿着直线从一个势阱跳到另一个势阱，它们的轨迹有些变慢。另一方面，若陷阱阵列相对于流动方向是倾斜的，则粒子在通过势能变化时可能被锁定在对称性选取的方向上，因此，可以偏离开驱动力的方向。这是以上讨论的光学分离的基本原理。
这种偏离的一个效应是在电极间隙的两端建立带电粒子的速度分量。这种光诱发的横向速度v⊥导致可测量的电动势，其幅度取决于横向流速，粒子上的电荷，以及粒子的流体动力学性质。v⊥与测量电压之间的关系取决于粒子及其溶剂的性质。电压的符号取决于粒子的电荷符号和v⊥的符号。横向速度的大小和方向取决于粒子与光强图形相互作用的细节，和该图形的几何形状。这意味着，在这种设备中测量的横向电压对于粒子和它们支持的电解液的各种性质是敏感的。
图13表示得到胶态石英球的典型实验数据。这个曲线图说明横向速度v⊥相对于分散在水中直径1.5μm的石英球的流速v作为10×10全息光学镊子阵列的取向角θ的函数。粒子速度的横向分量是随该阵列的取向角从θ＝0(对准时)度的增大而增大，因为粒子保持被锁定在[1，0]的晶格方向。一旦该粒子从通过陷阱阵列的这个相当路径中被解锁，偏转角就减小，且在轨迹变成被锁定在对角方向[1，1]时就发生符号的改变。在图12的设备1600中测量的横向电压跟踪这个趋势，其中包括符号的反向。
这个信息是在各种取向范围内得到的，测量的横向电势的符号指出流动粒子电荷的符号。最大和最小横向电压的角度和幅度可用于精确测量粒子电荷的大小。它们与激光功率和陷阱阵列的晶格常数之间的关系可用于测量粒子的流体动力半径和尺寸的多分散性。
即使在固定取向下的单次测量可以提供运输粒子电荷的符号信息。一系列快速测量作为取向，激光功率，流速，陷阱几何形状，或任何这些参数组合的函数可用于提取有关各种性质的详细信息。所以，这种方法与任何其他单次测量技术比较可以提供更大范围性质的信息。这种测量的自动化是容易实现的，且可用于过程控制和质量保证系统。它自然地作用在连续流以及离散的批量上，并可以与制造过程集合在一起。
电动测量被运动锁定在运输中的状态也可用于优化带电物体的光学分离，而不需要直接成像流动的样本或抽样下游部分。因此，本发明在自动化光学分离方面也有很大的优点。
虽然我们已经展示和描述了几个实施例，但是应当注意，在不偏离本发明范围的条件下，可以对本发明作各种变化和改动。本发明的各种特征是由以下的权利要求书限定。
权利要求
1.一种用于通过光学分离选取带液体粒子中分离部分的设备，包括
至少两个通道，用于至少提供第一分层液体流和第二分层液体流，至少一个通道包含带液体粒子；
全息光学镊子系统，用于至少投射两个光学陷阱阵列到该至少两个通道的接合点处的一个区上；和
两个光学陷阱阵列，每个阵列放置成有选择地偏转带液体粒子，以便按照带液体粒子的特征分离该带液体粒子。
2.按照权利要求1的设备，其中全息光学镊子系统包括
用于产生光束的激光源；和
计算机设计的衍射光学元件，用于从激光源中接收光束并产生两个光学陷阱阵列。
3.按照权利要求1的设备，其中全息光学镊子系统包括
产生第一光束的第一激光源和产生第二光束的第二激光源；
计算机设计的衍射光学元件，它被设计用于从第一激光源中接收第一光束和从第二激光源中接收第二光束，以产生两个光学陷阱阵列；和
其中第一光束和第二光束有不同的波长，使之从两个不同波长的光中导出两个光学陷阱阵列。
4.按照权利要求1的设备，其中全息光学镊子系统包括
产生第一光束的第一激光源和产生第二光束的第二激光源；
第一计算机设计的衍射光学元件，它被设计成从第一激光源中接收第一光束；
第二计算机设计的衍射光学元件，它被设计成从第二激光源中接收第二光束；
其中第一光束和第二光束有不同的波长，使之从两个不同波长的光中导出两个光学陷阱阵列。
5.按照权利要求1的设备，其中在两个通道的接合点处，第一分层液体流中带液体粒子的第一子集合被两个光学陷阱阵列中的一个阵列偏转到第二分层液体流，而第一子集合带液体粒子中的一个子集合被另一个光学陷阱阵列偏转回到第一分层液体流。
6.按照权利要求1的设备，其中用于分离的带液体粒子的一个特征是粒子尺度，因此，在两个通道的接合点上，第一分层液体流中尺度基子集合的带液体粒子被两个光学陷阱阵列中的一个阵列偏转到第二分层液体流，而该子集合带液体粒子中的尺度基子集合被另一个光学陷阱阵列偏转回到第一分层液体流。
7.按照权利要求1的设备，其中第一分层液体流包含带液体粒子，而第二分层液体流包含缓冲液体，和其中在两个通道的接合点上，第一分层液体流中带液体粒子的一个子集合被两个光学陷阱阵列中的一个阵列偏转到第二分层液体流，而该子集合带液体粒子中的一个子集合被另一个光学陷阱阵列偏转回到第一分层液体流，因此，第二分层液体流包含该子集合带液体粒子中被分离的子集合。
8.一种用于通过光学分离选取分离部分的设备，包括
N个通道，用于提供N个分层输入流，该N个分层输入流中至少一个输入流包含带液体粒子；和
全息光学镊子系统，用于投射光学陷阱阵列到通道的结合点的一个区，以便把N个分层输入流中的带液体粒子分离成M个分层输出流。
9.按照权利要求8的设备，其中全息光学镊子系统包括衍射光学元件，用于动态控制带液体粒子的分离。
10.按照权利要求8的设备，其中光学阵列在结合点上离散地发生变化，以把N个分层输入流中的带液体粒子有选择地分离成M个分层输出流。
11.按照权利要求8的设备，其中光学阵列在结合点上连续地发生变化，以把N个分层输入流中的带液体粒子有选择地分离成M个分层输出流。
12.按照权利要求8的设备，其中光学阵列被设计成把至少两个分层输入流(N＝2)中的带液体粒子组合成一个分层输出流(M＝1)。
13.按照权利要求8的设备，其中N个输入分层流包含药物分子和微生物，微生物是基于该微生物对药物分子的响应被分类。
14.按照权利要求8的设备，其中N个输入分层流包含按照尺度被分类的化学反应物体。
15.按照权利要求8的设备，其中N个输入分层流包含按照光学性质被分类的化学反应物体。
16.一种用于通过光学分离选取分离部分的方法，包括以下步骤
至少提供两个通道，它们分别提供第一分层液体流和第二分层液体流，至少一个通道包含带液体粒子；
利用全息光学镊子系统至少投射两个光学陷阱阵列到该至少两个通道的结合点处的一个区上；
其中按照带液体粒子的特征，两个光学陷阱阵列中的每个阵列有选择地偏转带液体粒子，用于分离该带液体粒子。
17.一种用于操作粒子的设备，包括
有调制相位分布的激光束；和
光学陷阱阵列，它包括从激光束中建立的多个光学陷阱并有与其相关的偏置力。
18.按照权利要求17的设备，其中该粒子包括非紧致物体。
19.按照权利要求17的设备，其中多个光学陷阱中的各个光学陷阱有可选择的变弱方向。
20.按照权利要求19的设备，其中各个光学陷阱的变弱方向是互相对准的。
21.按照权利要求20的设备，其中各个光学陷阱的变弱方向还与偏置力对准。
22.一种用于表征带电溶质的方法，包括以下步骤
有效地分隔开第一电极和第二电极，以形成电极之间的间隙；
提供与第一电极和第二电极通信的静电计；
投射放置在电极间隙中的光学陷阱阵列；和
在带电溶质被驱动通过光学阵列时，测量其横向电压。
23.按照权利要求22的方法，还包括以下步骤
施加外部偏向力到多个带电粒子；
在相对于偏向力的多个角度上定向该阵列；和
测量多个角度中每个角度上的横向电压，其中每个横向电压的测量是与进行测量的阵列对应角度相关。
24.按照权利要求23的方法，还包括步骤确定最大横向电压，最小横向电压和该阵列的对应角度。
25.按照权利要求24的方法，还包括步骤根据最大横向电压，最小横向电压和该阵列中各自的对应角度，计算带电粒子的电荷量。
26.一种用于优化全息光学镊子的衍射光学元件相位的方法，包括以下步骤
选取有相关投射场的离散相位像素的阵列；
从离散相位像素的阵列中至少选取一个像素，该像素有衍射光学元件的已知相位值；
改变衍射光学元件在该至少一个像素上的相位，从已知相位改变成建议的相位；
计算与建议相位值变化相关的投射场的幅度变化；
若建议的相位变化能够减小总的幅度误差，则利用和接受建议的相位作为已知相位并重复改变和计算步骤；
若建议的幅度不能减小总的幅度误差至少一个预定的量，则放弃建议的相位；和
其中已知相位有优化值，以提供有改进均匀性的光学陷阱阵列。
27.按照权利要求26的方法，其中该至少一个像素包括多个像素。
28.按照权利要求26的方法，其中离散相位像素的阵列近似理想的全息图，用于形成所需的光学陷阱阵列。
29.一种用于产生全息光学陷阱的设备，包括
第一激光束，它的光是由第一衍射光学元件操作；
第一透镜组，用于中继由第一衍射光学元件操作的光到第一分色反射镜，该反射镜反射第二激光束的光到物镜；
第二激光束，它的光是由第二衍射光学元件操作；
第一透镜放置成中继由第一衍射光学元件操作的光到第二分色反射镜，该反射镜反射第二激光束的光到物镜；和
其中第一分色反射镜传输来自第二激光器的光，并且反射来自第一激光器的光。
30.按照权利要求29的设备，其中第一激光束和第二激光束是由单个激光器产生的。
31.一种用于产生全息光学陷阱的设备，包括
与第一衍射光学元件进行光通信的第一激光器；
与第二衍射光学元件进行光通信的第二激光器；
与第一衍射光学元件和第二衍射光学元件进行光通信的分束器，用于引导第一激光器和第二激光器的激光束到第一透镜；
反射镜，它适合于通过第三透镜与第一激光器和第二激光器进行光通信以及与聚焦元件进行光通信；和
其中该反射镜被设计成反射第一激光器和第二激光器的光。
32.按照权利要求31的方法，其中第一反射镜是反射来自第一激光器的光。
33.按照权利要求31的方法，还包括第一分束器和第二分束器，其中第一激光束传输通过第一分束器，而第二激光束是被第二分束器反射。
34.按照权利要求1的设备，其中全息光学镊子系统同时投射该至少两个光学陷阱阵列到该至少两个通道的结合点处的区。
35.一种用于选取分离部分的系统，包括
第一分层流和第二分层流，其中至少一个分层流有粒子；
第一分层流与第二分层流之间的结合点；
第一激光源，用于产生有第一波长的第一光束；
第二激光源，用于产生有第二波长的第二光束，第二波长不同于第一波长；
光束引导机构，在结合点可以分别从第一光束和第二光束中同时形成至少第一光学陷阱和第二光学陷阱；和
其中两个光学陷阱中的每个光学陷阱可以按照粒子的特征有选择地偏转该粒子。
36.一种用于建立不同颜色的全息光学陷阱的方法，其中借助于至少产生一个光束，并传输该至少一个光束通过衍射光学元件，这种改进的特征是，可以把传输通过衍射光学元件的光束中的一种颜色与另一种颜色分开；并从每个被分开的颜色中建立全息光学陷阱。
37.按照权利要求36的方法，其中该光束包括多个激光束。
38.按照权利要求36的方法，其中该一种颜色和另一种颜色可以包含不同的相位调制，该相位调制加到来自衍射光学元件的每种颜色上。
39.按照权利要求38的方法，其中该一种颜色和另一种颜色形成不同图形的全息光学陷阱。
40.按照权利要求36的方法，其中分开该一种颜色与另一种颜色的步骤包括传输该光束通过一个光学元件。
41.按照权利要求40的方法，其中该光学元件选自由反射元件和透射元件构成的组。
42.按照权利要求40的方法，其中该光学元件选自由分色反射镜，部分镀银的反射镜和偏振选择性分束器构成的组。
43.按照权利要求36的方法，还包括步骤利用全息光学陷阱中每种分开的颜色形成彩色图像。
44.按照权利要求36的方法，其中该光束是由波长可选的激光束源产生。
45.按照权利要求44的方法，其中激光束源提供单个激光束。
46.按照权利要求36的方法，其中衍射光学元件至少包括透射型光学元件和反射型光学元件之一。
47.一种用于建立多个不同颜色光学陷阱的设备，其中该设备包含激光束源和衍射光学元件，这种改进的特征是，用于分隔开激光束中的一种颜色与另一种颜色的光学系统和光学元件投射与第二种颜色空间分开的一种颜色的光学陷阱。
48.按照权利要求47的设备，其中光学系统至少包括反射型光学元件和透射型光学元件之一。
49.按照权利要求47的设备，其中对衍射光学元件进行编程，用于加第一相位调制到一种颜色和加第二相位调制到另一种颜色。
全文摘要
一种在微流体或流体系统中利用光学梯度力从非均匀的带液体样本中选取特定部分的方法和设备。样本大小的范围可以从几纳米到至少几十微米，它可以分散在从输入通道(410)到输出通道(430)传输的任何液体介质中，并可以按照大小，形状，光学特性，电荷，和其他物理性质进行分类。选取过程涉及无源传输通过光的强度场-被流动液体驱动的光学陷阱或光学镊子阵列，它与相关的技术进行比较有几个优点。这些优点包括连续而不是分批模式的操作，连续和动态的可调谐性，操作各种样本，紧密性，和低成本。
文档编号G03H1/08GK101103416SQ200680002214
公开日2008年1月9日 申请日期2006年1月19日 优先权日2005年1月21日
发明者大卫·G·格里尔 申请人:纽约大学