Holografik Optik Cımbızlama Seti Yapımı

Abstract

1980’lerden bugüne Arthur Ashkinin keşfettiği optik tuzaklama yöntemi ufuklarını genişletip, bir çok alanda başarılar elde etmiştir. Günümüzde optik tuzaklama yöntemi biyoloji ve nanoteknoloji gibi bir çok alanda kullanılmaktadır. Örneğin DNA moleküllerinin mekaniksel özellikleri, protein-DNA etkileşmesi ve karbon nanotüplerinin özelliklerinin incelenmesi optik tuzaklamanın çok önemli işlevleri arasında yer almaktadır. Optik cımbızlama aslında sıkı odaklanmış laser ışını kullanarak mikro ve nano metre mertebesindeki parçacıkları tuzaklama ve inceleme yöntemidir. Parçacıkların kullanılan dalga boyuyla karşılaştırılarak iki farklı rejimde incelenebilir. Eğer laserin dalgaboyu parçacıktan çok büyük ise Mie rejimi (veya geometrik optik) tuzaklamayı açıklamak için yeterlidir. Halbuki eğer parçacığın boyutu dalga boyundan çok küçük ise Rayleigh rejiminin kullanılması gerekmektedir. Yaptığımız deneylerde kullanılan parçacıkların boyutu genellikle mikrometre mertebesinde ve laserin dalga boyu 785 nm olduğundan dolayı ışın optiği çerçevesinde açıklanması mümkündür. Kuşkusuz optik cımbızlamanın bir sonraki adımı, bir veya birkaç mikro metre veya nano metre mertebesindeki parçacıkları aynı anda 3 boyutta manipüle ve kontrol etmektir. Sıvı kristallerden yapılan uzaysal ışık modülatörlerinin (SLM) gelişi şüphesiz bu adımı mümkün kılmıştır. Günümüzde bir çok araştırma grubu dünyanın en önde gelen üniversitelerinde bu yöntemi geliştirmeye çalışmaktadır. Aslında bir çok cihaz uzaysal ışık modülatörü sayılabilir; örneğin dijital mikro ayna cihazları vs. Ama sıvı kristallerden yapılan modülatörler sağladıkları esnekliklerden dolayı holografik optik tuzaklama (HOT) setlerinde daha çok tercih ediliyor. Bu tezde SLM ifadesi genellikle sıvı kristallerden yapılan modülatörler için kullanılmaktadır. Sıvı kristaller ifadesi ilk başta anlamsız gözükmesine karşın sıvı ve katı fazları arasında bulunan ve egzotik özelliklere sahip olan bir ara fazın tanımıdır. Nematik ve Ferroelektrik sıvı kristaller SLM’de kullanılan en yaygın türlerdir. Bu iki türün elektrik alanda yönelimleri ve özelliklerinin değişimi SLM’in faz veya genlik modulasyonu için kullanılmasını mümkün kılıyor. HOT yöntemi ile aynı anda çok sayıda parçacığı tuzaklayıp kontrol edebiliriz. Bir başka deyişle HOT bizim mikro dünyadaki parmaklarımızdır. Bu tezde ilk başta İstanbul Teknik Üniversitesi’nde tek parçacık için kurulan optik tuzaklama seti anlatılıyor. Bu seti değiştirmek için kullandığımız, farklı Kepler teleskoplarının denenmesi gibi birçok yöntem ve yapılandırma sonraki bölümlerde detaylı bir biçimde anlatılıyor. Bir sonraki adımda ise seçilen modülatörün özellikleri ve seçilme sebepleri anlatılmaktadır. Işık modülatörlerleri çok az sayıda firma tarafından üretiliyor ve genellikle iki farklı adreslenme yöntemine sahiplerdir: elektrik ve optik. Seçilen SLM, yansıtıcı olup, ve sıvı kristal hücreleri elektrik adreslenme yöntemi ile çalışmaktadır. HOT setinin kurulmasının başlangıç aşaması ışık modülatörünün kalibre edilmesidir. Bu aşamada amacımız cihazın 256 Gri tonlama (Gray Level) adımında 2π faz değişimini sağlamasıdır. Normalde firmanın yapılandırması farklı faz değişimine sebep olabilir. Farklı faz değişiminin sebebi ise üretici firmanın varsayılan dalgaboyu, kullanılan dalga boyundan farklı olmasıdır. Kalibrasyonun yapılması için daha önceden bir çok yöntem girişim desenlerinin analizi üzerine kurulmuştur. Seçtiğimiz yöntemde laser ışını çift yarık kullanılarak iki farklı ışına ayrılıyor. Her bir ışın SLM’in farklı yarısına gelmesi sağlanıyor. SLM’in bir tarafı deney boyunca siyah (tonu 1) ve sabitken diğer yarısı 1’den 256’ya kadar tonlari birer birer tarıyor. Bu işlem, kamerada görüntülenen girişim desenlerinde bir kayma meydana getirir. Bu kaymaların incelemesi faz değisimini ortaya koymaktadır. Kalibrasyon yöntemi ve yapılandırması MATLAB’da tasarlanan programın yanı sıra detaylı biçimde 3. bölümde anlatılıyor. Işık modülatörleri faz modülasyonun yanı sıra genlik modulasyonu içinde kullanılıyorlar. LCD televizyonlarının çalışma prensibi genlik modulasyonuna dayalıdır. Kullandığımız SLM, faz modülatörü olarak tasarlandığı için laserin genliği deney boyunca aşırı değişikliklere maruz kalmıyor. Yapılan deneylerin sonuçlarıda bu ifadeyi desteklemekte. Kalibrasyondan sonra bir örnek olarak Laguerre-Gaussian ışık profilini ona ait olan hologramı görüntüleyerek elde edildi. Laguerre-Gaussian helis şeklinde dalga düzlemine sahiptir ve donut şeklini görüntülememizi sağlıyor. HOT setinde parçacıkları üç boyutta manipüle ve kontrol etmek için SLM üzerinde hologramlar oluşturmak gerekiyor. En yaygın ve en hızlı yöntem prisms and lenses algoritmasıdır. Bu yöntem aslında basit optik elemanlarının, yani prizma ve lens özelliklerine dayanarak çalışıyor. Prizma ve lenslerden oluşan kombinasyon hologramlarını SLM üzerinde görüntüleyerek çok sayıda parçacığı birbirinden bağımsız olarak üç boyutta kontrol edebiliriz. Bu yöntem detaylı bir şekilde 4. bölümde anlatılıyor. Anlatılan algoritmanın yanı sıra birkaç farklı hologram oluşturma yöntemi vardır. Yaygın şekilde kullanılanlar: Rastgele maske kodlaması (Random mask encoding) ve Gerchberg-Saxton algoritmasıdır. Rastgele maske kodlamasında SLM pikselleri rastgele bölgelere ayrılıyor ve her bölge farklı bir tuzak noktası için kullanılıyor. Gerchberg-Saxton algoritmasında iki boyutta iyi sonuçlar verirken üç boyutta ise çok yavaştır ve o yüzden sadece iki boyuttaki uygulamalarda tercih edilmektedir. Parçacık tuzaklarını oluşturmak ve kontrol etmek için bir Grafiksel Kullanıcı Arayüzü (GUI) geliştirildi. Bu program daha önce anlatıdığı gibi en yaygın metodu yani prisms and lenses kullanarak hologramları oluşturuyor. Kullanıcı dostu olan bu program tuzak sayıları ve konumlarını kullanıcıdan alarak tuzakların oluşmasını sağlayan hologramı hesaplayıp görüntülüyor. Ayrıca tuzak noktalarının konumu değiştikce hologram tekrar hesaplanıp güncelleniyor. Gelecek araştırmalarımızda kullanılmak üzere farklı bir fonksiyon da bu arayüze yerleştirildi. Bu fonksiyon spot noktasını alıp istenilen hızda ve adım sayısında istenilen noktaya taşıyabiliyor. Daha önce de belirtildiği gibi HOT setinin kurulması ve en iyi sonuçlar elde edilmesi için farklı yapılandırmalar denendi. Uygun teleskop sistemleri en iyi görüntü ve en iyi tuzaklamayı elde etmek için büyük rol oynamakta. Teleskop kullanmadan SLM de modüle edilen ışınlar ayna veya ters mikroskop girişini taşıp tuzaklamayı imkansız hale getirebiliyor. Bu sebepten dolayı genellikle iki farklı Kepler teleskopu birincisi kullanılan dikroik ayna öncesi ikincisi ise ters mikroskopun girişi öncesinde yerleştiriliyor. Kamera öncesinde yerleştirilen Kepler teleskopunda kullanılan lenslerin AR (anti-reflection coating) kaplamaya sahip olmaları büyük önem taşımakta. Yansıtmayı düşüren bu kaplamalı lensleri kullanmadan yansıyan ışınlar ters mikroskoptaki örneklerin görüntülemesini engelleyebiliyor. Kameranın konum kalibrasyonu, bir başka deyişle parçacıkların tasarlanan arayüzdeki konum değişkliliği birimine karşılık gelen gerçek koordinasyon değişiminin hesaplanması şüphesiz en önemli diğer adımlardan birisidir. Bunu yapabilmek için polistiren parçacıkları test parçacıkları olarak kullanılabilir. Gelecek çalışmalarda kurulan setin iyileştirimesi ve otomatik parçacık ayrıştırmak için kullanılması tasarlanan arayüze bahsedilen diğer algoritmaların eklenmesi öngörülmektedir.

Since its discovery in mid-80s by Arthur Ashkin, optical tweezing has undergone an important breakthrough and expanded its horizons. Nowadays optical tweezers application in many fields, from biology to nanotechnology, is inevitable. Investigating mechanical properties of DNA, protein-DNA interactions, carbon nanotubes properties are among a few major examples of successful applications of optical tweezers. The next milestone in optical tweezing was trapping several particles simultaneously. Advent of spatial light modulator (SLM) paved the way for this purpose in holographic optical tweezers (HOT). In fact, although many devices can be considered as SLM, liquid crystal (LC) devices play a significant role in HOT systems. LC-SLM enables creating and manipulating several traps simultaneously and independently. To put it another way, HOTs are like our fingers in microscale. In this thesis, I try to explain construction of holographic optical tweezer set-up in Istanbul technical university and major obstacles that we had to overcome, as several modification were done in single particle trapping set-up such as using different Keplerian telescopes etc. One of the most important factors was calibration of the LC-SLM, since this device in default company configuration may function in unwanted phase shift interval. I have also developed an interactive graphical user interface (GUI) in MATLAB and Simulink Student Suite 2014a in order to manipulate micron-sized particles in 3D. This program is able to get several traps positions from user and generate the desired trap holograms, in a way that, each trap can be manipulated in 3D independently. In this program, I have exploited the most straightforward and fastest method, which is gratings and lenses algorithm (G&L). The program calculates the hologram after placing the spots in a region, which shows the sample plane by camera. Created hologram image in the object plane is transformed to image plane using Fourier transform via suitable number of lenses. For our future works, additional application were also implemented in this program in order to take a spot from initial coordinates to a desired coordinates with a speed and step numbers all defined by user. In addition to these, several other measurements either in calibration or HOT set-up were done to achieve better adjustments.