기존 및 홀로 그래픽 광학 트래핑 기능과 고해상도 현미경의 구조

본 절차에서는 일반 광학 집게 라인과 홀로그래픽 광학 집게 라인을 조립하고 정렬합니다. 이를 위해 먼저 광학 부품들의 위치를 측정하고, 각 부품을 적절한 위치에 단단히 장착합니다. 그다음, 트래핑이 가능하도록 광학계를 정렬합니다. 마지막 단계로 홀로그래픽 미러로부터 TED 빔을 차단합니다.

최종적으로, 완성된 시스템은 홀로그래픽 트래핑과 일반 트래핑의 동시 수행을 가능하게 합니다. 일반 트래핑만 사용하는 기존 방법과 비교했을 때 이 기술의 주요 장점은, 3차원 공간에서 여러 개의 굴절 객체를 동시에 배치할 수 있으며 객체 조작 측정 속도가 빠르다는 점입니다. 일반적으로 이 방법이 처음인 사용자는 설계, 레이아웃 및 정렬 과정이 까다롭기 때문에 어려움을 겪을 수 있습니다.

이 비디오의 시작점은 980 nanometers에서 광학 트랩을 생성하기 위해 현미경이 설치된 광학 벤치입니다. 해당 파장의 쉽게 구할 수 있는 레이저 다이오드 중 하나로 시작하십시오. 편광, 기지의 모드 필드 직경을 가진 단일 모드 광섬유가 보존된 pig tilt 레이저를 사용하십시오.

광섬유는 모드 필터 역할을 할 수 있을 만큼 충분히 길어야 하며, FCPC 또는 F-C-A-P-C 커넥터가 있는 광섬유 채널 커넥터로 종단 처리되어야 합니다. 단일 모드 광섬유는 꼬임이 발생하지 않도록 주의해서 다뤄야 합니다. 레이저 다이오드와 전력 및 온도 제어가 가능한 마운트를 고정하십시오.

수동 방열 효과를 극대화하기 위해 마운트를 광학 벤치에 직접 고정해야 합니다. 그다음, 파이버 커넥터를 빔 콜리메이팅 광학계에 장착하십시오. 선택한 파이버 포트가 다이오드의 모드 필드 직경과 일치하는지 확인하십시오.

빔 경로 확장과 다른 구성 요소의 배치를 위해 현미경에서 충분히 떨어진 광학 테이블에 콜레이팅 어댑터와 피그테일 파이버를 부착하십시오. 견고하고 반복 가능한 위치 선정을 위해 로드 색상을 이용하여 렌즈 간격을 고정할 수 있습니다. 현미경까지의 전체 빔 경로와 유사한 거리에서 빔 웨이스트(beam waste)가 일정하게 유지되도록 파이버 포트를 조정하십시오.

DDE 레이저 빔의 경로에는 5개의 거울이 있습니다. DDE 레이저에서 시작하여, 출력 빔을 현미경 하우징으로 유도하기 위한 두 개의 거울이 배치되어 있습니다. 또한 빔은 다이크로익 미러(dichroic mirror)를 통과해야 하며, 이 미러는 입사각에 대해 45도 방향으로 레이저 다이오드 빔이 감쇄 없이 투과되도록 합니다.

마지막으로, 가시광선은 투과시키고 근적외선 이상은 반사하는 두 개의 단파장 통과 이색 거울(short pass diic mirrors)을 추가합니다. 빔이 현미경 내부로 들어오고 다시 나가도록 경로를 설정합니다. 거울을 조정하기 위해 현미경 대물렌즈를 제거한 후, 현미경 하우징 내의 무한 공간 1(Infinity space one)을 이용하십시오.

거울과 적외선 뷰잉 카드를 사용하여 빔이 대물렌즈 장착 스테이지의 구멍을 통과하도록 유도하십시오. 빔이 중심에서 벗어난 경우, 거울을 조정하여 빔이 중심에 오도록 정렬을 수정하십시오. 렌즈를 장착할 때, 케이지 시스템을 사용하면 견고한 어셈블리를 구성할 수 있습니다.

설치 전, 캘리퍼스를 사용하여 케이지 로드를 따라 렌즈 사이의 거리를 미리 측정할 수 있습니다. 대물렌즈 대신 커스텀 어댑터가 장착된 적색 레이저 포인터를 임시로 장착하여 빔이 현미경의 광축과 일치하도록 합니다. 가시적인 레이저 포인터 빔을 이용하여 980 nanometer 빔 확장기를 배치하고 대략적으로 정렬하십시오.

이 설정은 빔 허리(beam waist)를 약 두 배로 확장하기 위해 60 millimeter 및 125 millimeter 초점 거리의 렌즈를 키어리(Keary) 배열로 사용합니다. 다음으로, 포인터 빔을 가이드로 사용하여 980 nanometer 스티어링 렌즈를 이곳에 설치하십시오. 각 렌즈는 60 millimeter 초점 거리 마운트를 가지며, 빔 스티어링이 가능하도록 빔 경로의 첫 번째 렌즈는 최소 0.5 inch의 이동 범위가 있는 정밀 X, Y, Z 스테이지 위에 설치합니다.

이제 두 번째 렌즈를 첫 번째 렌즈와 1:1 케리(keary) 배열을 이루도록 배치할 수 있습니다. 이 렌즈는 대물렌즈의 후방 초점면과 광학적으로 공액(conjugated)이 되도록 배치해야 합니다. 홀로그래픽 트랩을 준비하려면 1064 nanometer 레이저를 980 nanometer 빔의 높이와 대략 일치하는 높은 플랫폼 위에 설치하십시오.

레이저 출력단 직후에 반파장판과 편광판을 배치하십시오. 이는 레이저 출력을 수동으로 조절하기 위함입니다. 이 레이저를 위한 빔 확장기를 설치하여 빔 허리(beam waste)가 홀로그램 거울의 대각선 크기와 일치하도록 확장하십시오.

공간이 제한적인 경우, 여기에서는 16 밀리미터 및 175 밀리미터의 짧은 초점 거리 렌즈를 사용하십시오. 이제 레이저 포인터 빔을 사용하여 사용 중인 상용 홀로그래픽 패키지의 일부인 공간 광 변조기(SLM)의 위치를 잡으십시오. 본 실험에서 공간 광 변조기는 대물렌즈의 후초점 평면과 광학적으로 공액(conjugated)되도록 배치해야 합니다.

레이저 포인터 빔의 입사각이 최소가 되도록 배치하되, 반사된 빛이 광학 테이블 위의 모든 하드웨어를 안전하게 비껴가도록 합니다. 1064 nanometer 레이저 빔 확장기 앞에 다른 거울을 배치하여 빛을 공간 광 변조기(spatial light modulator)로 유도합니다. 레이저 포인터의 빛이 빔 확장기 조리개의 중심에 닿는지 확인하십시오.

마지막으로, 공간 광 변조기와 다이크로익 거울 사이에 망원경 렌즈 쌍을 설치하십시오. 이 렌즈들의 초점 거리는 125 mm와 200 mm입니다. 레이저 포인터를 제거하고, 맞춤형 어댑터 마운트를 그대로 두어 거친 정렬 조리개로 사용하십시오.

980 nm 빔만을 사용하여 정렬 확인을 시작하십시오. 적외선 카드 뷰어를 사용하여 980 nm 빔이 맞춤형 어댑터에 있는 조리개의 중심축을 따라 정렬되도록 하십시오. 그런 다음 적외선 카드를 사용하여 1064 nm 빔이 공유 빔 경로를 따라 980 nm 빔과 동일한 지점에 닿는지 확인하십시오.

이 작업이 완료되면, 맞춤형 레이저 포인터 장착 어댑터를 고개구(high numerical aperture) 오일 또는 워터 대물렌즈로 교체하십시오. 다음으로, 홀로그래픽 미러를 끈 상태에서 카메라에 방사형 대칭 간섭 패턴이 나타날 때까지 레이저 빔을 이동시켜 980 nanometer 트랩을 정렬하십시오. 공간 광 변조기와 첫 번째 다이크로익 미러를 사용하여 회절되지 않은(UN DEFRACTED) 1064 nanometer 빔을 이동시킴으로써 1064 nanometer 트랩을 정렬하십시오.

이 예시에서, 두 트랩의 정렬된 이미지는 효율적인 트래핑을 위한 양호한 정렬 상태를 나타내지만, 추가적으로 더 정밀하게 조정할 수 있습니다. 또한 원형의 1064 빔이 사각형 SLM 거울에 닿으면서 발생하는 미세한 수차가 존재하며, 이는 렌즈 정렬을 정밀하게 조정하는 것만으로는 쉽게 제거되지 않습니다. 공간 광 변조기(SLM)의 저작동 빔(underacted beam)에 의해 생성된 트랩을 차단하려면, 이 시스템의 샘플 평면과 공액인 위치의 저작동 광 경로에 작은 불투명 물체를 삽입하십시오.

금속 재질의 직경 100 내지 300 µm 불투명 미세구체를 적외선 투과형 원형 유리 커버 슬립 또는 윈도우에 접착합니다. 이 블록을 렌즈의 공통 초점에 배치하며, 이곳은 샘플 평면과 광학적으로 결합되어 있습니다. 광학 트래핑 빔이 현미경의 무한 공간으로 입사될 경우, 빔 블로커의 위치를 조정하여 추적되지 않는 빛을 차단하거나 모든 빛이 통과하도록 이동시킬 수 있습니다.

조립된 장치 세트를 통해 작업자는 실시간으로 여러 굴절 객체를 포획하고 시야 내의 3차원 모든 방향으로 배치할 수 있습니다. 여기서는 탈이온수에 부유된 마이크로스피어를 포획하여 기기의 홀로그래픽 기능을 보여주며, 빨간색과 초록색 원은 트랩 위치를 나타냅니다. 이 클립에서 초록색은 재배치를 위해 선택된 트랩을 의미하며, 객체가 포획된 후 재생 속도가 빠르게 설정되었습니다. 해당 트랩은 수동으로 재배치됩니다.

최종 배열은 본 실험이 수행된 유타 대학교(University of Utah)의 로고를 묘사하는 11개의 비드로 구성됩니다. 또한 이 시스템은 홀로그래픽 트랩과 기존 트랩을 동시에 사용할 수 있게 합니다. 여기서는 연산자가 정의하고 제어하는 두 줄의 홀로그래픽 트랩이 나타나 있습니다.

두 행 사이에 추가적인 conventional trap이 정의됩니다. 탈이온수에 부유된 Microsphere가 트랩에 의해 결합됩니다. 중앙의 비드는 최대 4.1 micrometers의 공간적 변위로 이동한 후, 동일한 조건에서 원래 위치로 되돌아옵니다.

하지만 중심 비드가 82 µm/s의 속도로 이동할 때, 다음과 같은 프레임 시퀀스가 생성됩니다. 두 번째와 세 번째 이미지에서 모션 블러(motion blur)가 발생하는 점에 유의하십시오. 이 영상을 시청한 후에는 동일한 설정 내에서 독립적인 홀로그래픽 트랩과 일반 트랩을 갖춘 이중 광학 트랩 시스템을 어떻게 배치하고 정렬하는지에 대해 충분히 이해하게 될 것입니다.

고출력 레이저 작업은 매우 위험할 수 있으므로 적절한 보호 안경 착용과 같은 예방 조치를 취해야 함을 잊지 마십시오.