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西安交大科研团队提出轴平面光学捕获与成像技术


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2020-03-03

光镊(Optical tweezers)利用光与物质相互作用过程中的动量传递来实现对多种微观粒子的光学操控,具有非机械接触、低损伤和高精度等特点,被广泛应用于生命科学、物理化学和气溶胶科学等学科的研究。2018年,光镊的发明人A. Ashkin教授因光镊在生命科学研究领域的应用而被授予了诺贝尔物理学奖。然而,光镊的发展面临着一些突出的问题,例如如何捕获更小的粒子、如何实现更大的操控范围等。虽然在焦平面(X-Y)上的二维光镊研究已经取得了丰硕的成果,但仍存在巨大的空间来提高其在沿光轴(Z)方向的捕获与操控能力。实现大范围的轴向捕获对于在三维空间研究胶体粒子的相互作用、细胞特性等许多工作具有重要的科学意义。

针对上述问题,西安交通大学理学院雷铭教授团队提出轴平面光学捕获与成像技术,打破了传统光学捕获技术的操控范围局限在焦平面附近的限制,首次实现了轴平面(X-Z)全息光镊动态操控多粒子的功能,极大地提升了光镊在三维空间操控粒子的能力。为了实现高效率的轴平面光学捕获,研究团队首次提出了基于轴平面傅里叶变换的轴平面Gerchberg-Saxton(GS)算法,可以在轴平面快速产生高质量光阱阵列。研究团队实验证明了该技术在研究贝塞尔光束、艾里光束等无衍射光束的捕获特性方面的巨大潜力,实现了在沿弯曲路径传播的蛇形光束中粒子的光学输运。

该研究成果以《轴平面同时光学捕获与成像:最新进展综述》(Simultaneous optical trapping and imaging in the axial plane: a review of current progress)为题、以关键问题综述(Key Issue Review)的形式发表在物理类国际顶级期刊《物理学进展报告》(Reports on Progress in Physics)(影响因子:16.62)。论文首先分析了传统光学捕获技术的局限,综述了获取轴向信息的常用方法和实现轴平面多光阱的常用算法,详细介绍了研究团队在轴平面光学捕获与成像方面所取得的重要研究成果,最后讨论了该研究成果在多个研究领域的潜在应用。

《物理学进展报告》是英国物理学会旗下涵盖物理学所有分支的顶级期刊。西安交通大学为论文第一单位。论文第一作者为西安交通大学理学院新讲师梁言生博士,通讯作者为西安交通大学理学院雷铭教授,中国科学院西安光学精密机械研究所的姚保利研究员(共同通讯作者)和严绍辉研究员(共同第一作者)等参与了研究工作。研究工作得到了国家自然科学基金项目、西安交通大学“中央高校建设世界一流大学(学科)和特色发展引导专项资金、西安交通大学青年拔尖人才计划项目的支持。

雷铭教授长期从事于光学捕获与超分辨光学显微成像技术及其在生物学中的应用研究,所研制的全息光镊系统和结构光照明超分辨显微镜具有国际领先水平,与国内外多家科研机构开展了研究合作,更多内容可参见雷铭教授团队主页:http://gr.xjtu.edu.cn/web/ming.lei

论文链接:https://doi.org/10.1088/1361-6633/ab7175