Master's Thesis

Optical tweezers for coherence-controlled holographic microscope

Final Thesis 11.96 MB

Author of thesis: Ing. Branislav Straka

Acad. year: 2012/2013

Supervisor: Ing. Zbyněk Dostál, Ph.D.

Reviewer: Ing. Petr Jákl, Ph.D.

Abstract:

In the master's thesis, there has been described and explained the principle of operation
of the second generation coherence controlled holographic microscope (CCHM2)  designed
at the Brno University of Technology. There has also been listed theoretical description
of the operation of the optical trap, together with the calculation of the forces acting
on it, ways of measuring the stiffness of the optical trap and the principle of~creating
a time-shared optical traps. The optical tweezers forming a separate module connectable
to CCHM2 was designed. Simulation and optimization of parameters of the optical system,
mechanical design, manufacturing documentation, current source to power the laser diode
which allows to control the diode output power by the controller card connected to the PC
was designed. The galvano-optics mirror angle is controlled by the PC card too.  The optical
tweezer has been designed, manufactured and tested in conjunction with the CCHM2.

Keywords:

Optical tweezer, micromanipulation techniques, coherence-controlled holographic microscope,
current source, design.

Date of defence

18.6.2013

Result of the defence

Defended (thesis was successfully defended)

znakmkaAznamka

Grading

A

Language of thesis

Czech

Faculty

Department

Study programme

Applied Sciences in Engineering (N3901-2)

Study field

Physical Engineering and Nanotechnology

Composition of Committee

prof. RNDr. Tomáš Šikola, CSc. (předseda)
prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc. (místopředseda)
prof. RNDr. Bohumila Lencová, CSc. (člen)
prof. RNDr. Jiří Komrska, CSc. (člen)
prof. RNDr. Petr Dub, CSc. (člen)
prof. RNDr. Radim Chmelík, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Jiří Spousta, Ph.D. (člen)
prof. Ing. Ivan Křupka, Ph.D. (člen)
prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D. (člen)
RNDr. Antonín Fejfar, CSc. (člen)

Supervisor’s report
Ing. Zbyněk Dostál, Ph.D.

Po obsahové a grafické stránce je práce zdařilá. Diplomant využil své bohaté znalosti práce s počítačovým programem Zemax, ve kterém vytvořil na základě jím odvozených teoretických vztahů model optické pinzety, který lze modulárně připojit ke koherenci řízenému holografickému mikroskopu. Trasováním paprsků optickou soustavou a vhodnou volbou optických elementů stanovil rozměrové charakteristiky modulu s ohledem na požadavky vytvoření časově sdílené optické pasti. V rámci zadání vytvořil v programu SolidWorks třírozměrný model modulu a jeho výrobní dokumentaci, podle níž byl modul vyroben, dle navrženého justážního postupu seřízen a otestován, včetně navrženého napájecího zdroje pro laserovou diodu s možností řídit její světelný výkon. Konstatuji, že diplomant přistupoval k řešení práce odpovědně a systematicky a cíle diplomové práce splnil v plném rozsahu. Branislav Straka prokázal schopnost vhodně interpretovat teorii tvorby časově sdílené optické pasti a vyvodit z ní praktické závěry pro konstrukci inženýrského díla. Jako vedoucí práce hodnotím diplomovou práci známkou výborně/A.
Evaluation criteria Mark
Fulfilment of requirements and objectives of assignment A
Working process, extent and suitability of applied methods A
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions A
Applicability of results in practice or theory B
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A
Student's independence when working on the topic A

Grade proposed by supervisor: A

Reviewer’s report
Ing. Petr Jákl, Ph.D.

Diplomová práce pana Branislava Straky se věnuje konstrukci modulu optické pinzety, který je možné začlenit do optické sestavy koherencí řízeného digitálního holografického mikroskopu. Dílo je členěno do šesti kapitol, které jsou přehledně dělené na menší logické celky. V krátkém úvodu je srozumitelně podána motivace práce a přínos modulu optické pinzety jako volitelného rozšíření mikroskopu. V druhé kapitole diplomant stručně uvedl experimentální sestavu digitálního holografického mikroskopu včetně příkladu rekonstrukce trojrozměrného objektu. Třetí kapitola se věnuje optickým mikromanipulacím, jejich historickému vývoji a rozboru optických sil z teoretického i z experimentálního hlediska. Pozornost je věnována rovněž simultánnímu chytání více mikroobjektů, přičemž důraz je kladen na metodu časově sdílených optických pastí. Hlavní částí diplomové práce je kapitola 4, která se věnuje návrhu modulu laserové pinzety. Kapitola obsahuje schéma navrhované optické soustavy včetně počítačového modelu chodu paprsků soustavou, mechanický návrh modulu optické pinzety, návrh napájení zdroje laserového záření a postup nastavení modulu začleněného do aparatury digitálního holografického mikroskopu. V kapitole 5 se nachází testování optického modulu a jeho parametrů. Poslední kapitola shrnuje výsledky práce a definuje směr dalšího vývoje modulu optické pinzety. Diplomová práce obsahuje dvě přílohy – výkresovou dokumentaci sestavy i jednotlivých komponent mechanického návrhu a kompaktní disk s elektronickou podobou diplomové práce, výkresové dokumentace a modelu optické soustavy.
    Grafická podoba diplomové práce je na vysoké úrovni, schémata i grafy jsou kvalitní a dobře ilustrují řešení problému. Text práce je srozumitelný a počet překlepů a nejasností je minimální (např. v anglickém abstraktu je používáno „tweezer“ namísto „tweezers“, zkratka OPD je použitá na straně 15 a vysvětlená na straně 16, v obrázku 2.1 je použit symbol „G“ a v textu „DG“ a na straně 37 je poznámka „pps“ umístěna v textu odstavce místo pod čarou). Výkresová dokumentace je na dobré úrovni.
    Logické uspořádání práce je dobré. Možná je přílišná pozornost věnována teoretickému obecnému vyjádření optických sil v kapitole 3.2.3., zatímco v přehledu experimentálního měření sil chybí nejčastěji používaná metoda vycházející z frekvenční analýzy pohybu vázané částice (kapitola 3.2.4.), pro konstrukčně-experimentální práci by to bylo případnější.
    Mechanická konstrukce je velmi dobrá – je možné justovat jak divergenci laserového svazku, tak polohu konjugované roviny mezi galvano-optickými skenery. Rovněž elektronická část modulu je zdařilá – výkon diody, její chlazení i poloha zrcadel je řízená počítačem pomocí ADDA karty.
    V závěrečné experimentální části diplomant otestoval rychlost zrcadel a ověřil, že je postačující pro vytvoření časově sdílených pastí. Jedinou větší výtku v rámci celé diplomové práce bych měl k experimentálnímu ověření optické pinzety. Diplomantovi se nezdařilo zachytit žádné mikroobjekty (živé či neživé) do optické pasti, a to ani ve 2D režimu, kdy je objekt přitlačen k podložnímu sklíčku radiačním tlakem a gradientními silami je fixován v laterální rovině.
    Diplomant nastudoval česky i anglicky psané publikace týkající se problému a citacemi pokryl zdroje, ze kterých vychází.
Evaluation criteria Mark
Fulfilment of requirements and objectives of assignment C
Working process, extent and suitability of applied methods B
Scholarly contribution and originality B
Ability to interpret achieved results and draw conclusions B
Applicability of results in practice or theory A
Logical arrangement of thesis and its layout B
Grafic layout, used style and language level A
Work with used sources including quotations A

Grade proposed by reviewer: B