Construcción de un microscopio de alta resolución con capacidades de captura óptica convencional y holográfica

En este procedimiento, se monta y alinea una línea de trampas ópticas convencional y holográfica. Para lograrlo, primero mida las posiciones de los componentes ópticos, luego fije firmemente los componentes en sus ubicaciones adecuadas. A continuación, alinee los elementos ópticos para permitir el confinamiento. El último paso consiste en bloquear el haz TED procedente del espejo holográfico.

En última instancia, el sistema terminado permite el atrapamiento holográfico y ordinario simultáneamente. La principal ventaja de esta técnica frente a métodos existentes como el atrapamiento ordinario por sí solo es que permite la colocación simultánea de múltiples objetos refractivos en tres dimensiones y mediciones de manipulación rápida de objetos. En general, las personas nuevas en este método tendrán dificultades porque el diseño, la disposición y la alineación pueden ser desafiantes.

El punto de partida de este video es una mesa óptica con el microscopio colocado para crear una trampa óptica a 980 nanómetros. Comience con uno de los diodos láser fácilmente disponibles de esa longitud de onda. Utilice un láser de fibra monomodo con ajuste de inclinación y que conserve la polarización, con un diámetro conocido del campo modal.

La fibra debe ser lo suficientemente larga para actuar como filtro de modos y debe terminarse con un conector de canal de fibra, ya sea con un conector FCPC o un conector F-C-A-P-C. La fibra óptica de un solo modo debe manejarse con cuidado y deben evitarse torsiones. Fije el láser de diodo y el montaje que permita el control de potencia y temperatura.

El soporte debe fijarse directamente a la bancada óptica para maximizar la disipación pasiva de calor. A continuación, monte el conector de fibra en la óptica de colimación del haz. Asegúrese de que el puerto de fibra elegido coincida con el diámetro del campo modal del diodo.

Conecte la fibra con conector tipo pigtail al adaptador de colimación en la mesa óptica a una distancia suficiente del microscopio para permitir la expansión de la ruta del haz y la colocación de otros componentes. Se pueden utilizar varillas de distintos colores para fijar el espaciado entre lentes y lograr una posición robusta y repetible. Ajuste el puerto de la fibra para garantizar una desviación constante del haz a distancias comparables a la trayectoria total del haz hacia el microscopio.

Hay cinco espejos en la trayectoria del haz láser DDE. A partir del láser dde, hay dos espejos para dirigir su salida hacia la carcasa del microscopio. El haz también debe atravesar un espejo dicróico, que permite la transmisión sin atenuación del haz del láser de diodo a 45 grados respecto al ángulo de incidencia.

Finalmente, dos espejos dieléctricos adicionales cortos que transmiten luz visible, pero reflejan infrarrojo cercano y longitudes de onda superiores. Dirigir el haz hacia dentro y hacia fuera del microscopio. El espacio infinito uno se encuentra dentro de la carcasa del microscopio para ajustar los espejos; retire el objetivo del microscopio.

Utilice los espejos y una tarjeta de visualización infrarroja para dirigir el haz a través de la abertura en la etapa de montaje del objetivo. Si el haz está descentrado, ajuste los espejos para corregir la alineación de modo que el haz quede centrado. Al montar lentes, un sistema de jaula puede resultar en un ensamblaje rígido.

Los calibradores pueden utilizarse para medir previamente las distancias entre lentes a lo largo de las varillas del bastidor antes de la instalación. Monte temporalmente un puntero láser rojo con un adaptador personalizado en lugar del objetivo, de modo que su haz siga el eje óptico del microscopio. Utilice el haz visible del puntero láser para colocar y alinear aproximadamente el expandidor de haz de 980 nanómetros.

Este montaje utiliza lentes con una distancia focal de 60 milímetros y 125 milímetros dispuestos en una configuración keary para duplicar aproximadamente la cintura del haz. A continuación, instale los lentes de alineación de 980 nanómetros utilizando el haz de referencia como guía. Cada lente tiene un soporte con distancia focal de 60 milímetros; el primer lente en la trayectoria del haz se coloca sobre una plataforma de precisión X, Y, Z con un recorrido de al menos media pulgada para permitir la dirección del haz.

La segunda lente ya puede colocarse para formar una configuración de relación uno a uno con la primera lente. Esta lente debe posicionarse de manera que quede conjugada ópticamente con el plano focal trasero del objetivo. Para preparar la trampa holográfica, monte el láser de 1064 nanómetros sobre una plataforma elevada a una altura aproximada al haz de 980 nanómetros.

Coloque una placa de media onda y un polarizador inmediatamente después de la salida del láser, para permitir el ajuste manual de la potencia del láser. Instale el expansor de haz para este láser de modo que el haz se expanda y coincida con el tamaño diagonal del espejo holográfico.

Si el espacio es limitado, utilice lentes con distancias focales pequeñas, de 16 milímetros y 175 milímetros. Ahora use el haz del puntero láser para posicionar el modulador espacial de luz o SLM, que forma parte del paquete holográfico comercial utilizado. En este experimento, el modulador espacial de luz debe colocarse de manera que quede ópticamente conjugado con el plano focal posterior del objetivo.

Colóquelo de manera que el haz del puntero láser tenga el ángulo de incidencia más pequeño posible, pero de forma que su reflexión sobrepase de manera segura todos los dispositivos en la mesa óptica. Coloque otro espejo frente al expandidor de haz del láser de 1064 nanómetros para dirigir su luz hacia el modulador espacial de luz. Asegúrese de que la luz del puntero láser incida en el centro de la abertura del expandidor de haz.

Finalmente, instale un par de lentes telescópicas entre el modulador espacial de luz y el espejo dicróico. Estas lentes tienen longitudes focales de 125 milímetros y 200 milímetros. Retire el puntero láser y deje el soporte adaptador personalizado para servir como una abertura de alineación aproximada.

Comience a verificar la alineación utilizando únicamente el haz de 980 nanómetros. Use una tarjeta visora de infrarrojos para alinear el haz de 980 nanómetros y que siga el eje central de la abertura en el adaptador personalizado. Luego, use la tarjeta de infrarrojos para asegurar que el haz de 1064 nanómetros impacte en los mismos puntos que el haz de 980 nanómetros a lo largo de su trayectoria compartida.

Una vez realizado esto, reemplace el adaptador de montaje personalizado para el puntero láser con un objetivo de aceite o agua de alta apertura numérica. A continuación, alinéese el trampa de 980 nanómetros moviendo el haz láser hasta observar un patrón de interferencia radialmente simétrico en la cámara con el espejo holográfico apagado. Alinee la trampa de 1064 nanómetros utilizando el modulador espacial de luz y el primer espejo dicróico para dirigir el haz de 1064 nanómetros sin difractar.

En este ejemplo, la imagen alineada para ambas trampas indica un buen alineamiento para un atrapamiento eficiente, aunque puede mejorarse aún más. También existen aberraciones menores asociadas con el haz redondeado de 1064, que incide sobre un espejo cuadrado del modulador espacial de luz, las cuales no pueden eliminarse fácilmente mediante el ajuste del alineamiento de las lentes. Con el fin de bloquear la trampa producida por el haz subactuado del modulador espacial de luz, inserte un objeto opaco pequeño en la trayectoria del haz subactuado, en una ubicación conjugada al plano de la muestra para este sistema.

Una microesfera opaca de 100 a 300 micrones de diámetro, que es metálica, se pega a una cubreobjetos redonda de vidrio transparente al infrarrojo o a una ventana. El bloque se coloca en el punto focal común de las lentes, que está ópticamente conjugado con el plano de la muestra. Si los haces de atrapamiento óptico se inyectan en el espacio de infinito del microscopio, el bloqueador de haz puede posicionarse para bloquear la luz no enfocada o puede moverse para permitir que toda la luz pase.

El montaje ensamblado permite al operador atrapar múltiples objetos refractivos en tiempo real y posicionarlos en las tres dimensiones del campo de visión. Aquí, las capacidades holográficas del instrumento se muestran atrapando microesferas suspendidas en agua desionizada; círculos rojos y verdes indican las posiciones de las trampas, con el color verde indicando una trampa seleccionada para ser reposicionada en este clip. La reproducción se acelera después de que un objeto es atrapado. Su trampa se reposiciona manualmente.

La disposición final tiene 11 cuentas que representan el logotipo de la Universidad de Utah, donde se realizó este experimento. El sistema también permite el uso conjunto de trampas holográficas y convencionales. Aquí se definen dos filas de trampas holográficas, que son controladas por el operador.

Se define una trampa convencional adicional entre las dos filas. Las microesferas suspendidas en agua desionizada son atrapadas por las trampas. La perla central se mueve hasta un desplazamiento espacial máximo de 4,1 micrómetros y luego regresa a su posición original en las mismas condiciones.

Pero con la perla central moviéndose a 82 micrómetros por segundo, se produce esta secuencia de cuadros. Observe el desenfoque por movimiento en las imágenes segunda y tercera. Tras ver este video, debería tener una comprensión clara de cómo configurar y alinear un sistema de doble trampa óptica con una trampa holográfica independiente y una trampa normal en el mismo montaje.

No olvide que trabajar con láseres de alta potencia puede ser extremadamente peligroso; tome precauciones como usar gafas protectoras adecuadas.