Semi-Automated 3-dimensional Assembly of Multiple

0 downloads 0 Views 525KB Size Report
ABSTRACT. The micromanipulation of objects into 2-dimensional and 3-dimensional geometries within holographic optical tweezers is carried out using a ...
Semi-Automated 3-dimensional Assembly of Multiple Objects  using Holographic Optical Tweezers  a

 

Gavin Sinclair , Pamela Jordan , John Laczikc, Johannes Courtiala and Miles Padgetta    

a b

a

Department of Physics and Astronomy, University of Glasgow, Glasgow, G12 8QQ, UK  b Department of Electronics, University of Glasgow, Glasgow, G12 8LT, UK  c Department of Engineering Science, University of Oxford, Oxford, OX1 3PJ, UK 

   

ABSTRACT    The micromanipulation of objects into 2-dimensional and 3-dimensional geometries within holographic optical tweezers  is  carried  out  using  a  modified  Gerchberg-Saxton  algorithm.    The  modified  algorithm  calculates  phase  hologram  sequences,  used  to  reconfigure  the  geometries  of  optical  traps  in  several  planes  simultaneously.    The  hologram  sequences are calculated automatically from the initial, intermediate and final trap positions.  Manipulation of multiple  objects in this way is semi-automated, once the traps in their initial positions are loaded.    Keywords: Holographic optical tweezers, multiple traps, Gerchberg-Saxton    

1. INTRODUCTION    Optical  tweezers,  first  devised  in  the  1986  1,  are  a  tool  used  for  manipulating  either  single  or  multiple  particles  suspended in solution.  The trapped particles can be inert silica or polymer spheres, or biological specimens 2.  In recent  years  the  use  of  Spatial  Light  Modulators  (SLMs)  has  revolutionized  optical  tweezers  3.    SLMs  allow  computergenerated holograms to split the beam to form many optical traps simultaneously.  Such experimental arrangements are  termed  holographic  optical  tweezers  (HOTs)  4.    A  sequence  of  holograms  controls  the  optical  trap(s),  with  the  holograms displayed at video frame rates on the SLM.     To date, many different hologram algorithms have been applied to produce computer-generated holograms for use with  HOTs.    We  use  a  modified  Gerchberg-Saxton  (GS)  algorithm  5  developed  to  specify  arbitrary  patterns  of  light  in  multiple planes.  Our motivation in the use of this algorithm is its fast convergence (less than a second) to give the target  intensity  patterns.    We  use  holograms  to  trap  objects  in  2-  and  3-dimensional  geometries  and  to  automate  the  manipulation by displaying sequences of holograms in the SLM.  Here we present results in which patterns of trapped  objects were created within HOTs with minimal user input.   

2. GERCHBERG-SAXTON ALGORITHM    The GS algorithm was originally developed for general specifications of a target intensity distribution in one plane  6.   Subsequently, incorporating  additional beam-propagation steps into the algorithm allows intensities to be specified in  multiple  planes  7.    We  use  both  forms  of  the  GS  algorithm  to  produce  holograms;  a  single  plane  to  form  2-D  trap  geometries  and  multiple  planes  to  form  3-D  geometries.    Both  these  algorithms  work  in  similar  ways,  as  shown  in  Figure 1.    * [email protected]; phone +44 141 330 6432; www.physics.gla.ac.uk/Optics 

Optical Trapping and Optical Micromanipulation, edited by Kishan Dholakia, Gabriel C. Spalding, Proceedings of SPIE Vol. 5514 (SPIE, Bellingham, WA, 2004) · 0277-786X/04/$15 doi: 10.1117/12.555996

Downloaded From: http://spiedigitallibrary.org/ on 04/15/2014 Terms of Use: http://spiedl.org/terms

137

 

 

Figure 1. Schematic diagrams of the GS algorithm for a) single plane (2-D) geometries and b) multiple-plane (3-D) geometries. 

  The GS algorithm infers the phase distribution in the near field plane P or the hologram plane and in the far field plane  Q, the focal plane of the objective in optical tweezers.  The algorithm achieves this by starting with a beam of intensity  IP in the plane  P  and Fourier transforms the illuminating beam to plane  Q.  The intensity in plane Q is often not the  required intensity and is therefore replaced by the correct intensity IQ, while the phase distribution is kept.  The beam is  inversely Fourier transformed back to plane P, where the intensity no longer fits intensity IP  and is changed to fit the  required intensity IP, while keeping the changed phase.  This process is repeated until the phase distribution in plane P  with intensity IP is a good approximation of the desired intensity distribution IQ in plane Q.  The convergence time of the  algorithm  is  less  than  a  second  for  simple  2-D  patterns  of  bright  spots.    The  mechanism  that  produces  the  required  intensities in the near and far fields is an error reduction between the intensities of the two planes, thus the GS algorithm  is also known as an error reduction algorithm 8.    In  the  case  of  a  3-D  hologram,  the  far  field  intensities  are  specified  in  unrelated  multiple  planes  (Q1,  Q2,  etc.).    The  intensities in different planes are unrelated and are combined before the inverse Fourier transformation of the beam back  to plane P.  As more bright spots are defined at different focal positions, and a greater number of planes are defined in  the far field, the longer the algorithm takes to generate a hologram.   

3. HOLOGRAM SEQUENCE INTERFACE    We  previously  designed  holograms  to  create  multiple  traps  positioned  in  3-D,  enabling  3-D  structures  of  multiple  trapped objects to be formed.  However, loading these traps can be problematic especially in ensuring that each trap is  occupied and holds only  a  single object.  Complex structures containing mixtures of different objects are particularly  difficult to load and may require several attempts.  A far easier method is to load the traps whilst they are configured in  a simple geometry, such as a line, and then morph them into that desired structure.    To  facilitate  this  morphing  process,  a  program  was  developed  using  the  LabVIEW  programming  environment  to  calculate the required sequence of holograms (Figure 2).  The coordinates of the trap positions and time taken to move  from one trap position to another are specified in a spreadsheet file, which is imported into the program (Figure 3).  The  program calculates a sequence of holograms using the initial, interpolated intermediate and final trap positions (i.e. predefined trajectories) over a specified number of time steps.  The user defines the rate at which holograms are displayed  on the SLM.  In addition to the above features of the program, a linear scaling factor is included to reduce or increase  the separation of trap positions during or prior to generating the hologram sequence.             

138

Proc. of SPIE Vol. 5514

Downloaded From: http://spiedigitallibrary.org/ on 04/15/2014 Terms of Use: http://spiedl.org/terms

4. EXPERIMENTAL ARRANGEMENT    The experimental arrangement is based on a NA1.3, x100, Zeiss Plan Neofluar oil immersion microscope objective used  in an inverted geometry.  The sample cell is mounted on a 3-axis PZT connected to a signal generator.  The trapping  laser is an Excel 1500 frequency-doubled Nd:YVO4 laser, with an output power up to 1.5 W at 532nm.  Before entering  the microscope, the laser beam is reflected off a Holoeye LC-R 2500 spatial light modulator, which is programmed with  the necessary phase pattern (hologram).  The laser beam was expanded to overfill the active area of the SLM, which was  itself imaged to just overfill the back aperture of the microscope objective.  The diffraction efficiency in the positive 1st  order was in the region of 40% of the light incident on the SLM.     

 

  Figure 2.  Front panel of LabVIEW interface. 

 

 

 

Figure 3.  An example of a spreadsheet file for setting trap positions.   

Proc. of SPIE Vol. 5514

Downloaded From: http://spiedigitallibrary.org/ on 04/15/2014 Terms of Use: http://spiedl.org/terms

139

5. RESULTS AND DISCUSSION    Results  were  obtained  for  patterns  of  trapped  objects  being  manipulated  in  to  2-D  geometries  and  3-D  geometries  (Figures 4, 5, 6 and 7).  For all of the 3-D geometries, the traps were laterally offset by 20 µm  from the zero order to  limit the effects alias orders creating unwanted ghost traps.  All holograms were generated at a size of 512x512 pixels,  utilising the full resolution of the SLM.    5.1 Results  Α simple 2-D square formed from four silica spheres is shown in Figure 4.  This shows a simple 2-D trajectory sequence  in a single plane, where the trap positions are controlled by the changes in the x- and y-axis coordinates specified in the  spreadsheet.      

 

 

Figure 4.  Sequence of frames showing four 2 µm  silica spheres forming a square with 10 µm  side lengths, with the times at which  each frame was taken shown in the bottom corner. 

  However,  the  main  motivation  of  our  research  is  to  form  3-D  structures  of  dielectric  objects.    Three  such  structures  (Figure 4, 5 and 6) were formed from sequences of holograms (for example 2000 forming the sequence shown in Figure  5) displayed on the SLM at a rate of 10Hz.  The first of these sequences shows the morphing of a cube from a line of  eight silica spheres (Figure 5).  This geometry was trapped to show that objects can be held directly above each other  while in different planes, without the objects falling into the same trap.   

 

 

Figure 5.  Sequence of frames showing 2 µm  eight silica spheres forming a cube with 6.5 µm side lengths.  The elapsed time from  the start of the sequence is shown in the bottom corner. 

  The next sequence shows a 3 plane geometry of trapped silica spheres (Figure 6).  The top and bottom planes both have  3 silica spheres in the same positions forming a triangle and the two planes are separated by 12 µm .  Between these two  planes  a  further  triangle,  rotated  by  180  degrees,  prior  to  stacking  is  inserted.    Again,  this  shows  how  well  the  GS  algorithm efficiently assigns light spots axially above each other without the beads falling into the same trap. 

140

Proc. of SPIE Vol. 5514

Downloaded From: http://spiedigitallibrary.org/ on 04/15/2014 Terms of Use: http://spiedl.org/terms

    

 

 

Figure 6.  Sequence of frames showing nine 2 µm silica spheres forming 3 triangles with 5 µm side lengths and a 6 µm spacing  between the planes.  Note the central triangle is rotated by 60 degrees.  The times at which each frame was taken is shown in the top  corner.   

The final sequence of video frames shows an arrangement with a greater number of trapped spheres (eighteen in total),  in the geometry of two grids of 9 spheres axially above each other (Figure 7).  Such geometries of spheres are difficult  to trap by filling the traps from a static hologram.  By semi-automating the morphing process, the user only has to trap  objects in the initial geometry and then initialise the hologram sequence.   

 

 

Figure 7.  Sequence of frames showing eighteen 1 µm  silica spheres initially trapped in two lines of nine spheres and morphed to  form two grids of 3 by 3 in different planes.   The times at which each frame was taken is shown in the top corner.     

  5.2 Discussion  We have shown several examples of particles manipulated into 2-D and 3-D geometries from an initial 2-D array.  An  automated process of hologram design, in which the user controls the speed at which the holograms are generated and  displayed in the SLM, carries out the manipulation of trapped particles.  Previously, manipulation of trapped particles  was carried out by reconfiguring holograms by changing the position of traps with cursor/mouse control or keyboard  inputs 9, and by pre-calculating holograms and displaying them in the SLM at a given rate 5.  The method we have used 

Proc. of SPIE Vol. 5514

Downloaded From: http://spiedigitallibrary.org/ on 04/15/2014 Terms of Use: http://spiedl.org/terms

141

to calculate the hologram designs and display them in the SLM greatly reduces the time to generate a hologram  sequence for manipulation of particles in HOTs.  As mentioned earlier, the motivation behind our work is to create 3-D  geometries of trapped objects.  The 3-D geometries created so far range in volume from thousands of  µm 3 to several  mm3, with between 8 and 18 trapped objects.  Potentially larger 3-D geometries, several mm3 in size and with more  planes, could be trapped, extending previous large 2-D geometries 4, 10.  The limiting factors in forming large geometries  of trapped objects is not the hologram design, but the special resolution of SLMs  5 and the laser power.  Previously, we  have demonstrated the ability to make such structures permanent, by setting them in gel 11.   

6. CONCLUSIONS    We have shown that patterns of trapped objects can be manipulated in to either 2- or 3-D geometries.  These include  trapping objects above each other in different axial planes, with sequences of holograms calculated in real-time using  our modified Gerchberg-Saxton algorithm.  The benefits of calculating such hologram sequences are reduction in time  to calculated the holograms and the operator only loads the traps in their initial geometry.  Holograms designed in this  manner will have uses in the areas of photonic crystals, seeding crystal growth, permanent 3-D structures, the creation  of pumps, valves and particle control within microfluidic devices, measuring the mechanical properties of materials and  biological studies.   

6. REFERENCES    1.  A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkman and S. Chu , " Observation of a single-beam gradient force optical trap  for dielectric particles , "  Opt. Lett. 11, 288-290, (1986).  2.  J. E. Molloy and M. J. Padgett , " Lights, action: optical tweezers , "  Contemp. Phys. 43, 241-258 (2002).  3.  D. G. Grier , " A revolution in optical manipulation , "  Nature, 424, 810-816 (2003).  4.  J. E. Curtis, B. A. Koss and D. G. Grier , " Dynamic holographic optical tweezers , "  Opt. Commun. 207, 169-175  (2002).  5.  G. Sinclair, J. Leach, P. Jordan, G. Gibson, E. Yao, Z. J. Laczik, M. J. Padgett and J. Courtial , " Interactive  application in holographic optical tweezers of a multi-plane Gerchberg-Saxton algorithm for three-dimensional  light shaping , "  Opt. Exp. 12, 1165-1670 (2004).  6.  R. W. Gerchberg and W. O. Saxton , " A practical algorithm for the determination of the from image and  diffraction plane pictures , "  Optik 35, 237-246 (1972).  7.  T. Haist, M. Schönleber and H. J. Tiziani , " Computer-generated holograms from 3D-objects written on twistednematic liquid crystal displays , "  Opt. Commun. 140, 299-308 (1997).  8.  V. Soifer, V. Kotlyar and L. Doskolovich, Iterative Methods for Diffractive Optical Elements Computation (Taylor  & Franicis Ltd., London, 1997).  9.  J. Liessener, M. Reicherter, T. Haist and H. J. Tiziani , " Multi-functional optical tweezers using computergenerated holograms , "  Opt. Commun. 185, 77-82 (2000).  10.  J. P. Hoogenboom, D. L. J. Vossen, C. Faivre-Moskalenko, M. Dogterom and A. van Blaaderan , " Patterning  surface with colloidal particles using optical tweezers , "  Appl. Phys. Lett. 80, 4828-4830 (2002).  11.  P. Jordan, H. Clare, L. Flendrig, J. Leach, J. Cooper and M. Padgett , " Permanent 3D structures in a polymeric host  created using holographic optical tweezers , "  J. Mod. Opt. 51, 627-632 (2004). 

142

Proc. of SPIE Vol. 5514

Downloaded From: http://spiedigitallibrary.org/ on 04/15/2014 Terms of Use: http://spiedl.org/terms

Suggest Documents