Captura óptica de sub

Sep 14, 2023

Scientific Reports volume 13, Número do artigo: 8615 (2023) Citar este artigo

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Enquanto as pinças ópticas (OT) são usadas principalmente para confinar partículas de tamanho menor, as armadilhas de feixe duplo de contrapropagação (CP) têm sido um método versátil para confinar partículas de tamanho pequeno e maior, incluindo amostras biológicas. No entanto, as armadilhas CP são sistemas sensíveis complexos, exigindo alinhamento tedioso para alcançar a simetria perfeita com valores de rigidez de captura bastante baixos em comparação com OT. Além disso, devido às suas forças relativamente fracas, as armadilhas CP são limitadas no tamanho das partículas que podem confinar, que é de cerca de 100 μm. Neste artigo, uma nova classe de pinças ópticas de contrapropagação com uma simetria quebrada é discutida e demonstrada experimentalmente para capturar e manipular partículas maiores que 100 μm dentro de meios líquidos. Nossa técnica explora um único feixe gaussiano dobrando-se sobre si mesmo de maneira assimétrica, formando uma armadilha CP capaz de confinar partículas pequenas e significativamente maiores (até 250 μm de diâmetro) com base apenas em forças ópticas. Tal captura óptica de espécimes de tamanho grande, até onde sabemos, não havia sido demonstrada antes. A simetria quebrada da armadilha combinada com a retrorreflexão do feixe não apenas simplificou significativamente o alinhamento do sistema, mas também o tornou robusto a pequenos desalinhamentos e aumenta a rigidez da armadilha, conforme mostrado mais adiante. Além disso, nosso método de captura proposto é bastante versátil, pois permite capturar e traduzir uma ampla variedade de tamanhos e formas de partículas, variando de um mícron até algumas centenas de mícrons, incluindo microorganismos, usando potências de laser muito baixas e óptica de abertura numérica. Isso, por sua vez, permite a integração de uma ampla gama de técnicas de espectroscopia para geração de imagens e estudo do espécime capturado opticamente. Como exemplo, demonstraremos como esta nova técnica permite captura simultânea em 3D e microscopia de lâmina de luz de vermes C. elegans com até 450 µm de comprimento.

Os lasers permitem interações luz-matéria únicas, levando a fortes forças ópticas, manipulação e captura de partículas1,2,3,4,5,6,7,8. O aprisionamento óptico é uma ferramenta versátil com muitas aplicações que tem permitido uma riqueza de estudos fundamentais, revolucionando vários campos da ciência e da engenharia desde a sua descoberta9,10,11,12,13,14,15. A implementação mais básica e poderosa de armadilhas ópticas é a armadilha de força de gradiente de feixe único, conhecida como pinça óptica16,17,18. Neste método, a armadilha é formada quando um feixe de laser é focado o suficiente para que as forças ópticas exercidas sobre a partícula de interesse o confinem. Essas forças são geralmente classificadas em duas contribuições principais. Uma delas são as forças de gradiente que puxam partículas com maior índice de refração em relação ao meio de fundo para regiões com maior intensidade de laser. A segunda são as forças de dispersão que principalmente empurram as partículas ao longo da direção de propagação do feixe. As últimas forças podem neutralizar o aprisionamento de partículas, levando a um aprisionamento instável, especialmente para partículas maiores (acima de 10 μm). Portanto, encontrar uma abordagem prática para compensar os efeitos adversos das forças de espalhamento é uma etapa crucial no aprisionamento óptico estável. Uma solução comum é o uso de objetivas de microscópio de alta NA (abertura numérica), para focalizar o feixe de modo que as forças de gradiente aumentem a ponto de superar as forças de dispersão na direção axial. Essa focalização normalmente requer objetivas de microscópio com aberturas numéricas superiores a um (daí o tipo de imersão). Isso resulta em uma distância de trabalho curta, campo de visão estreito e intensidades locais extremas que geralmente entram em conflito com as necessidades de aplicações práticas, especialmente em biologia. Outra abordagem que pode evitar as desvantagens mencionadas é o uso de dois feixes idênticos de contrapropagação (CP) moderadamente focados19,20,21,22,23,24,25,26,27,28,29,30. Aqui, cada feixe equilibra as forças de dispersão do outro, gerando estabilidade axial para formar uma armadilha 3D entre os focos dos dois feixes. Tal armadilha óptica dentro de suspensões foi alcançada usando objetivas de alta NA25,26, objetivas de baixa NA19,31, duas fibras20,32,33,34, armadilhas de espelho óptico35,36,37,38,39,40,41, fase óptica conjugação42, armadilhas holográficas de contrapropagação23,37,40 e ondas estacionárias que são ideais para capturar nanopartículas21,22,23,24,35,36,37,38,39. Nessas configurações de captura CP, uma vez que a captura ocorre entre os focos que são separados por dezenas de mícrons, não apenas o fotodano é aliviado, mas também o confinamento de partículas maiores de até 100 μm (conhecidas como macrotraps) tornou-se possível36,37,41 .