Demonstraní jednotka laserové pinzety s prostorovým modulátorem svtla

Transkript

1 Projekt MPO v programu TANDEM ev.. FT-TA2/059 Název projektu: Nositel projektu: Systémy pro generaci nedifrakních svazk a penos mechanických úink svtla Meopta optika, s.r.o. Dokumentace dílího úkolu I : Demonstraní jednotka laserové pinzety s prostorovým modulátorem svtla ešitelské pracovišt: Katedra optiky PF UP v Olomouci

2 Obsah: 1. Úvod 2. Princip innosti dynamické holografické laserové pinzety 3. Základní pracovní jednotky systému 4. Princip prostorové modulace svtla a metodika návrhu poítaem generovaných hologram 5. Návrh základní experimentální sestavy a parametr optických komponent 6. Základní pracovní funkce laserové pinzety a demonstrace experimentálních výsledk 7. Popis uživatelského software 8. Ovládání programu Camera

3 Seznam píloh: Píloha 1 V. Kollárová, Rozmrový návrh pro symetrizaci svazku laserové diody Sony, pracovní seminá projektu, Brno Píloha 2 Z. Bouchal, Prostorová modulace svtla, pracovní seminá projektu, Olomouc Píloha 3 R. elechovský, Z. Bouchal, Optické manipulace s využitím prostorového modulátoru svtla, pracovní seminá projektu, Olomouc Píloha 4 Spatial Light Modulators, Boulder Nonlinear Systems 2007.

4 1. Úvod Dílím úkolem, ešeným v rámci projektu FT-TA2/059 na UP v Olomouci, byl návrh a experimentální realizace laserové pinzety, která pracuje v souinnosti s poítaem ovládaným prostorovým modulátorem svtla. Smluvn stanoveným výstupem úkolu je demonstraní jednotka, která umožní ovení dynamicky provádných optických manipulací ovládaných uživatelsky pístupným software. Dokumentace, která byla k této demonstraní jednotce zpracována, informuje o principu innosti, metodice návrhu, pracovních funkcích a o ídícím software realizované laserové pinzety. Dokumentace je vytvoena jako zpráva, která využívá a komentuje dostupnou odbornou literaturu a podklady vytvoené v prbhu ešení projektu. 2. Princip innosti dynamické holografické laserové pinzety Laserová pinzeta je zaízení, které umožuje zachycení a manipulaci hmotných objekt mikrometrových, pípadn nanometrových rozmr pomocí optického záení. Optická past, ve které je ástice zachycena, vyžaduje prostorovou lokalizaci elektromagnetické energie v objemu nkolika kubických mikrometr. V souasné dob existuje široká škála systém, které mají rozdílné principy, technická ešení i možnosti využití (historický vývoj a nové trendy jsou shrnuty v [1]). Podle metod, kterými jsou optické pasti vytváeny, lze rozlišit nkolik základních typ laserové pinzety: - laserová pinzeta s pímou fokusací svtla, - laserová pinzeta s navigací svazku, - dynamická holografická laserová pinzeta (DHLP). U laserové pinzety s pímou fokusací svtla je optická past vytvoena pomocí laserového svazku s gaussovským profilem intenzity, který je kolimován a následn oste fokusován mikroskopovým objektivem. Celá setava obvykle odpovídá invertovanému mikroskopu. Takto vytvoená past je statická, pemístní zachycené ástice vzhledem k jejímu okolí lze provést posuvem stolku, na kterém je umístn preparát. U systému s navigací svazku je pemístní zachycené ástice realizováno posuvem pasti. Toho je dosaženo skanováním svazku pomocí dmyslných opticko-mechanických nebo elektro-optických systém. DHLP, jejíž návrh je ešen v rámci projektu, poskytuje zejm nejvyšší variabilitu optických manipulací. Pro vytváení optických pastí je v tomto pípad využito prostorového modulátoru svtla (PMS), který moduluje fázi vstupního laserového svazku. PMS je elektrooptický systém, který je tvoen maticí kapalných krystal, které mohou lokáln ovlivovat fázi vstupního záení. Fázové zmny jsou realizovány s využitím elektro-optického jevu, který je ízen signálem z poítae. Prostorová struktura fázových zmn je urena poítaem generovaným hologramem, který je odeslán na PMS. Použití PMS pro optické manipulace bylo poprve popsáno v práci [2]. Vzhledem k tomu, že s využitím PMS lze vytváet v ase promnné optické pasti pomocí poítaem generovaných hologram, byl pro tento systém použit název Dynamická Holografická Laserová Pinzeta. Hlavním pínosem DHLP je variabilita pracovních funkcí, které mže pi optických manipulacích zabezpeit. Jedná se zejména o následující innosti: - vytváení jednoduchých pastí cílen umístných v 3D prostoru, - skokové pemísování (skanování) optické pasti s frekvencí omezenou opakovací frekvencí PMS, - rozštpení vstupního svazku do libovolného potu optických pastí s požadovaným prostorovým rozmístním (v praxi je poet pastí omezen výkonem svazku), - spojité pemísování zachyceného objektu podél požadované trajektorie,

5 - možnost nezávislého tvarování jednotlivých optických pastí mohou vznikat i vírové struktury, které umožují penos orbitálního momentu hybnosti. Nevýhody systému DHLP mají pímou souvislost s použitím PMS: - pomrn vysoká cena (závisí zejména na typu použitého PMS), - nízká energetická úinnost (je urena parametry použitého PMS a zpsobem vytváení poítaem generovaných hologram). Blokové schéma DHLP navržené a realizované v rámci projektu je znázornno v obr. 1. Laserové záení je upraveno optickým systémem I, který provede prostorovou filtraci a kolimaci. Svazek je následn transformován fázovým PMS, na který je z PC odeslán hologram zabezpeující požadované rozložení intenzity ve výstupním svazku. Optickým systém II se provádí odstranní parazitního svtla, které se objevuje v nežádoucích difrakních ádech vytvoených periodickou strukturou PMS. Svazek je zaveden do invertovaného mikroskopu, který v pracovním vzorku vytváí optickou past jejíž poloha a tvar jsou definovány hologramem vytvoeným na PMS. Živý obraz vzorku vytvoený CCD kamerou je penesen do PC, kde je pekryt transparentním oknem uživatelského software. Toto okno slouží pro zadání parametr optických pastí, které mají být vytvoenÿ. Uživatelsky orientovaný software souasn slouží i k nastavení parametr laseru a PMS. Laser Optický systém I Prostorový modulátor svtla (PMS) Optický systém II Invertovaný mikroskop Ovládání parametr Dynamický penos hologram Penos živého obrazu CCD Obr. 1 Blokové schéma dynamické holografické laserové pinzety pracující v souinnosti s fázovým prostorovým modulátorem svtla.

6 3. Základní pracovní jednotky systému Systém DHLP sestává z nkolika podsystém, jejichž innost a parametry musí být vzájemn pizpsobeny. Za základní souásti systému lze považovat laser, kolimaní optický systém, PMS, 4-f optický systém, invertovaný mikroskop, osvtlovací systém a CCD kameru. innost systému dále vyžaduje software pro vytváení fázových hologram pro PMS a uživatelsky orientovaný software pro ízení pracovních funkcí DHLP a ovládání parametr laseru, PMS a CCD kamery. Souásti použité v demonstraní jednotce DHLP: Laser Vzhledem k relativn nízké úinnosti PMS je nutné jako zdroj volit laser s dostateným výkonem. V první etap ešení projektu, kdy byly provádny experimenty ovující funkci PMS byl využíván He-Ne laser (632 nm, 15 mw). V dalších etapách zamených na skutené zachycení a manipulaci mikroástic byl využíván laser Verdi V2 (532 nm, maximální výkon 2 W). Pro plánované experimenty byla výhodná možnost ladní výkonu laseru (u vícenásobných optických pastí musí výkon vstupního svazku narstat s potem vytváených pastí). Kolimaní optický systém (optický systém I) Svazek vyzáený laserem je nutné prostorov filtrovat a rozšíit tak, aby optimáln zaplnil úinnou plochu PMS. Úprava svazku byla provádna pomocí kompaktního prostorového filtru Thorlabs, který sestává s mikroobjektivu a výmnné clony umístnné na mikroposuvech. Jako výhodnjší zpsob prostorové filtrace se osvdilo navázání laserového svazku do jednomódového vlákna. Ve spolupráci s Meoptou byl ešen osvtlova, který využívá svazku laserové diody. V tomto pípad musí být optický systém navržen tak, aby odstranil elipticitu a astigmatismus svazku. Základní varianty systému byly navrženy na UP v Olomouci. Hlavní výsledky jsou uvedeny v Píloze 1 a diplomové práci [3]. Meopta-optika pak provedla návrh systému optimalizovaný pro souinnost s generátorem nedifrakních svazk a vyrobila funkní vzorky osvtlovae. Svazek laserové diody symetrizovaný osvtlovaem mže být využit i pro osvtlení PMS v systému DHLP. Fázový prostorový modulátor svtla Klíovou souástí demonstraní jednotky DHLP je fázový PMS firmy Boulder Nonlinear Systems. Jedná se o reflexní PMS, jehož aktivní plocha obsahuje 512x512 pixel. Podrobné informace o innosti systému jsou uvedeny v [4]. Specifikace základních parametr je v Tab. 1. Z pohledu využití v DHLP je klíovým parametrem PMS rozte pixel, která uruje úhlový odstup jednotlivých difrakních ád vytvoených jeho periodickou strukturou. Ta je tvoena transparentními bukami kapalných krystal oddlených pro svtlo nepropustnými oblastmi. Tato struktura tedy tvoí binární amplitudovou mížku, na které svtlo difraktuje do smr které jsou vzhledem ke smru dopadající vlny ureny úhly Θ m = m λ/λ, kde m=0,1,2... je difrakní ád, λ je vlnová délka a Λ rozte pixel. Tento úhlový odstup vymezuje možnou šíku úhlového spektra optického signálu, který je vytváen PMS. Úhlová šíka spektra je nepímo úmrná jemnosti detail, které signál penáší. Rozte pixel tedy uruje rozlišovací mez optického systému ve kterém je PMS použit. Podrobnjší diskuse je v Roní zpráv za rok 2006 a v diplomových pracech [5, 6], které vznikly v souvislosti s ešením projektu. Dalším významným parametrem je difrakní úinnost v nultém ádu, která íká jaké jsou nejmenší možné ztráty výkonu svazku pi prostorové modulaci. Ty odpovídají ztrátám vypnutého modulátoru (u použitého fázového PMS je to podle výrobce 61.5 %). Výsledná úinnost je vždy nižší, protože další ztráty vznikají na poítaem generovaném hologramu,

7 který uruje požadované nastavení zmny fáze na jednotlivých pixelech. Velikost ztrát je závislá na typu hologramu. V teoretickém pípad ideální blejzované fázové mížky je její úinnost 100 % a smruje veškerý svtelný výkon do jediného difrakního ádu (obr. 2a ). Zpsob penesení hologramu na PMS ale vede vždy k realizaci stupovité blejzované mížky (obr. 2b) jejíž úinnost je nižší a závisí na potu fázových skok vytvoených na period mížky. V reálných pípadech je tak výsledná úinnost fázového PMS pibližn 50 %. Energetická úinnost byla diskutována na pracovních semináích projektu (Píloha 2 a 3 této zprávy), v práci [7] a podrobnji je rozebrána v diplomové práci [5]. Tab. 1 Parametry fázových PMS firmy Boulder Nonlinear Systems (použitý byl model P512) Obr. 1 Fázový PMS Boulder 512x512 pixel. Dalším významným parametrem PMS je fázový zdvih. Ten je závislý na pracovní vlnové délce a výrobce ho nastavuje podle požadavku uživatele. V pípad PMS užívaného na Katede optiky UP byl nastaven maximální pracovní zdvih 2π pro vlnovou délku He-Ne

8 laseru 632 nm. Po zahájení experiment s laserem Verdi V2 o vlnové délce 532 nm bylo nutné provést kalibraci PMS. Na nastavení maximálního pracovního fázového zdvihu závisí správná funkce a zejména energetická úinnost PMS. Podrobnjší analýza vlivu zmny fázového zdvihu je v Píloze 2 a 3 a v práci [5]. (a) (b) (c) Obr. 2 Znázornní difrakních ád, které vzniknou na: (a) ideální blejzované fázové mížce, (b) reálné stupovité blejzované mížce a (c) struktue prázného (vypnutého) modulátoru (odpovídá amplitudové binární mížce). Optický systém pro filtraci fázov modulovaného svazku (optický systém II) Poítaem generovaný hologram penesený na PMS zpsobí požadovanou transformaci vstupního svazku. Souasn ale dochází v dsledku difrakce na periodické struktue k rozložení energie vstupního svazku do vedlejších difrakních ád které se dále nevyužívají a je teba je odstranit. K tomuto úelu se dá využít 4-f systém, který je znázornn v obr. 3. Obr. 3 Telecentrický 4-f optický systém pro filtraci fázov modulovaného laserového svazku. Jedná se o telecentrický teleskopický systém tvoený okami L1 a L2, který krom prostorové filtrace souasn umožní navedení laserových svazk rozmítaných reflexním

9 fázovým PMS do vstupní pupily mikroskopového objektivu MO. Vstupní laserový svazek je PMS transformován tak, že v ohniskové rovin objektivu L1 umístného za modulátorem vytváí stopu, jejíž poloha je ve vymezeném zorném poli ízena parametry blejzované fázové mížky odeslané z PC na PMS. Objektiv L2 smruje svazek do vstupní pupily mikroskopového objektivu, který vytváí oste fokusovanou stopu pedstavující optickou past pro zachycení mikroástic. Pemísování stopy svazku je dosaženo zmnou periody Λ a azimutální orientace blejzované fázové mížky. Pracovní pole ve kterém se optická past mže pohybovat má rozmr X x X, kde X závisí na rozmítacím úhlu ϕ, zvtšení teleskopu Γ a ohniskové vzdálenosti mikroskopového objektivu f M, X = Γ f M ϕ, kde Γ = f 1 /f 2. Invertovaný mikroskop Fázov modulovaný svazek je pomocí teleskopu zaveden do invertovaného mikroskopu znázornného v obr. 4. Svazek je fokusován mikroskopovým objektivem Olympus UPlanFLN 100x1,3 Oil a vytváí ve zkoumaném vzorku optickou past. Do mikroskopového objektivu souasn shora vstupuje svtlo z osvtlovae, které umožuje pozorování zachycených objekt na CCD kamee. Obr. 4 Schéma invertovaného mikroskopu. Princip prostorové modulace svtla a metodika návrhu poítaem generovaných hologram Prostorová modulace je moderní metodou transformace svtla, která má znaný aplikaní potenciál. Provádí se pomocí komern dostupných PMS amplitudového nebo fázového typu, jejichž úinná plocha je tvoena maticí elektro-opticky ovládaných kapalných krystal.

10 Transformace svazku se provádí tak, že na jednotlivých bukách (pixelech) se realizují zmny indexu lomu, které vedou ke zmn amplitudy nebo fáze procházejícího svtla. Princip elektro-optického jevu a innosti PMS je dokumentován v Píloze 3 a podrobn diskutován v [5, 6]. Zmny amplitudy a fáze jsou lokální - stav na každém pixelu je pesn definován poítaem generovaným hologramem, který je na PMS odeslán z PC. Tímto zpsobem lze tvarovat intenzitní profil (amplitudový PMS) nebo vlnoplochu (fázový PMS) laserového svazku podle pedem stanoveného požadavku. Z hlediska energetické úinnosti je výhodné používat fázový PMS. Optické schéma, které lze použít pro ovení innosti PMS je znázornno v obr. 5. V PC je provedena numerická simulace požadovaného intenzitního rozložení svtla a vypoten odpovídající hologram, který je odeslán na PMS. Hologram pedstavuje datový soubor, který ovládací software PMS pevede na píslušné nastavení fázových zmn na jednotlivých pixelech. Hologram penesený na PMS pedstavuje periodickou strukturu, která v reálném pípad odesílá svtlo do žádoucího, nejasttji +1. difrakního ádu ale souasn i do vedlejších difrakních ád, které je teba odstranit filtrací v 4-f optickém systému. Odstranní nežádoucích difrakních ád -1 PMS oka 1 0 oka 2 CCD kamera Experiment +1 Laser Hologram Simulace Obr. 5 Schéma optického systému pro ovení innosti prostorového modulátoru svtla. Návrh hologram pro fázový PMS v obecném pípad vyžaduje použití numerických metod založených na iteraních algoritmech. Základní kroky návrhu a penosu hologramu znázoruje obr. 6. Nejastji užívaným postupem vytvoení základní fázové mapy je Gerchbergv - Saxtonv algoritmus [8].

11 Fázový modulátor 4 - F optický systém CCD Fázový hologram PC simulace požadovaného svazku Iteraní algoritmus Fázová mapa Obr. 6 Schéma demonstrující kroky vytvoení a penosu hologramu. Algoritmus umožuje najít fázovou zmnu, kterou je teba provést ve výchozí rovin na svtelném poli známé komplexní amplitudy aby v dané cílové rovin toto pole vytvoilo požadované prostorové rozložení intenzity. Sled jednotlivých iterací algoritmu je znázornn v obr.7. Vstupní intenzita I 0 ídící fázová mapa ϕ Volné šíení Cílová intenzita I 1. iterace pímé šíení I 1/2 0 exp(iϕ 0 ) V 0 exp(iφ 0 ) x U 1 exp(iϕ 1 ) I 0 1/2 exp(iϕ 1 ) x exp(iϕ 2 ) I 0 1/2 exp(iϕ 2 ) zptné šíení 2. iterace pímé šíení zptné šíení 3. iterace..... Obr. 7 Blokové schéma iterací Gerchbergova Saxtonova algoritmu. x I 1/2 exp(iφ 0 ) x V 1 exp(iφ 1 ) I 1/2 exp(iφ 1 )

12 Iteraní proces probíhá tak, že intenzita svtelného pole je po pímém šíení nahrazena intenzitou požadovanou a po zptném šíení intenzitou vstupního svazku. Fáze se postupn upravuje a po N-té iteraci nastává stav, kdy intenzita po pímém šíení s dostatenou pesností odpovídá intenzit požadované. Potebná fázová zmna, kterou je teba provést pi modulaci vstupního svazku pomocí PMS pak odpovídá výchozí fázi N-té iterace ϕ N. Ve vtšin praktických pípad algoritmus dobe konverguje, typický poet iterací je V pípad jednoduché optické pasti s promnnou polohou fázová mapa odpovídá blejzované fázové mížce s promnnou periodou a azimutální orientací a mže být urena pímým výpotem. Má-li být energie vstupního svazeku rozdlena do víceetné struktury optických pastí, je modulaní funkce urena soutem fázových len Σ n exp(iϕ n ). Tato modulaní funkce je tedy komplexní a vyžaduje souasnou amplitudovou a fázovou modulaci. Iteraním algoritmem navrženým v [9] mže být nahrazena výhodnjší modulací ist fázovou [10]. Fázovou mapu urenou nkterým z uvedených postup je nutné následn pevést do formátu, který je akceptovatelný PMS. Musí být provedena diskretizace fázové mapy na 256 úrovní v rozmezí hodnot 0-2π. Následn je poteba vypotená data linearizovat pomocí kalibraní tabulky. Výsledná matice hodnot (512 x 512 pixel, 8 bit) je odeslána pomocí podprných funkcí do pamti PMS a zobrazena na jeho pixelové struktue. PMS umožuje ve své pamti uchovat 1024 hologram, které mohou být pepínány s frekvencí pibližn 1kHz. Tímto zpsobem lze vytváet dynamické fázové masky a realizovat tak asov promnná optická pole. 4. Návrh základní experimentální sestavy a parametr optických komponent Pro testování DHLP byl použit laser Verdi V2 s vlnovou délkou 532 nm a maximálním výkonem 2 W. Navázání laserového svazku do vlákna (Thorlabs, single-mode, MDF=3.3 µm, NA=0.13) bylo realizováno mikroskopovým objektivem s ohniskovou vzdáleností 9 mm (NewPort 20x, NA=0.4). Vlákno sloužilo k prostorové filtraci svazku a zárove, ve spojení s kolimátorem na výstupu vlákna, k optimálnímu navedení svazku na PMS. Kolimace svazku na výstupu z vlákna byla provedena jednoduchou okou s ohniskovou vzdáleností 50 mm a prmr svazku byl oíznut clonou na velikost PMS. Následn byla nastavena polarizace svazku pro správnou funkci PMS. Byl použit polarizátor (Thorlabs, lin :1) a plvlnná fázová destika (Eksma, zero-order). Kolimovaný svazek byl následn po dopadu na reflexní PMS Boulder (512x512 pixel, 7.68 x 7.68 mm 2 ) filtrován 4-f systémem. Pro realizaci teleskopu byly použity oky s ohniskovými vzdálenostmi 200 mm (prmr 50 mm) a 75 mm (prmr 25.4 mm), prostorový filtr byl realizovaný irisovou clonou umístnou na posuvech. Filtrovaný svazek za teleskopem byl piveden do mikroskopového objektivu Olympus UPLFLN 100x, NA=1.3 Oil odrazem pes dichroické zrcátko (Eksma laser-line mirror, 532 nm). Pro osvtlení preparátu byl použit halogenový zdroj, jehož svtlo bylo pivedeno svtlovodem a upraveno okou s ohniskovou vzdáleností 25 mm. Námi použitá tubusová oka zobrazující obraz mikroskopického preparátu na CCD kameru mla ohniskovou vzdálenost 200 mm. CCD kamera Logitech QuickCam USB má 640 x 480 pixel pi ploše senzoru 3.7 x 2.8 mm 2. Pi daném zvtšení mikroskopu cca 110x zobrazuje kamera oblast preparátu 34 x 25 µm 2. Abychom mohli optickou past pemísovat po celém zorném poli, rozmítací úhel svazku za PMS musí být alespo ± 0.25 o (pro úhlopíku), což pedstavuje blejzovanou mížku s periodou 0.11 mm (8 pixel na PMS). Pracovní rozmítací oblast je odklonna z nultého parazitního ádu PMS o úhel 0.5 o podél delší osy, odfiltrování nežádoucích difrakních rád je zarueno. Prmr irisové clony použité ve funkci prostorového filtru je 1.8 mm.

13 Pro pemísování jednoduchých i vícenásobných optických pastí bylo vytvoeno uživatelské rozhraní, jehož detailní funkce je popsána v píloze. Všechny parametry programu pro výpoet masek jsou pístupné v Menu programu a lze je nastavovat se zmnou experimentu. 6. Základní pracovní funkce laserové pinzety a demonstrace experimentálních výsledk Fotografický snímek navrženého a realizovaného systému DHLP je v obr. 8. Jako pracovní zdroj je využíván laser Verdi V2 jehož záení je pivedeno optickým vláknem. Optimalizace innosti DHLP a ovování funkce ovládacího software jsou provádny s využitím He-Ne laseru, jehož záení se dá na modulátor pivést jednoduchou zámnou optického vlákna. Obr. 8 Fotografický snímek laserové pinzety s prostorovým modulátorem svtla. Celý systém byl systematicky testován v laboratoi UP v Olomouci. Pozornost byla zamena na spolehlivost souinnosti laserové pinzety s fázovým PMS i na ovládání systému pomocí uživatelského software. Základní pracovní funkce jsou demonstrovány v obr V režimu vytvoení jednoduché pasti je možné provádt její pemístní v reálném ase. Je umožnno v režimu dvoubodovém nebo prbžném. Na obr. 9 je znázorn režim dvoubodový. Pemístní pasti je ureno poátení a cílovou polohou, které uživatel definuje pomocí myši. Zachycená ástice je následn pesunuta podél pímoaré trajektorie.

14 Obr. 9 Demonstrace pemístní ástice zachycené v jednoduché pasti v dvoubodovém režimu. Pemístní jednoduché optické pasti v prbžném režimu ilustruje obr. 10. V tomto režimu zachycená ástice následuje v reálném ase myš, která vytváí požadovanou trajektorii pemístní. Série snímk v obr. 10 demonstruje postupné pemísování polystyrenové kuliky podél tras naznaených šipkami. Systém DHLP umožuje i vytvoení víceetných optických pastí (obr. 11). Jejich poet a umístní je ovládáno uživatelem pomocí interaktivního okna ídícího programu. Po vytvoení vícenásobné pasti je možné kteroukoliv ze zachycených ástic pemístit podél uživatelem definované trajektorie a to bu v režimu dvoubodovém nebo prbžném. Realizovaná DHLP umožuje znanou variabilitu optických manipulací. Pomocí fázového PMS je možné provádt i nezávislé tvarování jednotlivých optických pastí. Jednou z perspektivních pracovních funkcí je vytváení vírových optických struktur, které umožují penos orbitálního momentu hybnosti na mechanické objekty mikrometrových rozmr. Tato situace je znázornna v obr. 12. Vírový svazek má prstencový intenzitní profil ve kterém jsou gradientními silami zachyceny polystyrenové kuliky. Šroubovitá fázová struktura svtelného víru zpsobuje azimutální víení elektromagnetické energie jehož dsledkem je obh ástic kolem osy svazku ve smru naznaeném šipkou.

15 Obr. 10 Demonstrace pemístní ástice zachycené v jednoduché pasti v prbžném režimu. Obr. 11 Demonstrace pemístní ástic zachycených ve vícenásobné optické pasti.

16 Obr. 12 Vírová svtelná past s prstencovým intenzitním profilem. ástice jsou zachyceny a roztáeny kolem osy svazku ve smru šipky. 7. Popis uživatelského software Popis struktury a funkcí programu Program pro ovládání pinzety je vytvoen jako uživatelsky orientovaná aplikace v programovacím jazyce C++ s využitím prostedí Borland C++ Builder, který je souástí Borland Developer Studia Základní innosti programu jsou orientovány v zásad do ty následujících smr: prbžné snímání živého obrazu preparátu v mikroskopu pomocí standardní Web kamery, komunikace s laserem zapnutí/vypnutí, ovládání výkonu, komunikace s modulátorem zapnutí/vypnutí, konfigurace modulátoru pro vytváení jedné optické pasti nebo souboru vícenásobných optických pastí, ovládání režim posuvu pasti dvoubodového a prbžného. Pro snímání obrazu je použita Web kamera Logitech QuickCam s rozhraním USB. Penos obrazu kamery je realizován s využitím technologie DirectShow, která je souástí systému Windows. Obraz kamery je pekryt transparentním oknem, do kterého je vykreslována trajektorie pesunu pasti. Toto pekrytí obrazu kamery transparentním oknem zprostedkovává interface IVideoMixingRenderer9. Lze ovládat a definovat základní parametry kamery, jako jsou definice driveru, rozlišení kamery, definice souadnic obrazu kamery a základní charakteristiky transparentního okna. Komunikace uživatelského rozhraní s laserem probíhá pomocí standardní sériové linky. Tato komunikace pracuje v samostatném procesu, takže nebrzdí uživatelské rozhraní. Komunikace s laserem obsahuje zapínání/vypínání laseru a nastavení jeho výkonu. Rozhraní modulátoru je ešeno prostednictvím dodané knihovny BNS SDK. Pro píslušnou pozici pasti v obraze preparátu je vypoítána maska modulátoru, která je následn po natení do modulátoru aktivována. Krok posunu pasti je nastavitelný. V programu je integrováno ovládání parametr modulátoru. Pro vlastní posuv pasti je možno využít jeden ze dvou vytvoených režim. První z nich, oznaený jako dvoubodový, spoívá v definici poáteního a koncového bodu, které tak urují lineární trajektorii. Pro jednotlivé body této trajektorie, definované nastavitelným krokem posunu pasti, se poítají masky modulátoru, uloží se do modulátoru a teprve následn se provede jejich animace. Druhý režim, oznaený jako prbžný, sleduje pohyb kurzoru

17 myši, masky v bodech trajektorie, jejichž rozte je opt definována krokem posunu pasti, se vypoítávají prbžn a aktivují se ihned po vložení do modulátoru. 8. Ovládání programu Camera Spuštní programu innost laserové pinzety, která spolupracuje s prostorovým modulátorem svtla, je ízena uživatelsky orientovaným programem Camera. Spouštcí soubor s názvem Camera.exe se nachází v adresái C:\ \Camera\bin, kde C je oznaení jednotky, na níž je program instalován. Po spuštní se objeví hlavní okno aplikace (obr. 9), jehož hlavní ást zaujímá obraz preparátu, snímaný CCD kamerou, a ve spodní ásti okna jsou dv tlaítka jedno pro spuštní a vypnutí laseru, druhé pro spuštní a vypnutí modulátoru. Pi zapnutém laseru je možné ovládat jeho výkon v editaním okn vedle tlaítka Start laseru. Pi prvním použití programu je nutno naíst driver kamery viz položka hlavní nabídky Nástroje->Pipojit driver. Vybírá se ze seznamu driver, které lze nalézt na daném poítai. Pro další práci s programem je nutno zajistit spuštní laseru (mže být spuštn pímo z ovládacího zaízení laseru, bez použití ovládání laseru programem) a modulátoru. Ovládání pastí Je možné vytvoit a dále pracovat se dvma druhy pastí s pastí dynamickou a pastmi statickými. Pasti je možno pemísovat. V tzv. dvoubodovém režimu se past pemísuje po lineární trajektorii, která se zárove vykresluje. V prbžném režimu se past pemisuje po libovolné trajektorii. Režim pesunu pasti je nastavitelný. Past dynamická se vytváí kliknutím na libovolné tlaítko myši. Past se vytvoí na pozici kurzoru. Dynamická past je v pvodním nastavení programu oznaena erveným kížkem (barva oznaení pasti je nastavitelná). Pemístní dynamické pasti: - Kliknutím na libovolné tlaítko myši na jiné pozici kurzoru myši v oblasti preparátu. Past na pvodním míst se zruší a vytvoií se nová past na nové pozici kurzoru. - Kliknutím na libovolné tlaítko myši a tažením myši pi stisknutém tlaítku. Poátek trajektorie pesunu pasti je možno volit i mimo prostor pasti. Past statická se vytváí použitím kombinace klávesy Crtl a klikem na libovolné tlaítko myši. Opakovaným použitím této kombinace na jiné pozici kurzoru se vytvoí nova statická past je tedy možno v oblasti preparátu vytváet prakticky neomezený poet statických pastí. Statická past se ruší kombinací klávesy Alt a klikem na libovolné tlaítko myši na pozici statické pasti. Statická past je v pvodním nastavení programu oznaena modrým kížkem (barva oznaení statické pasti je opt nastavitelná). Pesun statické pasti se provádí tažením myší (kliknutí na pozici kurzoru a pesun myši pi stlaeném tlaítku) za kížek oznaení statické pasti. Nastavení programu Nastavení programu se provádí z hlavní nabídky Nástroje->Nastavení. Jsou k dispozici tyi karty: Karta Kamera V boxu Driver se vybírá driver CCD kamery a nastavuje požadované rozlišení. V pvodním nastavení programu se automaticky volí maximální rozlišení kamery.

18 V boxu souadnice se definují souadnice zobrazené oblasti preparátu. Zadává se poloha levého dolního a pravého horního rohu požadované oblasti ve zvolených jednotkách (editaní okno Jednotka). Pesnost zadávaných souadnic je definována v editaním okn Desetinných míst. V posledním boxu Zobrazení a barvy se volí Stupe prhlednosti okna, které pekrývá preparát a ve kterém se provádí všechna vykreslování programem. Prhlednost okna se volí posuvníkem Prhlednost. Dále je možno volit barvy pro vykreslování lineární trajektorie (pole Trajektorie) a barvy kížk pro oznaení Statické a dynamické pasti (pole Trvalé pasti a Doasná past). Kliknutím myší na barevná pole se zobrazí Windows dialog pro volbu barev. Karta Laser Zadávají se dva údaje sdružené v boxu Komunikace. Volí se sériový port, pes která je ovládání laseru pipojeno (editaní okno Port) a rychlost komunikace (editaní okno Baud rate).

19 Karta Modulátor Data v boxu Parametry doporuujeme nemnit, jsou dány reálnými parametry použitého modulátoru. V boxu Souadnice se definuje velikost fiktivní oblasti pro výpoet pro výpoet masek modulátoru. Pomocí definice této oblasti se synchronizuje modulátor s velikostí reálného preparátu. Nastavení závisí na parametrech optických soustav zaízení pinzety. Bžnému uživateli se nedoporuuje hodnoty v tomto boxu mnit. V dolní boxu Režim se volí režim posunu pasti dvoubodový nebo prbžný. Zmna se provádí oznaením píslušného režimu myší.

20 Karta Parametry Doporuují se pokud možno minimální zásahy v boxu Parametry masky. V editaních oknech se zde zadávají parametry jako jsou vlnová délka použitého laseru, hodnoty zvtšení v osách x a z (položky Mx, My), jejichž hodnoty souvisí se zadanými souadnicemi v boxu Souadnice na kart Modulátor, X odklon a Y odklon definují difrakní ád pracovní oblasti modulátoru. Položky Transponování, Zrcadlení X a Zrcadlení Y zajišují korespondující matematické operace s maticí masky modulátoru. Linearizaní tabulka je definována použitým modulátorem. V boxu Parametry pesunu se v píslušných editaních oknech volí délka kroku posunu pasti po zvolené trajektorii (okno Délka kroku), asová prodleva mezi kroky posunu pasti (okno Prodleva mezi kroky) a v okn Prodleva mezi pepínáním masky se zadává asový údaj, potebný k zajištní stability programu. Tyto údaje mže zadávat bžný uživatel, mže být prospšné odzkoušet nkolik hodnot pi konkrétní práci s preparátem. Literatura 1. P. Zemánek, P. Jákl, J. Ježek, M. Šerý, V. Karásek, T. ižmár a M. Šiler, Laborato optických mikromanipulaních technik ÚPT AV R, JMO 1, 7 (2006). 2. J. E. Curtis, B. A. Koss, and D. G. Grier, Dynamic holographic optical tweezer, Opt. Commun. 207, 169 (2002). 3. J. Kvto, Experimentální realizace symetrizace svazku laserové diody, Diplomová práce UP Olomouc (2007) Z. Doležel, Teoretické a experimentální posouzení energetické úinnosti prostorových modulátor svtla, Diplomová práce UP Olomouc (2007). 6. F. Chlup, Metody pro ovládání amplitudových a fázových modulátor svtla, Diplomová práce UP Olomouc (2007).

21 7. Z. Bouchal., R. elechovský, G. Swartzlander, Jr., Spatially Localized Vortex Structures, Monograph Localized Waves, Edited by H. E. Hernández-Figueroa, M. Zamboni-Rached and E. Recami, J. Wiley & Sons (2008) (ISBN: ). 8. R. W. Gerchberg and W. O. Saxton, A practical algorithm for the determination of the phase from image and diffraction plane pictures, Optik 35, 237 (1972). 9. J. Lin, X. C. Yuan, S. H. Tao, and R. E. Burge, Collinear superposition of multiple helical beams generated by a single azimuthally modulated phase-only element, Opt. Lett. 30, (2005). 10. R. elechovský, Z. Bouchal, Optical implementation of the vortex information channel, New J. Phys. 9, 1367 (2007).