1 中国科学技术大学光学与光学工程系, 安徽 合肥 230026
2 合肥微尺度国家研究中心, 安徽 合肥 230026
光同时具有自旋和轨道角动量属性, 它们分别与光的偏振和相位分布相关。在傍轴条件下, 光的自旋和轨道角动量在自由空间传输过程中是相互独立且各自守恒的。而在非傍轴条件下, 如紧聚焦或者散射光场中, 光的自旋与轨道角动量之间会发生相互耦合和转化。其中, 紧聚焦场中自旋与轨道角动量的相互作用由于广泛涉及光学捕获、显微和探测等应用领域, 近年来受到广泛关注。综述了紧聚焦场中自旋、轨道角动量理论计算方法, 自旋-轨道角动量相互作用与入射结构光场的关系以及最新的相关应用研究进展。
傅里叶光学 紧聚焦 自旋角动量 轨道角动量 自旋- 轨道角动量相互作用 光捕获 Fourier optics tight focusing spin angular momentum orbital angular momentum spin-orbital angular momentum interaction optical trapping
中国科学技术大学光学与光学工程系, 安徽 合肥230026
动物活体环境下单细胞的光操控对于研究细胞的结构和功能，细胞与组织之间的相互作用，以及细胞病变机理、血栓形成机制和肿瘤细胞迁移等生物医学问题具有重要意义。2013年，光镊技术首次应用于活体动物内单细胞的捕获和操控，开辟了活体动物内光学操控新领域。本文就该领域涉及的活体操控技术及近来取得的重要研究进展进行概述，简要分析了实现深度组织内细胞操控所遇到的技术瓶颈并讨论了解决方案。
光镊 活体动物 细胞 深度组织 optical tweezers living animals cells deep tissue
Author Affiliations
Abstract
1 School of Instrument Science and Opto-electronic Engineering, Hefei University of Technology, Hefei 230009, China
2 Department of Optics and Optical Engineering, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China
We experimentally demonstrate that optical tweezers can be used to accelerate the self-assembly of colloidal particles at a water–air interface in this Letter. The thermal flow induced by optical tweezers dominates the growth acceleration at the interface. Furthermore, optical tweezers are used to create a local growth peak at the growing front, which is used to study the preferential incorporation positions of incoming particles. The results show that the particles surfed with a strong Marangoni flow tend to fill the gap and smoothen the steep peaks. When the peak is smooth, the incoming particles incorporate the crystal homogeneously at the growing front.
140.7010 Laser trapping 350.4855 Optical tweezers or optical manipulation 230.5298 Photonic crystals Chinese Optics Letters
2017, 15(5): 051401
1 中国科学技术大学光学与光学工程系, 安徽 合肥 230026
2 上海中珂光镊科技有限公司, 上海 200065
脱离了传统商业显微镜系统,成功研制一套具有单光束梯度力阱核心功能的微型光镊仪器,同时 实现了对微粒的三维捕获和pN力的测量。系统采用无穷远光学成像设计、半导体激光光源和LED照明、 千分尺三维操控平台,形成全封闭光路,一体化工艺设计的整机系统。操纵稳定,结构紧凑,可定量测量, 抗干扰能力强,使用调节方便。仪器体积小巧,制造成本低,便于光力学效应的认知教育,也可用于微米微 粒的操作探测等科学研究和应用,有利于专业光镊仪器的市场推广。
光镊 微型操作仪 脱离传统显微镜系统 三维捕获 pN力 optical tweezers mini apparatus without traditional microscope system trapping in three dimensions pN force
1 中国科学技术大学光学与光学工程系, 安徽 合肥 230026
2 安徽省光电子科学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230026
3 合肥微尺度物质科学国家实验室, 安徽 合肥 230026
光镊技术是激光技术的重大发明，能利用光的动量与物质相互作用产生光势阱效应，已成为微纳米微粒操控和皮牛顿力测量的重要工具。光镊技术不仅丰富和推进了光学领域的发展，也为光学与多学科的交叉融合架起了一座桥梁，彰显出了它独特而不可替代的作用。综述回顾了30 年来光镊理论和技术的发展，系统梳理了光镊在细胞生物学、单分子生物学、软物质胶体科学以及物理纳米科学等领域的应用，并列举典型的应用实例，探讨了光镊技术应用的特点，展望了光镊技术应用蓬勃发展的美好未来。
激光技术 光镊 皮牛顿力测量 活体细胞操控 单分子测量
1 中国科学技术大学 光学与光学工程系,安徽 合肥 230026
2 中国科学技术大学 精密机械与精密仪器系,安徽 合肥 230026
针对光镊系统本身噪声对测量精度的影响, 提出了一种光镊系统随机漂移误差的有效补偿方法。首先, 介绍了时间序列分析法和卡尔曼滤波技术, 基于时间序列分析法建立了光镊的随机漂移误差模型; 然后, 用基于时间序列模型的卡尔曼滤波方法来减小该漂移误差。采用提出的方法对光镊设备实测数据的误差进行了补偿, 结果表明: 数据的误差方差由补偿前的188.90 nm2减小为8.41 nm2。计算补偿前后的艾伦方差可知, 系统在平均时间为1 s时可使最小位移误差从 0.7 nm降低到0.1 nm。得到的结果显示: 提出的滤波方法有效地抑制了光镊系统的漂移误差,将其用于双光镊对准可提高捕获光和探测光的对准精度, 进而提高光镊系统的性能指标。
光镊 随机漂移 误差补偿 卡尔曼滤波 艾伦方差 optical tweezer random drift error compensation Kalman filter Allan variance
1 中国科学技术大学化学实验教学中心, 安徽 合肥 230026
2 中国科学技术大学光学与光学工程系, 安徽 合肥 230026
利用液晶空间光调制器(LCSLM)对光学显微中的成像光进行实时的相位/振幅调制, 不仅可以实现各种传统的生物样品相位显微, 而且能够以更复杂的相位调制方式, 如螺旋相位滤波, 得到新的显微图像。该方式已经和荧光显微、光镊技术结合, 丰富了生物显微技术。
显微 液晶空间光调制器 相位衬比 螺旋相位衬比 microscopy LCSLM contrast phase spiral phase contrast
1 华侨大学信息学院， 福建 厦门 361021
2 中国科学技术大学物理学院光学与光学工程系， 安徽 合肥 230026
设计出以可编程控制器、伺服电机放大器、伺服电机和编码器为主要部件的可编程机械斩光器，并将其与多光镊系统相耦合，构建了胶体微粒间相互作用势测量系统。利用该系统测量聚苯乙烯球悬浮液中两个小球之间的静电相互作用势，其结果与胶体稳定理论符合，验证了系统的可靠性。该斩光器具有良好的易用性、兼容性和可移植性。并且该系统能在可控的物理化学条件下从粒子层次直接测量胶体粒子间不同类型的相互作用势，为深入研究胶体的微观机制提供了一种有效的测量手段和技术平台。
测量 相互作用势 闪烁光镊 同步斩光器 中国激光
2011, 38(12): 1208002
1 中国科学技术大学光学与光学工程系， 安徽 合肥 230026
2 合肥微尺度物质科学国家实验室， 安徽 合肥 230026
3 安徽省光电子科学与技术重点实验室， 安徽 合肥 230026
利用液晶空间光调制器对高斯光束进行相位调制后可生成涡旋光束。因涡旋光束本身具有轨道角动量，酵母细胞被光阱捕获后会绕其中心旋转，对酵母细胞旋转的时序信号图进行傅里叶变换后可测出酵母细胞在光阱中的旋转角速度。详细讨论了酵母细胞旋转角速度随激光功率、拓扑荷以及捕获高度的变化关系。实验结果表明，酵母细胞的旋转角速度与激光功率成正比，与拓扑荷的平方成反比；捕获高度在14 μm时角速度达到最大值；细胞在涡旋光阱中的旋转方向可由拓扑荷的符号决定，正号为逆时针旋转，负号为顺时针旋转。此实验结果有望应用在细菌鞭毛马达力矩的测量实验中。
傅里叶光学 涡旋光束 轨道角动量 酵母细胞 旋转角速度
1 中国科学技术大学光学与光学工程系, 安徽 合肥 230026
2 中国科学技术大学物理实验中心, 安徽 合肥 230026
3 中国科学技术大学合肥微尺度物质科学国家实验室, 安徽 合肥 230026
4 中国科学技术大学安徽省光电子科学与技术重点实验室, 安徽 合肥 230026
作为光镊技术近年来最重要的发展之一，二维阵列光镊在纳米制造和生物芯片制作中具有广泛的应用前景。衍射光学元件是构成阵列光镊的关键器件之一, 而Gerchberg-Saxton(G-S)算法是设计相位型衍射光学元件的一种常用方法。实现了伪随机编码的G-S算法，并将计算得到的相位分布图输入到液晶空间光调制器上，在透镜的后焦面上得到阵列分布的光点，提出并实验验证了通过振幅调制能够有效减少远场衍射的背景噪声，为将来设计阵列光镊衍射元件提供了可能。
衍射 阵列光镊 液晶空间光调制器 Gerchberg-Saxton算法 伪随机编码 双振幅形相位滤波器
