Оптическое улавливание - это техника, способная обездвиживать и манипулировать небольшими объектами в трех измерениях с помощью оптических сил. Он нашел применение во многих областях, включая преобразование силы, оптическую спектроскопию и оптическую сборку.
В том числе, благодаря своей замечательной способности иммобилизовывать микро- и наночастицы в трех измерениях мягким способом с минимальным ущербом. Метод оптического захвата способствовал революционному прогрессу в биологии одиночных частиц и одиночных молекул.
Оптическая ловушка формирует восстанавливающее оптическое силовое поле для иммобилизации и манипулирования крошечными объектами. Волоконно-оптическая ловушка способна создавать восстанавливающее оптическое силовое поле, используя один или несколько кусков оптического волокна, и это значительно упрощает оптическую настройку, удаляя громоздкие оптические компоненты, такие как объективы микроскопа, из рабочего пространства.
Он также наследует другие основные преимущества оптических волокон: гибкость формы, устойчивость к помехам и высокая степень интеграции с волоконно-оптическими системами и встроенными устройствами.
Ключом к реализации оптического захвата частицы является создание восстанавливающего оптического силового поля в пространстве. В 1970 году Артур Ашкин впервые продемонстрировал ловушку «радиационного давления», основанную на балансе сил рассеяния от двух встречно распространяющихся лазерных лучей.
Позднее, в 1986 году, Эшкин разработал градиентную оптическую ловушку, более известную как однолучевой оптический пинцет, для которого требуется только один высокофокусированный лазерный луч. В обычных установках оптического захвата громоздкие оптические элементы обычно требуются для формирования плотного фокуса или соединения с микро- / нанофотонными структурами.
Волоконно-оптические системы могут обеспечить гибкую альтернативу с низкой сложностью для оптического захвата. Волоконно-оптические реализации двух вышеупомянутых основных форм оптических ловушек были разработаны в 1993 г. (двухволновая ловушка для волокон, эквивалентная ловушке «радиационного давления») и 1997 г. (ловушка для градиента одиночного волокна).
С тех пор исследователи все чаще используют оптические волокна в конструкции оптических ловушек. Волоконно-оптические ловушки (FOTs) быстро привлекают инновации, внедряющиеся в области исследований оптического захвата, многие новые функции, первоначально разработанные для обычной установки захвата, включая угловой пинцет, плазмонное захватывание наночастиц и голографическую микроманипуляцию, были воспроизведены с использованием FOT.
Кроме того, в FOT реализованы функции, которые не доступны напрямую в обычных установках. Например, ловушка с полыми сердечниками из фотонно-кристаллического волокна позволяет переносить «летящую частицу» в ее полой сердцевине на расстояние в несколько метров (теоретически, с возможностью расширения до километров). Такая возможность доставки частиц на большие расстояния невозможна в обычных оптических ловушках.
Рассеяние и градиент силы
Оптические силы обычно находятся на пико- или фемто-ньютоновском уровне с типичной входной мощностью в диапазоне от нескольких до десятков милливатт. Эта сила традиционно разлагается на две составляющие: силу рассеяния, «отталкивающую» силу вдоль направления распространения света и силу градиента, «силу притяжения» вдоль градиента оптической интенсивности.
В общем, оба типа сил существуют в оптической ловушке, а восстанавливающее силовое поле является результатом баланса двух.
Тем не менее, оптические восстанавливающие силовые поля для более крупных захваченных частиц имеют качественно сходные механизмы, и точная формулировка, по существу, включает в себя интеграцию рассеивающих и градиентных сил, действующих на объемные элементы более крупных частиц.
Волоконно-оптические ловушки
Оптическое волокно обеспечивает недорогую, надежную, универсальную и коммерчески зрелую платформу для многих приложений. Комбинация оптического волокна с оптическими ловушками уменьшает использование громоздких оптических инструментов, обеспечивая компактное, гибкое решение в рабочей зоне, тем самым продвигая принципиально новые приложения.
За последние несколько десятилетий оптические волокна добились больших достижений во многих областях, включая оптическую связь, зондирование и формирование изображений. FOTs обеспечивают более гибкий и надежный инструмент оптических манипуляций при низких затратах. Метод FOT продолжает вносить важный вклад в междисциплинарные области, такие как биофотоника и квантовые коммуникации. Два примера предполагаемых будущих применений FOT.
Приложения In-Vivo
Если назвать одно наиболее важное применение оптического захвата микро- / наночастиц, то это будет область биологических исследований. Техника оптического захвата позволила революционно развить биомолекулярную биологию. Лучшая техника визуализации клеток была также разработана с помощью оптических манипуляций, добавляя важные части в клеточную биологию.
Обычные установки изначально созданы для исследований in vitro. Только несколько демонстраций улавливания биологических образцов выполняются in vivo, но в экспериментальной среде действуют строгие ограничения - это должно быть сделано в очень поверхностном месте живого субъекта, например в кровеносном капилляре в ухе мыши. Биологам очень интересно иметь возможность проводить исследования in vivo, в которых могут быть получены общие результаты эксперимента.
FOT является наиболее подходящим вариантом для проведения экспериментов по отлову in vivo с использованием эндоскопической установки. Для создания FOT, способного эффективно проводить биологические эксперименты in vivo, предположительно есть две основные проблемы, которые необходимо преодолеть:
Методы зондирования / визуализации in vivo. Сбор данных будет сложной задачей, так как обычные методы микроскопии становятся недоступными in vivo. Методы эндоскопической визуализации на основе волокон, такие как волоконно-оптическая флуоресцентная визуализация, могут быть включены в FOT и стать решением.
Тем не менее, методы исследования / визуализации без меток, особенно рамановская спектроскопия], востребованы в исследованиях in vivo. Существующая техника улучшения комбинационного рассеяния, такая как поверхностное и усиленное комбинационное рассеяние, должна интегрироваться с волоконно-оптической системой и оценивать биологическую токсичность из-за использования тяжелых металлов.
Методы захвата без привязи. Большинство биологических экспериментов с одной молекулой основаны на привязывании биологических молекул, включая белок, ДНК и РНК, к микросфере. Ожидается, что подготовка образца к привязыванию является трудной, если не невозможной, внутренней частью живого объекта.
Кроме того, микрочастица может вносить помехи в определенные функциональные области биомолекул. По этим причинам для эндоскопа было бы полезно разработать методы прямой манипуляции и контроля для отдельных молекул без привязи.
Однофотонные источники
Единственный источник фотонов (SPS), основной элемент квантовой информатики, является еще одним потенциальным применением FOT. FOT сможет одновременно решить две проблемы в разработке SPS: (1) точность менее 10 нм, требуемая при изготовлении, и (2) интеграция всех волокон. Преимущество FOT в интеграции всех волокон в значительной степени и это очевидно.
Плазмонные FOT способны осуществлять ультраточный контроль как для положения, так и для ориентации одного излучателя в наноантенне. Плазмонные ловушки могут иметь область захвата размером менее 10 нм, а область возбуждения в сильном локальном поле совпадает с областью захвата, что делает ловушку бифункциональной.
Поляризация излучателя также естественным образом выравнивается с электрическим полем в ловушке (эта особенность оптической ловушки приводит к появлению углового оптического пинцета). Дальнейшая работа необходима для того, чтобы металлические наноструктуры в ФОТ функционировали как наноантенны для достижения требуемой связи ближнего поля / дальнего поля.
FOT - это тонкие, гибкие, надежные варианты оптических ловушек. Комбинация с различными методами изготовления и специальными волокнами проложила путь к получению более продвинутых функций манипуляций. Волоконно-оптические ловушки создают более широкую арену действий и требуют интеграции этой дисциплины в соседствующие области для изучения будущих разработок.