기존 및 홀로 그래픽 광학 트래핑 기능과 고해상도 현미경의 구조

요약

여기에 설명 된 시스템은 여러 개의 트랩을 생성하고 조작 할 수있는 기존의 광학 트랩뿐만 아니라 독립적 인 홀로그램 광학 트래핑 라인을 사용합니다. 또한 생물 효소의 활동을 동시에 고속, 고해상도 측정을 허용하는 동안이 굴절 입자의 복잡한 기하학적 배열을 만들 수 있습니다.

초록

광학 트랩 고해상도 현미경 시스템은 유전체 구슬 ¹ 또는 세포 소기관 ^2,3뿐만 아니라, 트랩의 중심을 기준으로 자신의 위치의 높은 공간과 시간적 해상도 판독 등 다양한 굴절 개체의 정확한 조작 할 수 있습니다. 이 시스템은 여기에 980 nm에서 하나의 "전통적인"트랩이 운영이 설명했다. 그것은 또한 동시에 1,064 ㎚의 파장에서 ^4,5 현미경의 시야 복잡한 트래핑 패턴을 만들고 조작하는 데 시중에서 홀로그램 패키지를 사용하여 두 번째 광 트래핑 시스템을 제공합니다. 동시에 높은 속도와 움직임과 나노 미터 piconewton 규모에 힘 생산의 고해상도 측정을 수행하는 동안 두 시스템의 조합은 동시에 여러 굴절 개체의 조작을 할 수 있습니다.

서문

광 트래핑은 생물 물리학 ^6의 핵심 기술 중 하나입니다. 광 트래핑의 중요한 발전은 오히려 기존 점 트랩 ^7보다 입체적으로 트래핑 패턴의 생성을 허용 홀로그램 트랩의 개발이다. 이러한 홀로그램 트랩은 굴절 오브젝트의 위치에 다양성의 장점을 가지고있다. 그러나 기존의 트랩은 쉽게 시중에서 홀로그램 키트보다 더 대칭 적으로 정렬 할 수 있습니다. 그들은 또한 덫을 객체의 빠른 정확한 추적 할 수 있습니다. 여기에서 우리는 하나의 악기 두 트래핑 방법을 결합하여 사용자가 적절한 양의 이점을 악용 할 수있는 시스템 (그림 1)을 설명합니다.

건설 광학 트랩 (하나 또는 여러 개의 레이저 빔 기준)의 일반적인 고려 사항은 다른 ^8-10 자세히 설명되어 있습니다. 여기에, 우리는 우리의의 고려 사항 특정 개요etup하고 정렬 절차의 세부 사항을 제공합니다. 예를 들어, 두 개의 광학 트래핑 빔이있는 시스템은 일반적으로 굴절 개체를 포획하고 포획 된 개체의 위치의 분리 판독을 위해 (의도적으로 낮은 전력 빔) 다른 사용을위한 하나의 레이저 빔을 사용 (예 : REF. ¹¹⁾ 앞에서 설명한되었습니다 . 여기 그러나 두 레이저 빔은 모두 트래핑에 사용되는 때문에 (300 mW의 이상) 전원 공급 높은해야합니다. 생물학적 시스템의 측정, 트래핑에 사용되는 레이저는 최적의 조명에 의한 단백질 분해 ^1을 최소화하기 위해 파장의 특정 NIR 창 내에 있어야합니다. 여기에서 우리는 980 nm의 다이오드 때문에 그들의 낮은 비용, 높은 가용성 및 운영의 용이성 1,064 nm의 DPSS 레이저를 사용하기로 결정했다.

우리는 또한 ^4,5 실시간으로 동시에 여러 트랩을 생성하고 조작하는 공간 광 변조기 (SLM)를 사용하도록 선택했습니다. 이 장치는 상업적으로 사용할 수 있습니다그러나 전체 설치에 그들의 통합은 독특한 도전을 선물한다. 여기에서 우리는 이러한 잠재적 인 어려움을 해결하고 매​​우 다양한 악기를 제공하는 실용적인 방법을 설명합니다. 우리는 수정 된 설계를위한 가이드로 사용할 수있는 설명 특정 설정에 대한 명시적인 예를 제공합니다.

프로토콜

1. 980 nm의 파장 단일 광학 트랩 설치

1. 생물 물리학 실험하고 저렴한 레이저 다이오드는 300 mW의로 높은 출력과 쉽게 사용할 수있는 980 nm의 파장에서 광 트래핑은 종종 최적입니다. 그것은 알려진 모드 필드 직경 단일 모드 광섬유 편광 유지에 중계 커넥터되는 다이오드 레이저 바람직하다. 섬유 모드 필터의 역할을 할 수있을만큼 충분히 길어야합니다 일반적으로 FC / PC 또는 FC / APC 커넥터 하나와 함께 종료됩니다. 이들 중, FC / APC 빛과 잠재적 인 피드백 불안의 반사를 다시 최소화하는 것이 바람직하다.
2. 전력 및 온도 제어를 허용하는 마운트 980 nm의 레이저 다이오드를 고정합니다. 그것은 직접 수동 히트 싱크를 극대화하고이를 온도 조절기의 고장으로 인해 다이오드 실패의 위험을 최소화 광학 테이블 마운트를 고정하는 것이 좋습니다.
3. 빔 콜리 메이팅 광학 PC / APC 광섬유 커넥터를 장착합니다. 그것은이다조정 섬유 포트가 가장 유용하므로 평행 빔이 최소한의 발산을 확신하는 것이 중요합니다. 선택한 섬유 포트 다이오드 변발 섬유의 모드 필드 직경과 일치하는지 확인하십시오. 빔 음향 광학 디플렉터 (AOD) 또는 전기 광학 디플렉터를 사용하여 래스터 (raster) 할 경우 (EOD) 다음 평행 레이저 빔 허리는 디플렉터 구멍의 크기보다 약간 작아야합니다.
4. 빔 경로, 확장, 및 기타 필요한 구성 요소의 배치를 허용하는 현미경 충분한 거리에서 광학 테이블에 시준 어댑터를 고정합니다. 현미경 전체 빔 경로에 비해 거리에 일관된 빔 허리를 보장하기 위해 광섬유 포트를 조정합니다.
5. 그림 1에 표시된 거울을 설치합니다. 현미경 목표를 제거하고 객관적 설치 단계에서 조리개를 통해 라우팅 빔을에 거울을 사용합니다. 선호하는 경우, 이색 거울 DM1과 DM3의 배치가 될 때까지 생략 할 수 있습니다나중에. DM2와 DM3는 shortpass 둘 다와 IR 근처에 이상 반영하면서 가시 광선을 전송합니다.
6. 일시적으로 현미경의 광학 축에 정렬 목적의 장소에서 빨간색 레이저 포인터를 장착하는 것이 도움이됩니다. 사용자 정의 기계적 어댑터는 레이저 포인터의 centration을 보장 할 필요가있다. 레이저 포인터 눈에 보이는 광속은 다음 광섬유 포트 구멍의 중심으로 다시 라우팅 할 수 후 렌즈를 (아래 참조)를 설치하는 데 사용할 수 있습니다.
7. 필요한 ^1과 스티어링 부품의 미래를 삽입 (AOD 또는 EOD)을 허용하는 광섬유 포트에서 적절한 거리에서 980 nm의 빔 확장기 (L8 및 L9)를 설치합니다. 확장 빔이 약간 목적의 뒷면 초점 조리개를 너무 많이 넣다해야합니다. (여기에서 125 mm와 60mm의 초점 거리를 가진 렌즈는 약 빔 허리를 두 배로 케플러 배열에서). 적절한 렌즈 배치와 거친 정렬을 보장하기 위해 가시 레이저 빔 (1.6 절 참조).
8. 안치하다난 망원경 배열에서 980 nm의 스티어링 렌즈 (L2 및 L3)은 (여기에서 모두 60mm 초점 길이가 ¹⁾ 표시된대로. L3는 목적의 후면 초점 평면에 평면 결합에 장착되어 있습니다. 정밀 XYZ 위치 결정 스테이지에 장착 L3 빔 조향을 허용합니다. 그것은 반복 위치와 트랩의 위치 변경을 허용, 자사의 마이크로 미터 디지털 표시기를 가지고 XYZ 스테이지에 도움이됩니다. 여행 0.5 "범위는 충분합니다, 광학 축을 따라 L3 위치에 대한하지만 더 이상 여행은 도움이 될 수 있습니다. 적절한 렌즈 배치와 거친 정렬을 보장하기 위해 (1.6 절 참조) 가시 레이저 빔을 사용합니다.

2. 레이저 감지기 설치

1. 그림 1과 같이 콘덴서 위의 이색 거울 DM3를 설치합니다. 사용자 정의 마운트는 일반적으로 필요합니다. 콘덴서 어셈블리의 측면과 ENS에 쿼드 포토 다이오드 (QPD) 또는 위치에 민감한 검출기 (PSD) ⁸ 확보980 nm의 레이저 빔이 DM3에 반영하는 URE는 대략 중앙에 타격합니다. QPD를 사용하는 경우, 그것은 레이저 빔 센서의 중심 정확한 수 있도록 작은 XY 스테이지에 장착되어 있는지 확인합니다.
2. DM3와 센서 사이의 L1 (일반적으로 30 mm 렌즈)를 설치합니다. 위치 L1 정도로 센서의 단일 지점에 빔을 집중한다.
3. L1은 현미경 조명과 주변 조명에서 1,064 nm의 광선뿐만 아니라 처진 눈에 보이는 빛의 반사를 차단하기 직전 노치 필터를 설치합니다.

3. 1,064 nm의 파장 홀로그램 트랩 설치

1. 설정의 홀로그램 부분은이 패키지에 사용되는 홀로그램 거울은 5 또는 10 W / cm ^2의 최대 사건 전원에 평가하고 상업적으로 이용 가능한 하드웨어 / 소프트웨어 패키지 주위에 내장되어 있습니다. 이 전력 범위의 단일 모드 TEM00 광속은 쉽게 1,064 nm의 파장에서 DPSS 레이저에서 공급 될 수있다.
2. 상승에 1,064 nm의 레이저를 탑재플랫폼은 대략 980 선 (1 절 참조) 빔 경로의 높이를 일치합니다.
3. 직접 제어하지 않는 경우, 레이저 출력은 수동으로 오른쪽 레이저 출력 조리개 후 반 파장 판 (HWP) 및 편광판 (PBS)를 설치하여 조정할 수 있습니다. 그것은 빔 편광 홀로그램 거울 요구 사항을 일치 할 수 로터리 스테이지에 편광판을 장착하는 것이 도움이됩니다.
4. 1,064 nm의 빔 확장기 (L6 및 L7)를 설치합니다. 레이저 빔 허리 홀로그램 거울의 대각선 크기에 맞게 확대해야합니다. 큰 확장 비율에 대한 (10 배 이상)는 확장기의 크기를 작게 유지하는 문제가 될 수 있습니다. (: 17 mm와 175mm 여기에) 따라서 비정상적으로 작은 초점 거리를 가진 렌즈를 사용하는 것이 바람직 할 수 있습니다.
5. 목표를 통해 1,064 nm의 광선을 직접 지시로 다른 미러를 설치합니다.
   1. 이 undiminishe을 허용하도록 보안 DM1 운동 마운트 이색 (입사각 45 ° 각도)과 980 nm의 빔 경로에 어셈블리를 배치그 빔의 D 전송.
   2. 레이저 포인터 빛을 활성화합니다. DM1 미러가 제대로이 빔의 경로에 공간 광 변조기 (SLM)를 배치하는 가시 광선의 충분한 양의를 반영해야합니다. SLM은 수신 및 발신 레이저 광선은 정상적인 발생에 최대한 가까이되도록 각도를해야합니다. 그러나 입사각은 레이저 빔이 렌즈 마운트 및 기타 광학 부품으로 클리핑되지 않도록 충분히 커야합니다. 5 °의 각도를 쉽게 달성 할 수 있으며 충분히 작해야한다. 마지막으로 DM1에서 SLM까지의 거리를 정확하게 렌즈 L4와 L5의 삽입 (아래 3.6 참조) SLM 거울면과 목표의 백 초점면을 활용할 수 있도록 측정해야합니다.
   3. 1,064 nm의 빔 확장기에서 SLM에 빛을 직접 거울을 설치합니다. 레이저 포인터 빛은 중앙의 빔 확장기 조리개 안타 있는지 확인합니다.
6. L4와 L5 렌즈를 설치합니다 (여기서는 12 개 렌즈5mm와 200mm 각각). 이 망원경 쌍은 목표의 뒤에 초점 평면에 SLM 거울 평면을 어원도 약간 과충전 목적의 뒷면 조리개에 빔 허리를 줄일 수 있습니다. 우리는 SLM 멀리 DM1의 공간으로 긴 초점 거리를 가진 렌즈를 선택했습니다. 이 두 번째 레이저 라인을위한 공간을 지 웁니다뿐만 아니라 정렬을 쉽게하는 경향이뿐만 아니라.
7. 레이저 포인터를 제거합니다. 거친 정렬 조리개 역할을 장착 어댑터를 남겨주세요.

4. 시스템 설치 및 정렬 참고 사항

1. 목표의 뒤에 초점면에 광학적으로 결합 할로 렌즈 L3 및 SLM 그렇게 배치해야합니다. 광학 트래핑 빔은 현미경의 무한 공간으로 주입하는 경우 L5 L4와의 공동 초점은 샘플 평면 광학 결합이다.
2. 노래 IR 카드 뷰어 레이저 포인터 어댑터 구멍의 중심 축을 따라 이동 980 nm의 광선을 맞 춥니 다.
3. IR 카드 T를 사용O는 1,064 nm의 빔 DM1, L2 및 L3에와 1,064 nm의 빔 레이저 포인터 어댑터 구멍의 중심 축을 따라 간다 980 nm의 빔과 같은 장소 안타 있는지 확인합니다.
4. 목적으로 레이저 포인터를 장착 어댑터를 교체하십시오. 높은 수치 조리개 기름이나 물이 목표는 일반적입니다.
5. 방사상으로 대칭 간섭 패턴이 카메라에서 볼 때까지 레이저 빔을 "도보"에 의해 ^9에 설명 된대로 980 nm의 트랩을 맞 춥니 다.
6. 홀로그램 거울 오프로 (즉, 수동 미러 역할) 1,064 nm의 트랩을 정렬하는 undiffracted 1,064 nm의 광선을 "걷기"로 SLM 및 DM1를 사용합니다.
7. SLM은 시야에서 강력한 불가능한 레이저 트랩 결과 상당한 undiffracted 빔을 생성합니다. 이 정렬을위한 유용하지만 실험 바람직 할 수 있습니다. 이 트랩을 차단 한 (샘플 평면에 위치 켤레에 undiffracted 빛의 경로에 작은 불투명 한 개체를 삽입 할 수 있습니다 예를 들어, 일L4와 L5)의 전자 일반적인 초점. 이 중앙 자리 차단기의 크기는 집중 조명 (기술 시스템에 대한 100 ~ 300 μm의 직경 차단)에 대한 에어리 디스크의 직경보다 약간 크게해야합니다.
8. SLM의 방향과 일치하는 편광판을 사용하여 1,064 nm의 빔 편광을 djust. 원하는 빔의 출력 전력을 설정하는 반 파장 판을 회전합니다.
9. 원하는 경우, 980 nm의 레이저 라인에 AOD 또는 EOD 빔 스티어링 요소를 삽입합니다. 목적의 후면 초점 평면에 이러한 요소의 적절한 활용을 보장하고 트랩을 다시 맞 춥니 다. 그것은 고니 오 미터 무대에서 스티어링 요소를 탑재 도움이됩니다.

결과

조립 설치는 운영자가 실시간으로 여러 굴절 오브젝트를 트랩하고 시야 내의 모든 세 가지 차원에서 그들을 배치 할 수 있습니다. 우리는 11 마이크로 (그림 2)를 포집하여 악기의 홀로그램 기능을 보여줍니다. 각 개체를 수감 트랩을 수동으로 최종 배열은이 실험이 수행 된 유타 대학의 로고를 묘사하도록 트래핑에 다시 배치됩니다. 홀로그램과 기존 함정의 결합 기능은 그림 3?...

토론

우리는 개체 조작 및 측정을위한 별도의 포집 설비를 제공하는 다른 종류의 두 개의 광 트랩 (그림 1)를 결합 악기를 구축했다. "종래의"광학 트랩은 980 nm의 다이오드 레이저 주위에 내장되어 있습니다. 이 빔은, 확장 조종하고 (그림 1의 "빛 빨강"빔) 우리의 거꾸로 현미경으로 주입된다. 홀로그램 광학 트랩이 1,064 nm의 DPSS 레이저 주위에 내장되어 있습니다....

자료

Name	Company	Catalog Number	Comments
Optical table	Newport corporation	ST-UT2-56-8	Irvine, CA
Microscope, Inverted, Eclipse Ti	Nikon USA	MEA53220	Melville, NY
Plan apo 100X oil objective (1.4 NA)	Nikon USA	MRD01901	Melville, NY
Oil condenser Lens 1.4 NA	Nikon USA	MEL41410	Melville, NY
EMCCD camera	Andor technology USA	Ixon DU897	South Windsor, CT
1/3" CCD IEEE1394 camera	NET USA Inc	Foculus FO124SC	Highland IN
Laser, TEM00, SLM, 1,064 nm wavelength	Klastech Laser Technologies	Senza-1064-1000	Dortmund; Germany
laser diode, TEM00, SLM, 980 nm	Axcel Photonics	BF-979-0300-P5A	Marlborough, MA
laser diode mount	ILX Lightwave	LDX-3545, LDT-5525, and LDM-4984	Bozeman, MT
adjustable fiber ports	Thorlabs	PAF-X-11-B	Newton, NJ
holographic system	Arryx	HOTKIT-ADV-1064	Chicago, IL
holographic mirror	Boulder Non-linear Systems	this is a part of HOTKIT-ADV-1064	Lafayette, CO
Calcite polarizer	Thorlabs	GL10-B	Newton, NJ
half-wave plate	Thorlabs	WPH05M-1064	Newton, NJ
Polarizer rotation mount	Thorlabs	PRM1	Newton, NJ
half-wave plate rotation mount	Thorlabs	RSP1	Newton, NJ
Shutter	Thorlabs	SH05	Newton, NJ
dichroic mirrors (DM2 & DM3); 45 ° AOI	Chroma Technology	t750spxrxt	Bellows Falls, VT
dichroic mirror (DM1); 45 ° AOI	Thorlabs	DMSP1000R	Newton, NJ
custom mechanical adapter	Thorlabs	SM1A11 and AD12F with enlarged inner bore	Newton, NJ
notch filter	Semrock	FF01-850/310-25	Rochester, NY
Acousto-Optic deflector (2-axis)	intraAction	DTD-584CA28	Bellwood, IL
goniometric stage	New Focus	9081	Santa Clara, CA
60 mm steering lenses	Thorlabs	LA1134-B	Newton, NJ
16 mm aspherical expander lens	Thorlabs	AC080-016-C	Newton, NJ
175 mm expander lens	Thorlabs	LA1229-C	Newton, NJ
Spot blocker (cabron-steel sphere)	Bal-Tec	0.0100" diameter	Los Angeles, CA
Microspheres (Carboxyl-polystyrene)	Spherotech	CP-45-10	Lake Forest, IL