Budowa mikroskopu o wysokiej rozdzielczości z konwencjonalnymi i holograficznymi możliwościami optycznego pułapkowania

W tej procedurze montowany i konfigurowany jest tradycyjny oraz holograficzny układ pułapkowania optycznego. Aby to osiągnąć, należy w pierwszej kolejności wyznaczyć położenie komponentów optycznych, a następnie stabilnie zamontować elementy w odpowiednich miejscach. W kolejnym kroku należy ustawić optykę w sposób umożliwiający pułapkowanie. Ostatnim etapem jest zablokowanie wiązki TED przed lustrem holograficznym.

W rezultacie gotowy system umożliwia jednoczesne pułapkowanie holograficzne i zwykłe. Główną zaletą tej techniki w porównaniu z istniejącymi metodami, takimi jak samo pułapkowanie zwykłe, jest możliwość jednoczesnego pozycjonowania wielu obiektów refrakcyjnych w trzech wymiarach oraz szybkie pomiary manipulacji obiektami. Zazwyczaj osoby rozpoczynające pracę z tą metodą mogą napotkać trudności, ponieważ projektowanie, rozmieszczenie elementów i ich kalibracja mogą być wymagające.

Punktem wyjścia w tym filmie jest ława optyczna z zamontowanym mikroskopem w celu stworzenia pułapki optycznej przy długości fali 980 nanometrów. Należy rozpocząć od użycia jednej z łatwo dostępnych diod laserowych o tej długości fali. Należy wykorzystać laser z regulacją kąta nachylenia (pig tilt), polaryzatorem oraz światłowodem jednomodowym o znanym średnicy pola mody.

Włókno powinno być wystarczająco długie, aby pełnić funkcję filtra modowego, i powinno być zakończone złączem kanałowym z konektorem FCPC lub F-C-A-P-C. Z jednomodowym włóknem optycznym należy obchodzić się ostrożnie, unikając jego skręcania. Należy unieruchomić diodę laserową oraz uchwyt umożliwiający kontrolę mocy i temperatury.

Uchwyt należy przymocować bezpośrednio do stołu optycznego, aby zmaksymalizować pasywne odprowadzanie ciepła. Następnie należy zamontować złącze światłowodowe do optyki kolimującej wiązkę. Należy upewnić się, że wybrany port światłowodowy jest zgodny z średnicą pola modowego diody.

Za pomocą światłowodu typu pigtail przymocuj adapter kolimacyjny do stołu optycznego w odpowiedniej odległości od mikroskopu, aby zapewnić miejsce na prowadzenie wiązki oraz rozmieszczenie pozostałych komponentów. Kolory prętów mogą służyć do ustalenia odstępów między soczewkami w celu zapewnienia stabilnego i powtarzalnego pozycjonowania. Wyreguluj port światłowodowy, aby zapewnić stałą pas wiązki na dystansach porównywalnych z całkowitą drogą wiązki do mikroskopu.

Na drodze wiązki lasera DDE znajduje się pięć luster. Począwszy od lasera dde, zastosowano dwa lustra w celu skierowania wiązki wyjściowej do obudowy mikroskopu. Wiązka musi również przejść przez lustro dichroiczne, które umożliwia niezakłóconą transmisję wiązki diody laserowej pod kątem 45 stopni względem kąta padania.

Na koniec zastosowano dwa dodatkowe lustra dichroiczne z filtrem krótkoprzepustowym, które przepuszczają światło widzialne, ale odbijają bliską podczerwień i zakresy powyżej. Poprowadź wiązkę do wnętrza mikroskopu i na zewnątrz. Przestrzeń nieskończoności jeden znajduje się w obudowie mikroskopu, aby umożliwić regulację luster; należy usunąć obiektyw mikroskopu.

Użyć luster oraz karty do obserwacji podczerwieni, aby skierować wiązkę przez otwór w elemencie montażowym obiektywu. Jeśli wiązka jest przesunięta względem centrum, należy wyregulować lustra, aby skorygować osiowość, tak aby wiązka znajdowała się w centrum. Podczas montażu soczewek zastosowanie systemu klatkowego pozwala na uzyskanie sztywnego zespołu.

Do wstępnego pomiaru odległości między soczewkami wzdłuż prętów klatki przed ich montażem można użyć suwmiarki. Tymczasowo zamontuj czerwony wskaźnik laserowy za pomocą specjalnego adaptera w miejscu obiektywu, tak aby wiązka znajdowała się wzdłuż osi optycznej mikroskopu. Wykorzystaj widoczną wiązkę wskaźnika laserowego, aby umieścić i wstępnie wyrównać ekspander wiązki 980 nanometer.

Układ ten wykorzystuje soczewki o ogniskowych 60 mm i 125 mm w konfiguracji Keary’ego, aby w przybliżeniu dwukrotnie zwiększyć pas waist wiązki. Następnie należy zainstalować soczewki sterujące dla długości fali 980 nm, wykorzystując wiązkę wskaźnikową jako prowadnicę. Każda soczewka posiada uchwyt dla ogniskowej 60 mm; pierwsza soczewka na drodze wiązki znajduje się na precyzyjnej scenie X, Y, Z o zakresie ruchu co najmniej pół cala, co umożliwia sterowanie wiązką.

Drugą soczewkę można teraz ustawić tak, aby stworzyć układ Keery w stosunku jeden do jednego z pierwszą soczewką. Soczewka ta musi zostać ustawiona w taki sposób, aby była sprzężona optycznie z tylną płaszczyzną ogniskową obiektywu. Aby przygotować pułapkę holograficzną, zamontuj laser 1064 nanometer na podwyższonej platformie, mniej więcej na wysokości wiązki 980 nanometer.

Umieść płytkę półfalową i polaryzator bezpośrednio za wyjściem lasera, aby umożliwić ręczną regulację mocy lasera. Zainstaluj rozszerzacz wiązki dla tego lasera w taki sposób, aby pas wiązki został rozszerzony do rozmiaru odpowiadającego przekątnej lustra holograficznego.

W przypadku ograniczonej przestrzeni należy zastosować soczewki o krótkich ogniskowych, odpowiednio 16 mm i 175 mm. Następnie przy użyciu wiązki wskaźnika laserowego należy ustawić modulator światła przestrzennego (SLM), który jest elementem wykorzystywanego komercyjnego zestawu holograficznego. W tym doświadczeniu modulator światła przestrzennego musi zostać ustawiony tak, aby był sprzężony optycznie z tylną płaszczyzną ogniskową obiektywu.

Ustaw go tak, aby wiązka wskaźnika laserowego miała jak najmniejszy kąt padania, ale jednocześnie tak, aby jej odbicie bezpiecznie omijało cały sprzęt znajdujący się na stole optycznym. Umieść kolejne lustro przed rozszerzaczem wiązki lasera 1064 nanometr, aby skierować światło do przestrzennego modulatora światła. Upewnij się, że światło wskaźnika laserowego trafia w środek otworu rozszerzacza wiązki.

Na koniec zainstaluj układ soczewek teleskopowych pomiędzy przestrzennym modulatorem światła a lustrem dichroicznym. Soczewki te mają ogniskowe 125 mm i 200 mm. Usuń wskaźnik laserowy, pozostawiając niestandardowy uchwyt adaptera, który będzie służył jako otwór do wstępnego wyrównania.

Rozpocznij sprawdzanie osiowości, korzystając wyłącznie z wiązki 980 nanometrów. Użyj karty do detekcji podczerwieni, aby ustawić wiązkę 980 nanometrów tak, aby biegła wzdłuż osi środkowej otworu w niestandardowym adapterze. Następnie użyj karty do detekcji podczerwieni, aby upewnić się, że wiązka 1064 nanometrów trafia w te same punkty co wiązka 980 nanometrów wzdłuż ich wspólnej ścieżki.

Po wykonaniu tej czynności należy zastąpić niestandardowy adapter montażowy wskaźnika laserowego obiektywem olejowym lub wodnym o wysokiej aperturze numerycznej. Następnie należy wyrównać pułapkę 980 nanometrów, przesuwając wiązkę lasera, aż na kamerze, przy wyłączonym lustrze holograficznym, pojawi się radialnie symetryczny wzór interferencyjny. Pułapkę 1064 nanometrów należy wyrównać, używając przestrzennego modulatora światła oraz pierwszego lustra dichroicznego do ustawienia NIEDYFRAKCJONEJ wiązki 1064 nanometrów.

W tym przykładzie obraz wyrównany dla obu pułapek wskazuje na prawidłowe ustawienie zapewniające wydajne chwytanie, które jednak można jeszcze bardziej dopracować. Występują również niewielkie aberracje związane z okrągłą wiązką 1064 nm padającą na kwadratowe lustro SLM, których nie da się łatwo wyeliminować poprzez korektę ustawienia soczewek. Aby zablokować pułapkę wytwarzaną przez nieaktywną wiązkę z przestrzennego modulatora światła, należy umieścić mały nieprzezroczysty obiekt na drodze nieaktywnego światła w punkcie sprzężonym z płaszczyzną próbki dla tego układu.

Nieprzezroczysta metalowa mikrosfera o średnicy od 100 do 300 mikronów zostaje przyklejona do okrągłego szkiełka nakrywkowego lub okna wykonanego z materiału przezroczystego dla podczerwieni. Blok ten jest umieszczany w wspólnej ogniskowej soczewek, która jest sprzężona optycznie z płaszczyzną próbki. Jeśli wiązki pułapki optycznej są wprowadzane do przestrzeni nieskończonej mikroskopu, bloker wiązki może zostać ustawiony tak, aby blokować nieśledzone światło, lub przesunięty, aby umożliwić przejście całego światła.

Złożony układ pozwala operatorowi na chwytanie wielu obiektów refrakcyjnych w czasie rzeczywistym i pozycjonowanie ich w trzech wymiarach w polu widzenia. Tutaj możliwości holograficzne instrumentu są zaprezentowane poprzez chwytanie mikrosfer zawieszonych w wodzie dejonizowanej; czerwone i zielone okręgi wskazują pozycje pułapek, przy czym kolor zielony oznacza pułapkę wybraną do zmiany położenia w tym klipie. Odtwarzanie zostaje przyspieszone po schwytaniu obiektu. Położenie jego pułapki jest zmieniane ręcznie.

Ostateczny układ składa się z 11 kuleczek tworzących logo University of Utah, gdzie przeprowadzono ten eksperyment. System umożliwia również jednoczesne wykorzystanie pułapek holograficznych i konwencjonalnych. W tym przypadku operator zdefiniował i kontroluje dwa rzędy pułapek holograficznych.

Pomiędzy dwoma rzędami zdefiniowano dodatkową pułapkę konwencjonalną. Mikrosfery zawieszone w wodzie dejonizowanej są wiązane przez pułapki. Środkowa kulka zostaje przesunięta o maksymalną wartość przestrzenną 4.1 micrometers, a następnie przy tych samych warunkach przywrócona do pierwotnego położenia.

Jednak przy przesunięciu centralnej kulki z prędkością 82 µm/s powstaje następująca sekwencja klatek. Należy zwrócić uwagę na rozmycie ruchu na drugim i trzecim obrazie. Po obejrzeniu tego filmu powinni Państwo posiadać dobrą wiedzę na temat tego, jak rozplanować i wyrównać podwójny system pułapek optycznych z niezależną pułapką holograficzną i zwykłą pułapką w jednej konfiguracji.

Należy pamiętać, że praca z laserami o wysokiej mocy może być niezwykle niebezpieczna, dlatego należy zachować środki ostrożności, takie jak noszenie odpowiednich okularów ochronnych.