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泽尼克多项式校正全息阵列光镊像差的实验研究

刘伟伟 任煜轩 高红芳 孙晴 王自强 李银妹

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泽尼克多项式校正全息阵列光镊像差的实验研究

刘伟伟, 任煜轩, 高红芳, 孙晴, 王自强, 李银妹

Aberrations in holographic array optical tweezers corrected with Zernike polynomials

Liu Wei-Wei, Ren Yu-Xuan, Gao Hong-Fang, Sun Qing, Wang Zi-Qiang, Li Yin-Mei
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  • 像差会影响光镊对粒子的捕获效果. 全息阵列光镊中, 像差不仅来自光学元件, 由特定算法设计的光阱相位片也会在光路中引入像差. 本文通过液晶空间光调制器加载泽尼克多项式相位图, 对全息阵列光镊中由光栅透镜组型算法引起的像差进行校正. 结果显示: 利用三阶泽尼克多项式可有效消除光路中由光栅透镜组型算法引 起的慧差, 使得捕获2 μm聚苯乙烯小球的阵列光阱刚度提高了约40%; 对比不同项的像差校正结果发现, 全息阵列光镊中由算法引起的慧差 与光学元件引起的像差一样, 也会对阵列光阱的捕获效果产生较大影响; 同时根据一阶像差校正结果可得光栅透镜 组型算法对于一阶泽尼克像差具有鲁棒性. 实验结果表明, 对全息阵列光镊中由 算法引起的像差进行校正, 对于提高光阱的捕获效果和深化对算法特性的认识都具有重要意义.
    Aberrations will degrade trapping performance of optical tweezers. In the holographic optical tweezers, aberrations originate not only from optical elements but also from holographic phase hologram of optical traps designed by a certain algorithm. We utilize a spatial light modulator to imprint Zernike polynomials phase hologram for correcting some certain aberrations in holographic array optical tweezers which are caused by grating and lens algorithm. The results show that third-order Zernike term can effectively correct coma due to the algorithm in the optical train, and the trap stiffness for 2 μm microns diameter polystyrene beads can reach 40%. Further comparison between different Zernike term aberration correction effects demonstrates that coma caused by grating and lens algorithm in the holographic array optical tweezer has the same serious influence on tweezer trapping performance as the aberrations originating from optical elements. Meanwhile, based on first-order Zernike term aberration correction results it can be obtained that grating and lens algorithm are robust with first-order Zernike aberrations. The correcting of aberrations for algorithm in holographic optical tweezers has great significance for improving the tweezer trapping performance and deepening the understanding of specific algorithm.
    • 基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 21073174, 20974107, 60974038)资助的课题.
    • Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 21073174, 20974107, 60974038).
    [1]

    Grier D G 2003 Nature 424 810

    [2]

    Garcés-Chávez V, McGloin D, Melville H, Sibbett W, Dholakia K 2002 Nature 419 145

    [3]

    Dufresne E R, Spalding G C, Dearing M T, Sheets S A, Grier D G 2001 Rev. Sci. Instrum. 72 1810

    [4]

    Dufresne E R, Grier D G 1998 Rev. Sci. Instrum. 69 1974

    [5]

    Ren Y X, Li M, Huang K, Wu J G, Gao H F, Wang Z Q, Li Y M 2010 Appl. Opt. 49 1838

    [6]

    Zhang P, Wang S, Liu Y M, Yin X B, Lu C G, Chen Z G, Zhang X 2011 Opt. Lett. 36 3191

    [7]

    Sun J X, Sun Q, Li D X, Lu Z W 2007 Acta Phys. Sin. 56 3900 (in Chinese) [孙金霞, 孙强, 李东熙, 卢振武 2007 物理学报 56 3900]

    [8]

    Merrill J W, Sainis S K, Blawzdziewicz J, Dufresne E R 2010 Soft. Matter 6 2187

    [9]

    Mejean C O, Schaefer A W, Millman E A, Forscher P, Dufresne E R 2009 Opt. Express 17 6209

    [10]

    Sun Q, Ren Y X, Yao K, Li Y M, Lu R D 2011 Chin. J. Lasers 38 109003 (in Chinese) [孙晴, 任煜轩, 姚焜, 李银妹, 卢荣德 2011 中国激光 38 109003]

    [11]

    Gerchberg R W, Saxton W O 1972 Optik 35 237

    [12]

    Deng X G, Li Y, Qiu Y, Fan D Y 1995 Chin. J. Lasers 4 447

    [13]

    Yang G Z, Gu B Y 1981 Acta Phys. Sin. 30 414 (in Chinese) [杨国桢, 顾本源 1981 物理学报 30 414]

    [14]

    Seldowitz M A, Allebach J P, Sweeney D W 1987 Appl. Opt. 26 2788

    [15]

    Georgiou A, Wilkinson T D, Collings N, Crossland W A 2008 J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 10 015306

    [16]

    Kirkpatrik S, Gelatt C D, Vecchi M P 1983 Science 220 671

    [17]

    Bennett A P, Shapiro J L 1994 Phys. Rev. Lett. 72 1305

    [18]

    Leach J, Wulff K, Sinclair G, Jordan P, Courtial J, Thomson L, Gibson G, Karunwi K, Cooper J, Laczik Z J, Padgett M 2006 Appl. Opt. 45 897

    [19]

    López-Quesada C, Andilla J, Martín-Badosa E 2009 Appl. Opt. 48 1084

    [20]

    Roichman Y, Waldron A, Gardel E, Grier D G 2006 Appl. Opt. 45 3425

    [21]

    Wulff K D, Cole D G, Clark R L, DiLeonardo R, Leach J, Cooper J, Gibson G, Padgett M J 2006 Opt. Express 14 4169

    [22]

    Bowman R W, Wright A J, Padgett M J 2010 J. Opt. 12 124004

    [23]

    Zhang P, Zhang Z, Prakash J, Huang S, Hernandez D, Salazar M, Christodoulides D N, Chen Z G 2011 Opt. Lett. 36 1491

    [24]

    Gao H F, Ren Y X, Liu W W, Li Y M 2011 Chin. J. Lasers 38 0404002 (in Chinese) [高红芳, 任煜轩, 刘伟伟, 李银妹 2011 中国激光 38 0404002]

    [25]

    Zhang P, Prakash J, Zhang Z, Mills M S, Efremidis N K, Christodoulides D N, Chen Z G 2011 Opt. Lett. 36 2883

    [26]

    Ren Y X, Wu J G, Chen M, Li H, Li Y M 2010 Chin. Phys. Lett. 27 028703

    [27]

    Grier D G, Roichman Y 2006 Appl. Opt. 45 880

    [28]

    Born M, Wolf E 2006 Principles of Optics (7th Ed.) (Beijing: Electronics Industry Press) p440 (in Chinese) [M波恩, E沃尔夫 2006 光学原理(第七版) (北京: 电子工业出版社) 第440页]

    [29]

    Li Y, Li L, Huang Y F, Liu J G 2009 Chin. Phys. B 18 565

    [30]

    Ren Y X, Wu J G, Zhong M C, Li Y M 2010 Chin. Opt. Lett. 8 170

    [31]

    Song Q B, Wen C, Zhang Y, Wang G F, Ye A P 2008 Chin. Opt. Lett. 6 600

    [32]

    Selhuber U C, Zins I, Schubert O, Sönnichsen C, Oddershede L B 2008 Nano Lett. 8 2998

    [33]

    Richardson A C, Reihani S N S, Oddershede L B 2008 Opt. Express 16 15709

    [34]

    Liao G B, Bareil P B, Sheng Y L, Chiou A 2008 Opt. Express 16 1996

    [35]

    Ren Y X, Wu J G, Li Y M 2011 In: Mordechai S ed. Applications of Monte Carlo Method in Science and Engineering (Rijeka: Intech) p21

    [36]

    Dienerowitz M, Gibson G, Bowman R, Padgett M 2011 Opt. Express 19 24589

  • [1]

    Grier D G 2003 Nature 424 810

    [2]

    Garcés-Chávez V, McGloin D, Melville H, Sibbett W, Dholakia K 2002 Nature 419 145

    [3]

    Dufresne E R, Spalding G C, Dearing M T, Sheets S A, Grier D G 2001 Rev. Sci. Instrum. 72 1810

    [4]

    Dufresne E R, Grier D G 1998 Rev. Sci. Instrum. 69 1974

    [5]

    Ren Y X, Li M, Huang K, Wu J G, Gao H F, Wang Z Q, Li Y M 2010 Appl. Opt. 49 1838

    [6]

    Zhang P, Wang S, Liu Y M, Yin X B, Lu C G, Chen Z G, Zhang X 2011 Opt. Lett. 36 3191

    [7]

    Sun J X, Sun Q, Li D X, Lu Z W 2007 Acta Phys. Sin. 56 3900 (in Chinese) [孙金霞, 孙强, 李东熙, 卢振武 2007 物理学报 56 3900]

    [8]

    Merrill J W, Sainis S K, Blawzdziewicz J, Dufresne E R 2010 Soft. Matter 6 2187

    [9]

    Mejean C O, Schaefer A W, Millman E A, Forscher P, Dufresne E R 2009 Opt. Express 17 6209

    [10]

    Sun Q, Ren Y X, Yao K, Li Y M, Lu R D 2011 Chin. J. Lasers 38 109003 (in Chinese) [孙晴, 任煜轩, 姚焜, 李银妹, 卢荣德 2011 中国激光 38 109003]

    [11]

    Gerchberg R W, Saxton W O 1972 Optik 35 237

    [12]

    Deng X G, Li Y, Qiu Y, Fan D Y 1995 Chin. J. Lasers 4 447

    [13]

    Yang G Z, Gu B Y 1981 Acta Phys. Sin. 30 414 (in Chinese) [杨国桢, 顾本源 1981 物理学报 30 414]

    [14]

    Seldowitz M A, Allebach J P, Sweeney D W 1987 Appl. Opt. 26 2788

    [15]

    Georgiou A, Wilkinson T D, Collings N, Crossland W A 2008 J. Opt. A: Pure Appl. Opt. 10 015306

    [16]

    Kirkpatrik S, Gelatt C D, Vecchi M P 1983 Science 220 671

    [17]

    Bennett A P, Shapiro J L 1994 Phys. Rev. Lett. 72 1305

    [18]

    Leach J, Wulff K, Sinclair G, Jordan P, Courtial J, Thomson L, Gibson G, Karunwi K, Cooper J, Laczik Z J, Padgett M 2006 Appl. Opt. 45 897

    [19]

    López-Quesada C, Andilla J, Martín-Badosa E 2009 Appl. Opt. 48 1084

    [20]

    Roichman Y, Waldron A, Gardel E, Grier D G 2006 Appl. Opt. 45 3425

    [21]

    Wulff K D, Cole D G, Clark R L, DiLeonardo R, Leach J, Cooper J, Gibson G, Padgett M J 2006 Opt. Express 14 4169

    [22]

    Bowman R W, Wright A J, Padgett M J 2010 J. Opt. 12 124004

    [23]

    Zhang P, Zhang Z, Prakash J, Huang S, Hernandez D, Salazar M, Christodoulides D N, Chen Z G 2011 Opt. Lett. 36 1491

    [24]

    Gao H F, Ren Y X, Liu W W, Li Y M 2011 Chin. J. Lasers 38 0404002 (in Chinese) [高红芳, 任煜轩, 刘伟伟, 李银妹 2011 中国激光 38 0404002]

    [25]

    Zhang P, Prakash J, Zhang Z, Mills M S, Efremidis N K, Christodoulides D N, Chen Z G 2011 Opt. Lett. 36 2883

    [26]

    Ren Y X, Wu J G, Chen M, Li H, Li Y M 2010 Chin. Phys. Lett. 27 028703

    [27]

    Grier D G, Roichman Y 2006 Appl. Opt. 45 880

    [28]

    Born M, Wolf E 2006 Principles of Optics (7th Ed.) (Beijing: Electronics Industry Press) p440 (in Chinese) [M波恩, E沃尔夫 2006 光学原理(第七版) (北京: 电子工业出版社) 第440页]

    [29]

    Li Y, Li L, Huang Y F, Liu J G 2009 Chin. Phys. B 18 565

    [30]

    Ren Y X, Wu J G, Zhong M C, Li Y M 2010 Chin. Opt. Lett. 8 170

    [31]

    Song Q B, Wen C, Zhang Y, Wang G F, Ye A P 2008 Chin. Opt. Lett. 6 600

    [32]

    Selhuber U C, Zins I, Schubert O, Sönnichsen C, Oddershede L B 2008 Nano Lett. 8 2998

    [33]

    Richardson A C, Reihani S N S, Oddershede L B 2008 Opt. Express 16 15709

    [34]

    Liao G B, Bareil P B, Sheng Y L, Chiou A 2008 Opt. Express 16 1996

    [35]

    Ren Y X, Wu J G, Li Y M 2011 In: Mordechai S ed. Applications of Monte Carlo Method in Science and Engineering (Rijeka: Intech) p21

    [36]

    Dienerowitz M, Gibson G, Bowman R, Padgett M 2011 Opt. Express 19 24589

  • [1] 喻欢欢, 张晨爽, 林丹樱, 于斌, 屈军乐. 基于高速相位型空间光调制器的双光子多焦点结构光显微技术. 物理学报, 2021, 70(9): 098701. doi: 10.7498/aps.70.20201797
    [2] 邓万涛, 赵刚, 夏惠军, 张茂, 杨艺帆. 非相干合成阵列激光倾斜像差校正方法. 物理学报, 2019, 68(23): 234205. doi: 10.7498/aps.68.20190961
    [3] 白云鹤, 臧瑞环, 汪盼, 荣腾达, 马凤英, 杜艳丽, 段智勇, 弓巧侠. 基于空间光调制器的非相干数字全息单次曝光研究. 物理学报, 2018, 67(6): 064202. doi: 10.7498/aps.67.20172127
    [4] 莫军, 冯国英, 杨莫愁, 廖宇, 周昊, 周寿桓. 基于石墨烯的宽带全光空间调制器. 物理学报, 2018, 67(21): 214201. doi: 10.7498/aps.67.20180307
    [5] 周宏强, 万玉红, 满天龙. 基于位相变更的非相干数字全息自适应成像. 物理学报, 2018, 67(4): 044202. doi: 10.7498/aps.67.20172202
    [6] 席思星, 王晓雷, 黄帅, 常胜江, 林列. 基于扭曲向列液晶空间光调制器的矢量光生成. 物理学报, 2015, 64(11): 114204. doi: 10.7498/aps.64.114204
    [7] 周琦, 陆俊发, 印建平. 可控双空心光束的理论方案及实验研究. 物理学报, 2015, 64(5): 053701. doi: 10.7498/aps.64.053701
    [8] 冯驰, 常军, 杨海波. 双小凹光学成像系统设计. 物理学报, 2015, 64(3): 034201. doi: 10.7498/aps.64.034201
    [9] 夏军, 常琛亮, 雷威. 基于液晶空间光调制器的全息显示. 物理学报, 2015, 64(12): 124213. doi: 10.7498/aps.64.124213
    [10] 赵冠凯, 刘军, 李儒新. 基于多光子脉冲内干涉相位扫描法对飞秒激光脉冲进行相位测量和补偿的研究. 物理学报, 2014, 63(16): 164207. doi: 10.7498/aps.63.164207
    [11] 周巧巧, 徐淑武, 陆俊发, 周琦, 纪宪明, 印建平. 液晶空间光调制器产生可调三光学势阱. 物理学报, 2013, 62(15): 153701. doi: 10.7498/aps.62.153701
    [12] 徐淑武, 周巧巧, 顾宋博, 纪宪明, 印建平. 用空间光调制器产生三维光阱阵列 . 物理学报, 2012, 61(22): 223702. doi: 10.7498/aps.61.223702
    [13] 顾宋博, 徐淑武, 陆俊发, 纪宪明, 印建平. 用液晶空间光调制器产生光阱阵列. 物理学报, 2012, 61(15): 153701. doi: 10.7498/aps.61.153701
    [14] 郑华东, 于瀛洁, 代林茂, 王涛. 彩色全息显示中液晶空间光调制器位相调制偏差的矫正方法. 物理学报, 2010, 59(9): 6145-6151. doi: 10.7498/aps.59.6145
    [15] 于瀛洁, 王涛, 郑华东. 基于数字闪耀光栅的位相全息图光电再现优化. 物理学报, 2009, 58(5): 3154-3160. doi: 10.7498/aps.58.3154
    [16] 蔡冬梅, 凌 宁, 姜文汉. 纯相位液晶空间光调制器拟合泽尼克像差性能分析. 物理学报, 2008, 57(2): 897-903. doi: 10.7498/aps.57.897
    [17] 孙金霞, 孙 强, 李东熙, 卢振武. 利用衍射光学元件进行共形整流罩像差校正的研究. 物理学报, 2007, 56(7): 3900-3905. doi: 10.7498/aps.56.3900
    [18] 位恒政, 张志刚, 陈盛华, 柴路, 王清月. 液晶空间光调制器在飞秒脉冲色散补偿中的应用. 物理学报, 2004, 53(5): 1391-1395. doi: 10.7498/aps.53.1391
    [19] 杨文正, 杨 青, 陈 烽, 冯晓强, 侯 洵. 基于细菌视紫红质薄膜的空间光调制器实验研究. 物理学报, 2003, 52(3): 761-766. doi: 10.7498/aps.52.761
    [20] 李乙钢, 郭 儒, 金 鹏, 潘士宏. 光折变多量子阱光学寻址空间光调制器的理论分析. 物理学报, 1999, 48(9): 1682-1690. doi: 10.7498/aps.48.1682
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出版历程
  • 收稿日期:  2012-01-05
  • 修回日期:  2012-03-11
  • 刊出日期:  2012-09-05

泽尼克多项式校正全息阵列光镊像差的实验研究

  • 1. 中国科学技术大学光学与光学工程系, 合肥 230026;
  • 2. 合肥微尺度物质科学国家实验室, 合肥 230026
    基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 21073174, 20974107, 60974038)资助的课题.

摘要: 像差会影响光镊对粒子的捕获效果. 全息阵列光镊中, 像差不仅来自光学元件, 由特定算法设计的光阱相位片也会在光路中引入像差. 本文通过液晶空间光调制器加载泽尼克多项式相位图, 对全息阵列光镊中由光栅透镜组型算法引起的像差进行校正. 结果显示: 利用三阶泽尼克多项式可有效消除光路中由光栅透镜组型算法引 起的慧差, 使得捕获2 μm聚苯乙烯小球的阵列光阱刚度提高了约40%; 对比不同项的像差校正结果发现, 全息阵列光镊中由算法引起的慧差 与光学元件引起的像差一样, 也会对阵列光阱的捕获效果产生较大影响; 同时根据一阶像差校正结果可得光栅透镜 组型算法对于一阶泽尼克像差具有鲁棒性. 实验结果表明, 对全息阵列光镊中由 算法引起的像差进行校正, 对于提高光阱的捕获效果和深化对算法特性的认识都具有重要意义.

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