基于带有位相梯度的线光束阵列自动筛选微粒的机理与实验研究

Optical sorting method can realize the accurate manipulation of micro or nano- samples without damaging them, which becomes a research hotspot of the photonics, biological and medical optics, and some other interdisciplines. The efficient, automatic and accurate optical sorting is desired in the research fields of chip-lab. However, the current technologies cannot accept the requirements. The problem needs to be solved. In this project, a novel method is proposed to sort the particles with different properties automatically by the line beam array which possesses phase gradients. First, efficient beam shaping and optimization algorithms of the complex amplitude are designed to generate the line beam array with phase gradients. Then, the forces exerted on the particles and the moving trajectories in the line bean array are analyzed theoretically. Meanwhile, the theoretical model of the optical sorting in the line beam array will be established. Finally, based on the optical tweezers and microfluidic technology, the optical sorting platform will be constructed. The relationship between the sorting efficiency and the power of line beam array are investigated experimentally. The influences of the interval between the line beams, phase gradients of the line beam array and the velocity of the microfluid on the sorting accuracy will be also analyzed. This optical sorting method can be widely applied in the fields of biological medicine, diagnosis, chemical analysis, and so on.

光学筛选法可以实现无接触地、精确地操纵微米、纳米量级样品并对样品不造成损伤，已成为近年来光子学、生物及医学光学等学科交叉研究的热点。微流控芯片实验室等领域要求同时对微流中的大量不同微粒进行高效、自动、精确地筛选，而目前的技术还未真正实现这个要求，亟待解决。本项目提出了一种新颖的基于带有位相梯度线光束阵列的自动筛选不同性质微粒的方法。首先，设计高效的复振幅整形与优化算法，产生带有位相梯度的线光束阵列；然后，理论分析微流在带有位相梯度的线光束阵列中的受力及其运动轨迹，建立微粒自动筛选的理论模型；最后，基于光镊与微流控芯片技术，搭建光学分选平台，并从实验角度测定线光束阵列功率与微粒筛选效率之间的关系，探索线光束之间间隔、线光束位相梯度以及微流流速等对微粒分选准确性的影响。这种光学筛选方法将可以广泛地应用于生物医药、诊断以及化学分析等领域。

光学筛选法可以实现无接触地、精确地操纵微米、纳米量级样品并对样品不造成损伤，已成为近年来光子学、生物及医学光学等学科交叉研究的热点。微流控芯片实验室等领域要求同时对微流中的大量不同微粒进行高效、自动、精确地筛选，而目前的技术还未真正实现这个要求，亟待解决。本项目提出了一种新颖的基于带有位相梯度线光束阵列的自动筛选不同性质微粒的方法。项目进展过程中主要涉及到的研究内容如下：(1)设计了高效的复振幅整形与优化算法，产生带有位相梯度的线光束阵列，并基于光镊与微流控芯片技术，搭建光场调控与光学微操控分选平台；(2)通过修改Helico-concial位相函数，产生了两种带有位相梯度且强度缺口可以调节的螺旋形光束并且基于三维光学微操控系统利用该光束实现了各种类型微粒的导引，并研究了微粒沿不同路径运动过程中的速度特性。(3)基于三元素Thue-Morse数学序列构造了一种新型的轴向具有多个对称焦点的波带片，并利用该类型波带片光束实现了微粒捕获，证实了该类型波带片在多色成像中可以减小像差。(4)研究了部分缺失的Helico-conical位相产生相应的强度部分缺失的Helico-conical光束的轴向自恢复特性。(5)调控螺旋位相产生了一种新型扇形光束，研究了扇形光束阵列的轴向传播自恢复特性以及分数型扇形光束阵列的焦场分布。这种光学筛选方法以及所提出的一些新型光束将可以广泛地应用于生物医药、诊断以及化学分析等领域。