Structured Light Fields: Applications in Optical Trapping, Manipulation, and Organisation

به دام انداختن نوری مواد کلوئیدی یک زمینه بی نظیر از فناوری برای امکان جابجایی دقیق ذرات در مقیاس های میکروسکوپی، تنها با نیروی نور است. اگرچه مفهوم اصلی موچین های نوری، که بر اساس یک پرتو لیزر تکی است، به بلوغ رسیده است و تعداد زیادی از کاربردهای هیجان انگیز، به ویژه در علوم زیستی پیدا کرده است، اما تقاضاهای زیادی برای رویکردهای پیچیده تر وجود دارد. این پایان‌نامه مروری مقدماتی بر تکنیک‌های ریز دستکاری نوری موجود ارائه می‌دهد و به بررسی وضعیت هنر در زمینه نوظهور میدان‌های نوری ساختاریافته و کاربردهای آن‌ها در به دام انداختن نوری، ریزدستکاری و سازمان‌دهی می‌پردازد. نویسنده مفاهیم جدیدی را برای شکل دهی هولوگرافیک و غیرهولوگرافیک یک میدان نوری ارائه و معرفی می کند. تاکید ویژه این کار، نمایش کاربردهای پیشرفته میدان‌های نوری ساختاریافته در ریز دستکاری نوری، با استفاده از هندسه‌های مختلف و خواص انتشار نور نامتعارف است. در حالی که بیشتر مفاهیم توسعه‌یافته با ذرات مرجع میکروسکوپی مصنوعی نشان داده می‌شوند، کار با نمایش جامع کنترل نوری و هم ترازی سلول‌های باکتریایی و سازمان‌دهی سلسله مراتبی ابرمولکولی با استفاده از ذرات نانوظرفه اختصاصی به پایان می‌رسد.

The optical trapping of colloidal matter is an unequalled field of technology for enabling precise handling of particles on microscopic scales, solely by the force of light. Although the basic concept of optical tweezers, which are based on a single laser beam, has matured and found a vast number of exciting applications, in particular in the life sciences, there are strong demands for more sophisticated approaches. This thesis gives an introductory overview of existing optical micromanipulation techniques and reviews the state-of-the-art of the emerging field of structured light fields and their applications in optical trapping, micromanipulation, and organisation. The author presents established, and introduces novel concepts for the holographic and non-holographic shaping of a light field. A special emphasis of the work is the demonstration of advanced applications of the thus created structured light fields in optical micromanipulation, utilising various geometries and unconventional light propagation properties. While most of the concepts developed are demonstrated with artificial microscopic reference particles, the work concludes with a comprehensive demonstration of optical control and alignment of bacterial cells, and hierarchical supramolecular organisation utilising dedicated nanocontainer particles.