Abstract

The three-dimensional trap stiffness of optical tweezers formed with high-NA micromirrors is investigated by back-focal-plane interferometry and power spectrum analysis. Normalized stiffness values of κxyPtrap=1.2(μNm)mW and κzPtrap=0.52(μNm)mW in the transverse and axial directions, respectively, have been measured for polystyrene spheres with a radius of 1.03μm. Compared with high-NA microscope objectives, micromirrors achieve much better trapping performances, particularly in the axial direction.

© 2009 Optical Society of America

Full Article  |  PDF Article

References

  • View by:
  • |
  • |
  • |

  1. A. Ashkin, J. M. Dziedzic, J. E. Bjorkholm, and S. Chu, Opt. Lett. 11, 288 (1986).
    [CrossRef] [PubMed]
  2. S. M. Block, L. S. B. Goldstein, and B. J. Schnapp, Nature 348, 348 (1990).
    [CrossRef] [PubMed]
  3. T. T. Perkins, S. R. Quake, D. E. Smith, and S. Chu, Science 264, 822 (1994).
    [CrossRef] [PubMed]
  4. B. Lukić, S. Jeney, C. Tischer, A. J. Kulik, L. Forró, and E. L. Florin, Phys. Rev. Lett. 95, 160601 (2005).
    [CrossRef] [PubMed]
  5. G. M. Wang, E. M. Sevick, E. Mittag, D. J. Searles, and D. J. Evans, Phys. Rev. Lett. 89, 050601 (2002).
    [CrossRef] [PubMed]
  6. C. Guzman, H. Flyvbjerg, R. Koszali, C. Ecoffet, L. Forró, and S. Jeney, Appl. Phys. Lett. 93, 184102 (2008).
    [CrossRef]
  7. F. Merenda, J. Rohner, J. M. Fournier, and R. P. Salathé, Opt. Express 15, 6075 (2007).
    [CrossRef] [PubMed]
  8. A. Constable, J. Kim, J. Mervis, F. Zarinetchi, and M. Prentiss, Opt. Lett. 18, 1867 (1993).
    [CrossRef] [PubMed]
  9. Z. H. Liu, C. K. Guo, J. Yang, and L. B. Yuan, Opt. Express 14, 12510 (2006).
    [CrossRef] [PubMed]
  10. C. Liberale, P. Minzioni, F. Bragheri, F. De Angelis, E. Di Fabrizio, and I. Cristiani, Nat. Photonics 1, 723 (2007).
    [CrossRef]
  11. S. J. Cran-McGreehin, K. Dholakia, and T. F. Krauss, Opt. Express 14, 7723 (2006).
    [CrossRef] [PubMed]
  12. E. Schonbrun, C. Rinzler, and K. B. Crozier, Appl. Phys. Lett. 92, 071112 (2008).
    [CrossRef]
  13. L. P. Ghislain, N. A. Switz, and W. W. Webb, Rev. Sci. Instrum. 65, 2762 (1994).
    [CrossRef]
  14. A. Pralle, M. Prummer, E. L. Florin, E. H. K. Stelzer, and J. K. H. Hörber, Microsc. Res. Tech. 44, 378 (1999).
    [CrossRef] [PubMed]
  15. K. Berg-Sørensen and H. Flyvbjerg, Rev. Sci. Instrum. 75, 594 (2004).
    [CrossRef]
  16. B. Lukić, S. Jeney, Z. Sviben, A. J. Kulik, E. L. Florin, and L. Forró, Phys. Rev. E 76, 011112 (2007).
    [CrossRef]
  17. N. B. Viana, A. Mazolli, P. A. M. Neto, H. M. Nussenzveig, M. S. Rocha, and O. N. Mesquita, Appl. Phys. Lett. 88, 131110 (2006).
    [CrossRef]
  18. J. J. Stamnes, Waves in Focal Regions (Hilger, 1986), Sec. 16.1.2.
  19. A. Ashkin, Biophys. J. 61, 569 (1992).
    [CrossRef] [PubMed]
  20. N. B. Simpson, D. McGloin, K. Dholakia, L. Allen, and M. J. Padgett, J. Mod. Opt. 45, 1943 (1998).
    [CrossRef]

2008 (2)

C. Guzman, H. Flyvbjerg, R. Koszali, C. Ecoffet, L. Forró, and S. Jeney, Appl. Phys. Lett. 93, 184102 (2008).
[CrossRef]

E. Schonbrun, C. Rinzler, and K. B. Crozier, Appl. Phys. Lett. 92, 071112 (2008).
[CrossRef]

2007 (3)

C. Liberale, P. Minzioni, F. Bragheri, F. De Angelis, E. Di Fabrizio, and I. Cristiani, Nat. Photonics 1, 723 (2007).
[CrossRef]

B. Lukić, S. Jeney, Z. Sviben, A. J. Kulik, E. L. Florin, and L. Forró, Phys. Rev. E 76, 011112 (2007).
[CrossRef]

F. Merenda, J. Rohner, J. M. Fournier, and R. P. Salathé, Opt. Express 15, 6075 (2007).
[CrossRef] [PubMed]

2006 (3)

2005 (1)

B. Lukić, S. Jeney, C. Tischer, A. J. Kulik, L. Forró, and E. L. Florin, Phys. Rev. Lett. 95, 160601 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

2004 (1)

K. Berg-Sørensen and H. Flyvbjerg, Rev. Sci. Instrum. 75, 594 (2004).
[CrossRef]

2002 (1)

G. M. Wang, E. M. Sevick, E. Mittag, D. J. Searles, and D. J. Evans, Phys. Rev. Lett. 89, 050601 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

1999 (1)

A. Pralle, M. Prummer, E. L. Florin, E. H. K. Stelzer, and J. K. H. Hörber, Microsc. Res. Tech. 44, 378 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

1998 (1)

N. B. Simpson, D. McGloin, K. Dholakia, L. Allen, and M. J. Padgett, J. Mod. Opt. 45, 1943 (1998).
[CrossRef]

1994 (2)

L. P. Ghislain, N. A. Switz, and W. W. Webb, Rev. Sci. Instrum. 65, 2762 (1994).
[CrossRef]

T. T. Perkins, S. R. Quake, D. E. Smith, and S. Chu, Science 264, 822 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

1993 (1)

1992 (1)

A. Ashkin, Biophys. J. 61, 569 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

1990 (1)

S. M. Block, L. S. B. Goldstein, and B. J. Schnapp, Nature 348, 348 (1990).
[CrossRef] [PubMed]

1986 (1)

Allen, L.

N. B. Simpson, D. McGloin, K. Dholakia, L. Allen, and M. J. Padgett, J. Mod. Opt. 45, 1943 (1998).
[CrossRef]

Ashkin, A.

Berg-Sørensen, K.

K. Berg-Sørensen and H. Flyvbjerg, Rev. Sci. Instrum. 75, 594 (2004).
[CrossRef]

Bjorkholm, J. E.

Block, S. M.

S. M. Block, L. S. B. Goldstein, and B. J. Schnapp, Nature 348, 348 (1990).
[CrossRef] [PubMed]

Bragheri, F.

C. Liberale, P. Minzioni, F. Bragheri, F. De Angelis, E. Di Fabrizio, and I. Cristiani, Nat. Photonics 1, 723 (2007).
[CrossRef]

Chu, S.

Constable, A.

Cran-McGreehin, S. J.

Cristiani, I.

C. Liberale, P. Minzioni, F. Bragheri, F. De Angelis, E. Di Fabrizio, and I. Cristiani, Nat. Photonics 1, 723 (2007).
[CrossRef]

Crozier, K. B.

E. Schonbrun, C. Rinzler, and K. B. Crozier, Appl. Phys. Lett. 92, 071112 (2008).
[CrossRef]

De Angelis, F.

C. Liberale, P. Minzioni, F. Bragheri, F. De Angelis, E. Di Fabrizio, and I. Cristiani, Nat. Photonics 1, 723 (2007).
[CrossRef]

Dholakia, K.

S. J. Cran-McGreehin, K. Dholakia, and T. F. Krauss, Opt. Express 14, 7723 (2006).
[CrossRef] [PubMed]

N. B. Simpson, D. McGloin, K. Dholakia, L. Allen, and M. J. Padgett, J. Mod. Opt. 45, 1943 (1998).
[CrossRef]

Dziedzic, J. M.

Ecoffet, C.

C. Guzman, H. Flyvbjerg, R. Koszali, C. Ecoffet, L. Forró, and S. Jeney, Appl. Phys. Lett. 93, 184102 (2008).
[CrossRef]

Evans, D. J.

G. M. Wang, E. M. Sevick, E. Mittag, D. J. Searles, and D. J. Evans, Phys. Rev. Lett. 89, 050601 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Fabrizio, E. Di

C. Liberale, P. Minzioni, F. Bragheri, F. De Angelis, E. Di Fabrizio, and I. Cristiani, Nat. Photonics 1, 723 (2007).
[CrossRef]

Florin, E. L.

B. Lukić, S. Jeney, Z. Sviben, A. J. Kulik, E. L. Florin, and L. Forró, Phys. Rev. E 76, 011112 (2007).
[CrossRef]

B. Lukić, S. Jeney, C. Tischer, A. J. Kulik, L. Forró, and E. L. Florin, Phys. Rev. Lett. 95, 160601 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

A. Pralle, M. Prummer, E. L. Florin, E. H. K. Stelzer, and J. K. H. Hörber, Microsc. Res. Tech. 44, 378 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

Flyvbjerg, H.

C. Guzman, H. Flyvbjerg, R. Koszali, C. Ecoffet, L. Forró, and S. Jeney, Appl. Phys. Lett. 93, 184102 (2008).
[CrossRef]

K. Berg-Sørensen and H. Flyvbjerg, Rev. Sci. Instrum. 75, 594 (2004).
[CrossRef]

Forró, L.

C. Guzman, H. Flyvbjerg, R. Koszali, C. Ecoffet, L. Forró, and S. Jeney, Appl. Phys. Lett. 93, 184102 (2008).
[CrossRef]

B. Lukić, S. Jeney, Z. Sviben, A. J. Kulik, E. L. Florin, and L. Forró, Phys. Rev. E 76, 011112 (2007).
[CrossRef]

B. Lukić, S. Jeney, C. Tischer, A. J. Kulik, L. Forró, and E. L. Florin, Phys. Rev. Lett. 95, 160601 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

Fournier, J. M.

Ghislain, L. P.

L. P. Ghislain, N. A. Switz, and W. W. Webb, Rev. Sci. Instrum. 65, 2762 (1994).
[CrossRef]

Goldstein, L. S. B.

S. M. Block, L. S. B. Goldstein, and B. J. Schnapp, Nature 348, 348 (1990).
[CrossRef] [PubMed]

Guo, C. K.

Guzman, C.

C. Guzman, H. Flyvbjerg, R. Koszali, C. Ecoffet, L. Forró, and S. Jeney, Appl. Phys. Lett. 93, 184102 (2008).
[CrossRef]

Hörber, J. K. H.

A. Pralle, M. Prummer, E. L. Florin, E. H. K. Stelzer, and J. K. H. Hörber, Microsc. Res. Tech. 44, 378 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

Jeney, S.

C. Guzman, H. Flyvbjerg, R. Koszali, C. Ecoffet, L. Forró, and S. Jeney, Appl. Phys. Lett. 93, 184102 (2008).
[CrossRef]

B. Lukić, S. Jeney, Z. Sviben, A. J. Kulik, E. L. Florin, and L. Forró, Phys. Rev. E 76, 011112 (2007).
[CrossRef]

B. Lukić, S. Jeney, C. Tischer, A. J. Kulik, L. Forró, and E. L. Florin, Phys. Rev. Lett. 95, 160601 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

Kim, J.

Koszali, R.

C. Guzman, H. Flyvbjerg, R. Koszali, C. Ecoffet, L. Forró, and S. Jeney, Appl. Phys. Lett. 93, 184102 (2008).
[CrossRef]

Krauss, T. F.

Kulik, A. J.

B. Lukić, S. Jeney, Z. Sviben, A. J. Kulik, E. L. Florin, and L. Forró, Phys. Rev. E 76, 011112 (2007).
[CrossRef]

B. Lukić, S. Jeney, C. Tischer, A. J. Kulik, L. Forró, and E. L. Florin, Phys. Rev. Lett. 95, 160601 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

Liberale, C.

C. Liberale, P. Minzioni, F. Bragheri, F. De Angelis, E. Di Fabrizio, and I. Cristiani, Nat. Photonics 1, 723 (2007).
[CrossRef]

Liu, Z. H.

Lukic, B.

B. Lukić, S. Jeney, Z. Sviben, A. J. Kulik, E. L. Florin, and L. Forró, Phys. Rev. E 76, 011112 (2007).
[CrossRef]

B. Lukić, S. Jeney, C. Tischer, A. J. Kulik, L. Forró, and E. L. Florin, Phys. Rev. Lett. 95, 160601 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

Mazolli, A.

N. B. Viana, A. Mazolli, P. A. M. Neto, H. M. Nussenzveig, M. S. Rocha, and O. N. Mesquita, Appl. Phys. Lett. 88, 131110 (2006).
[CrossRef]

McGloin, D.

N. B. Simpson, D. McGloin, K. Dholakia, L. Allen, and M. J. Padgett, J. Mod. Opt. 45, 1943 (1998).
[CrossRef]

Merenda, F.

Mervis, J.

Mesquita, O. N.

N. B. Viana, A. Mazolli, P. A. M. Neto, H. M. Nussenzveig, M. S. Rocha, and O. N. Mesquita, Appl. Phys. Lett. 88, 131110 (2006).
[CrossRef]

Minzioni, P.

C. Liberale, P. Minzioni, F. Bragheri, F. De Angelis, E. Di Fabrizio, and I. Cristiani, Nat. Photonics 1, 723 (2007).
[CrossRef]

Mittag, E.

G. M. Wang, E. M. Sevick, E. Mittag, D. J. Searles, and D. J. Evans, Phys. Rev. Lett. 89, 050601 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Neto, P. A. M.

N. B. Viana, A. Mazolli, P. A. M. Neto, H. M. Nussenzveig, M. S. Rocha, and O. N. Mesquita, Appl. Phys. Lett. 88, 131110 (2006).
[CrossRef]

Nussenzveig, H. M.

N. B. Viana, A. Mazolli, P. A. M. Neto, H. M. Nussenzveig, M. S. Rocha, and O. N. Mesquita, Appl. Phys. Lett. 88, 131110 (2006).
[CrossRef]

Padgett, M. J.

N. B. Simpson, D. McGloin, K. Dholakia, L. Allen, and M. J. Padgett, J. Mod. Opt. 45, 1943 (1998).
[CrossRef]

Perkins, T. T.

T. T. Perkins, S. R. Quake, D. E. Smith, and S. Chu, Science 264, 822 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Pralle, A.

A. Pralle, M. Prummer, E. L. Florin, E. H. K. Stelzer, and J. K. H. Hörber, Microsc. Res. Tech. 44, 378 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

Prentiss, M.

Prummer, M.

A. Pralle, M. Prummer, E. L. Florin, E. H. K. Stelzer, and J. K. H. Hörber, Microsc. Res. Tech. 44, 378 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

Quake, S. R.

T. T. Perkins, S. R. Quake, D. E. Smith, and S. Chu, Science 264, 822 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Rinzler, C.

E. Schonbrun, C. Rinzler, and K. B. Crozier, Appl. Phys. Lett. 92, 071112 (2008).
[CrossRef]

Rocha, M. S.

N. B. Viana, A. Mazolli, P. A. M. Neto, H. M. Nussenzveig, M. S. Rocha, and O. N. Mesquita, Appl. Phys. Lett. 88, 131110 (2006).
[CrossRef]

Rohner, J.

Salathé, R. P.

Schnapp, B. J.

S. M. Block, L. S. B. Goldstein, and B. J. Schnapp, Nature 348, 348 (1990).
[CrossRef] [PubMed]

Schonbrun, E.

E. Schonbrun, C. Rinzler, and K. B. Crozier, Appl. Phys. Lett. 92, 071112 (2008).
[CrossRef]

Searles, D. J.

G. M. Wang, E. M. Sevick, E. Mittag, D. J. Searles, and D. J. Evans, Phys. Rev. Lett. 89, 050601 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Sevick, E. M.

G. M. Wang, E. M. Sevick, E. Mittag, D. J. Searles, and D. J. Evans, Phys. Rev. Lett. 89, 050601 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Simpson, N. B.

N. B. Simpson, D. McGloin, K. Dholakia, L. Allen, and M. J. Padgett, J. Mod. Opt. 45, 1943 (1998).
[CrossRef]

Smith, D. E.

T. T. Perkins, S. R. Quake, D. E. Smith, and S. Chu, Science 264, 822 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Stamnes, J. J.

J. J. Stamnes, Waves in Focal Regions (Hilger, 1986), Sec. 16.1.2.

Stelzer, E. H. K.

A. Pralle, M. Prummer, E. L. Florin, E. H. K. Stelzer, and J. K. H. Hörber, Microsc. Res. Tech. 44, 378 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

Sviben, Z.

B. Lukić, S. Jeney, Z. Sviben, A. J. Kulik, E. L. Florin, and L. Forró, Phys. Rev. E 76, 011112 (2007).
[CrossRef]

Switz, N. A.

L. P. Ghislain, N. A. Switz, and W. W. Webb, Rev. Sci. Instrum. 65, 2762 (1994).
[CrossRef]

Tischer, C.

B. Lukić, S. Jeney, C. Tischer, A. J. Kulik, L. Forró, and E. L. Florin, Phys. Rev. Lett. 95, 160601 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

Viana, N. B.

N. B. Viana, A. Mazolli, P. A. M. Neto, H. M. Nussenzveig, M. S. Rocha, and O. N. Mesquita, Appl. Phys. Lett. 88, 131110 (2006).
[CrossRef]

Wang, G. M.

G. M. Wang, E. M. Sevick, E. Mittag, D. J. Searles, and D. J. Evans, Phys. Rev. Lett. 89, 050601 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Webb, W. W.

L. P. Ghislain, N. A. Switz, and W. W. Webb, Rev. Sci. Instrum. 65, 2762 (1994).
[CrossRef]

Yang, J.

Yuan, L. B.

Zarinetchi, F.

Appl. Phys. Lett. (3)

C. Guzman, H. Flyvbjerg, R. Koszali, C. Ecoffet, L. Forró, and S. Jeney, Appl. Phys. Lett. 93, 184102 (2008).
[CrossRef]

E. Schonbrun, C. Rinzler, and K. B. Crozier, Appl. Phys. Lett. 92, 071112 (2008).
[CrossRef]

N. B. Viana, A. Mazolli, P. A. M. Neto, H. M. Nussenzveig, M. S. Rocha, and O. N. Mesquita, Appl. Phys. Lett. 88, 131110 (2006).
[CrossRef]

Biophys. J. (1)

A. Ashkin, Biophys. J. 61, 569 (1992).
[CrossRef] [PubMed]

J. Mod. Opt. (1)

N. B. Simpson, D. McGloin, K. Dholakia, L. Allen, and M. J. Padgett, J. Mod. Opt. 45, 1943 (1998).
[CrossRef]

Microsc. Res. Tech. (1)

A. Pralle, M. Prummer, E. L. Florin, E. H. K. Stelzer, and J. K. H. Hörber, Microsc. Res. Tech. 44, 378 (1999).
[CrossRef] [PubMed]

Nat. Photonics (1)

C. Liberale, P. Minzioni, F. Bragheri, F. De Angelis, E. Di Fabrizio, and I. Cristiani, Nat. Photonics 1, 723 (2007).
[CrossRef]

Nature (1)

S. M. Block, L. S. B. Goldstein, and B. J. Schnapp, Nature 348, 348 (1990).
[CrossRef] [PubMed]

Opt. Express (3)

Opt. Lett. (2)

Phys. Rev. E (1)

B. Lukić, S. Jeney, Z. Sviben, A. J. Kulik, E. L. Florin, and L. Forró, Phys. Rev. E 76, 011112 (2007).
[CrossRef]

Phys. Rev. Lett. (2)

B. Lukić, S. Jeney, C. Tischer, A. J. Kulik, L. Forró, and E. L. Florin, Phys. Rev. Lett. 95, 160601 (2005).
[CrossRef] [PubMed]

G. M. Wang, E. M. Sevick, E. Mittag, D. J. Searles, and D. J. Evans, Phys. Rev. Lett. 89, 050601 (2002).
[CrossRef] [PubMed]

Rev. Sci. Instrum. (2)

L. P. Ghislain, N. A. Switz, and W. W. Webb, Rev. Sci. Instrum. 65, 2762 (1994).
[CrossRef]

K. Berg-Sørensen and H. Flyvbjerg, Rev. Sci. Instrum. 75, 594 (2004).
[CrossRef]

Science (1)

T. T. Perkins, S. R. Quake, D. E. Smith, and S. Chu, Science 264, 822 (1994).
[CrossRef] [PubMed]

Other (1)

J. J. Stamnes, Waves in Focal Regions (Hilger, 1986), Sec. 16.1.2.

Cited By

OSA participates in CrossRef's Cited-By Linking service. Citing articles from OSA journals and other participating publishers are listed here.

Alert me when this article is cited.


Figures (3)

Fig. 1
Fig. 1

Schematic representation of the optical setup employed for forward light scattering detection from an MOT. The inset shows the vertical structure of the fluidic device embedding micromirrors.

Fig. 2
Fig. 2

Blocked P ( f ) , in the x (cross) and z (plus) directions, measured on an MOT when trapping PS spheres with radius a = 1.03 μ m . Continuous black curves are fits to Eq. (1). Lower traces show the instrument background noise levels.

Fig. 3
Fig. 3

Histograms showing the experimental position distributions of a particle trapped in an MOT during 20.2 s (a) in the x y plane and (b) in the x z plane.

Tables (1)

Tables Icon

Table 1 Average Transverse Trap Stiffness κ x y = ( κ x + κ y ) 2 and Axial Trap Stiffness κ z , Normalized by the Effective Optical Power P trap in the Trap (Units are μ N m mW ), and Ratio κ x y κ z Between Transverse and Axial Trap Stiffnesses (Dimensionless) a

Equations (1)

Equations on this page are rendered with MathJax. Learn more.

P ( f ) = D 2 π 2 [ 1 + ( f f v ) 1 2 ] ( f c f 3 2 f v 1 2 f 2 f m ) 2 + ( f + f 3 2 f v 1 2 ) 2 .

Metrics