Optical tweezers have been an invaluable tool for manipulating 3-D positions of microscopic particles including colloidal and biological samples. In optical tweezers, a tightly focused laser beam generates a gradient force near the optical focus which can attract dielectric particles. So far, most optical trapping experiments have utilized spherical particles from the simple prediction of optical forces and the responding motion of samples.
In contrast, the control of the 3-D behaviour of non-spherical particles with arbitrary orientations is highly complicated due to extensive computation and experimental difficulties. In this thesis, we achieved the real-time optical control of arbitrarily shaped particles by combining the wavefront shaping of a trapping beam and measurements of the 3-D refractive index (RI) distribution of samples. The thesis consists of two parts: (1) the development of holographic optical tweezers for engineering the 3-D light field distribution of a trapping beam, and (2) the development of real-time optical diffraction tomography (ODT) for measuring 3-D RI distribution of samples. In the first part, we investigate the principles of optical trapping force in various regimes depending on the size of samples, and demonstrate that trapping samples with the 3-D light field which shape resembles the 3-D geometry of the samples can provide stable orientation control of the arbitrarily shaped samples. In the second part, we investigate the principles and practical issues for utilizing ODT and develop the real-time ODT technique, which can measure the 3-D RI distribution of arbitrarily shaped samples in real-time. The real-time ODT technique is applied for measuring the 3-D RI distribution of various samples including colloidal PMMA dimers and red blood cells in different pathophysiological conditions, from which quantitative biochemical and morphological parameters are provided. Finally, we combine holographic optical tweezers and real-time ODT technique to realize a tomographic mould for optical trapping (TOMOTRAP) technique. In TOMOTRAP, engineering the 3-D intensity distribution of a trapping beam based on measured 3-D sample geometry generates a light mould enabling colloidal and biological samples to be aligned with arbitrary orientations and/or shapes. The present technique in this thesis provides stable orientation control and assembly of arbitrarily shaped particles without knowing a priori information about the sample geometry, which can offer direct applications in biophotonics and soft matter physics.
광학 집게는 빛을 이용해 미세 입자를 포획, 힘을 가하거나 시편의 3차원 위치를 자유자재로 움직일 수 있는 기술이다. 강하게 집속된 레이저 초점 주변의 유전 물질에 인력이 작용하여 초점 주위로 모이는 현상을 이용한다. 구형 입자의 경우 입자에 작용하는 힘의 크기와 이에 대한 입자의 운동을 해석적으로 기술할 수 있어 대부분의 광학 집게 실험에서 주로 사용되었다. 반면 비 구형 입자의 경우 광학 힘을 계산하고 이를 실험으로 구현하기 복잡하여, 비 구형 입자의 3차원 운동을 자유자재로 조절하는 데에는 어려움이 있었다.
본 학위 논문에서는 포획광의 3차원 모양을 조절할 수 있는 파면 제어 기술과 시편의 3차원 굴절률 분포를 측정할 수 있는 광 회절 단층촬영법을 결합하여 임의의 모양을 가진 입자의 모양과 3차원 운동을 자유자재로 조작할 수 있는 기술을 개발하였다. 본 학위 논문은 크게 (1) 홀로그래픽 광학 집게 개발, (2) 실시간 광 회절 단층촬영법 개발, 두 부분으로 나뉜다. 첫 번째 부분에서는 다양한 크기의 입자에 작용하는 광학 힘의 물리적 원리를 유도하고, 이로부터 포획광의 3차원 모양을 포획하려는 입자의 3차원 모양으로 입사하는 경우 입자의 3차원 방향을 안정적으로 조절할 수 있음을 서술했다. 이어지는 부분에서는 광 회절 단층촬영법의 물리적 원리와 실험 시 고려해야 할 부분에 관해 기술하고, 실시간 광 회절 단층촬영법을 개발하여 부유 입자, 적혈구 등 다양한 시편의 3차원 굴절률 분포를 측정하였다. 또한, 이로부터 시편의 단백질 농도, 단백질 질량, 부피 등 생화학적, 구조적 정보를 정량적으로 측정했다. 이어, 홀로그래픽 광학 집게 기술과 실시간 광 회절 단층촬영법을 결합하여 임의의 모양의 입자의 3차원 운동을 안정적으로 조작할 수 있는 기술을 개발했다. 포획하려는 입자의 3차원 모양을 실시간 광 회절 단층촬영법으로 측정하고, 파면 제어 기술을 이용하여 시편의 3차원 모양에 해당하도록 포획광의 모양을 조절함으로써 임의의 모양의 입자의 3차원 운동을 안정적으로 조작할 수 있었다. 본 학위 논문에서 개발한 기술은 입자의 모양을 미리 알지 않아도 입자의 3차원 운동을 안정적으로 제어할 수 있어 의생명광학, 응집물질물리학 등 다양한 분야에 바로 응용할 수 있을 것으로 예상한다.
