Введение к работе
Актуальность. Развитие науки и техники в последние десятилетия потребовало расширения функциональных возможностей лазерных манипуляторов и создания новых модификаций оптического пинцета. Это привело к созданию так называемых голографических оптических пинцетов, которые позволяют формировать сложные световые ловушки.
Разрабатываемые в настоящее время световые ловушки можно разделить на два основных типа - ловушки с четко выраженным максимумом интенсивности, предназначенные для манипулирования прозрачными частицами, показатель преломления которых больше, чем у окружающей среды, и ловушки с минимумом интенсивности, окруженным со всех сторон максимумом интенсивности, для захвата оптически неплотных и непрозрачных частиц.
Динамическое манипулирование с помощью ловушек первого типа может осуществляться за счёт использования последовательности фазовых изображений, выводимых на дисплей пространственного модулятора света (ПМС), при этом каждая из этих фаз задаёт новое расположение созданных световых ловушек. Для расчета таких фазовых функций широко использовались различные итеративные алгоритмы, такие как метод прямого бинарного поиска (M. Polin, 2005; J. Leach, 2006), ГС и его модификации (R. Di Leonardo, 2007; C. Hesseling, 2011).
Использование неитеративных методов, таких как обобщённый метод фазового контраста (R. Eriksen, 2002), метод суперпозиции призм и линз (J. Liesener, 2000; E. Curtis, 2005), метод кодирования случайной бинарной маской (M. Montes-Usategui, 2006; E. Pleguezuelos, 2007) позволяет уменьшить временные затраты на расчёт голограмм, что тем самым даёт возможность осуществлять более быстрое и плавное манипулирование объектами, захваченными в область световых ловушек.
Второй способ динамического манипулирования таких частиц заключается в формировании световых полей с определённой амплитудно-фазовой структурой. Такой способ предоставляет возможности быстрого и эффективного перемещения групп микрообъектов в микромеханике и биологии. Автоматическое манипулирование было реализовано группой под руководством В. Г. Во- лостникова с помощью вихревых световых полей с заданной структурой интенсивности и группой A. Jesa^er^ с помощью элементов с амплитудно-фазовой функцией пропускания, реализованных посредством модулятора света. Первый из этих способов имеет ограничения на структуру формируемых световых полей, вызванные их вихревым характером, второй способ требует высокой точности настройки оптической системы, и к тому же имеет ограничение на мощность излучения.
Для манипулирования микрообъектами с показателем преломления ниже, чем у окружающей среды, используются световые ловушки типа световые "бутылки" (J. Arlt, 2000) и полые световые пучки (Z. Liu, 2007, 2009). В большинстве работ рассматривались одиночные ловушки простой формы и лишь в работах группы под руководством J. Gluckstad для формирования массива ловушек был использован ПМС, а в работах X.-C. Yuan использовались составные голограммы, каждая из которых формировала отдельную световую «бутылку».
В большинстве из рассмотренных работ для реализации световых ловушек со сложным распределением используются динамические ПМС. Но модуляторы света имеют ряд недостатков: ограничение на максимальную мощность падающего лазерного излучения; высокая стоимость; крупная дискретность. Кроме того, из обзора можно сделать вывод о недостаточности исследования задачи формирования световых ловушек для объектов с показателем преломления ниже, чем у окружающей среды, которые имеют форму отличную от сферической. Видно, что на данный момент мало работ посвящено и автоматическому манипулированию микрообъектами без участия оператора. Таким образом, можно сделать вывод об актуальности задачи разработки методов расчёта фазовых ДОЭ, формирующих сложные световые ловушки, для осуществления манипулирования, в том числе и автоматического, объектами с различными показателями преломления.
Описанные выше проблемы делают актуальной тему диссертационного исследования, ее цель и основные задачи.
Цель диссертационной работы.
Экспериментально продемонстрировать возможность одновременного захвата и линейного перемещения в когерентном свете прозрачных и непрозрачных микрообъектов, с помощью нескольких пространственно разделенных оптических ловушек, согласованных с формой микрообъектов и сформированных с помощью фазовых бинарных дифракционных оптических элементов.
В соответствии с поставленной целью определены основные задачи диссертации:
-
Рассчитать и экспериментально исследовать новые типы когерентных световых ловушек, формируемых дифракционными оптическими элементами, в виде поперечных линий с градиентом фазы светового поля, который направлен вдоль световых линий. Экспериментально осуществить захват прозрачных микрообъектов в такие ловушки.
-
Разработать метод построения одной или нескольких световых ловушек типа «световая бутылка», имеющих вдоль оптической оси на некотором участке распределение интенсивности близкое к нулю, а в поперечной плоскости перпендикулярной этому отрезку - распределение интенсивности в виде заданного контура.
-
Рассчитать бинарные фазовые дифракционные оптические элементы, формирующие световые ловушки типа «световые бутылки» с контуром заданной формы и экспериментально подтвердить возможность захвата и перемещения в таких ловушках прозрачных и непрозрачных микрообъектов.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
1. Предложены световые ловушки в виде незамкнутых поперечных линий с заданным градиентом фазы светового поля, направленным вдоль этих линий, сформированные фазовыми бинарными дифракционными оптическими элементами. Экспериментально показано, что скорость перемещения захваченных полистироловых микрошаров диаметром 5мкм в такой световой ловушке пропорциональна градиенту фазы светового поля.
-
-
Разработан метод, основанный на представлении амплитуды светового поля в виде линейной суперпозиции конечного числа функций Бесселя нулевого порядка, для расчета фазовых бинарных дифракционных оптических элементов, формирующих несколько разнесенных в пространстве когерентных пучков («световых бутылок»), имеющих вдоль оптической оси на некотором участке распределение интенсивности близкое к нулю, а в поперечной плоскости перпендикулярной этому отрезку - распределение интенсивности в виде заданного контура.
-
Экспериментально сформированы световые ловушки, имеющие вдоль оптической оси на некотором участке распределение интенсивности близкое к нулю, а в поперечной плоскости перпендикулярной этому отрезку - распределение интенсивности в виде заданного контура. Аналитически показана возможность устойчивого оптического захвата прозрачного сферического микрообъекта в центре такой световой ловушки круглой формы. Экспериментально осуществлён захват и перемещение в таких ловушках полистироловых микрошаров диаметром 5мкм, а также оловянного микрообъекта диаметром около 3мкм.
На защиту выносятся:
-
-
-
Результаты экспериментов по линейному перемещению полистироловых частиц диаметром 5мкм в новых световых ловушках в виде незамкнутых поперечных линий, вдоль которых фаза имеет заданный градиент, доказывающие, что захваченная в такую световую линию полистироловая частица диаметром 5мкм перемещается вдоль нее со скоростью пропорциональной градиенту фазы светового поля.
-
Метод, основанный на представлении амплитуды светового поля в виде линейной суперпозиции конечного числа функций Бесселя нулевого порядка, для расчета фазовых бинарных дифракционных оптических элементов, формирующих несколько разнесенных в пространстве когерентных пучков («световых бутылок»), имеющих вдоль оптической оси на некотором участке распределение интенсивности близкое к нулю, а в поперечной плоскости перпендикулярной этому отрезку - распределение интенсивности в виде заданного контура.
-
Результаты экспериментов, в которых захват каждой частицы осуществлялся в отдельной световой ловушке типа «световая бутылка», сформированных с помощью лазерного пучка, преобразованного одним фазовым бинарным дифракционным оптическим элементом, демонстрирующих возможность одновременного захвата и линейного перемещения в поперечной плоскости нескольких полистироловых частиц диаметром 5мкм и оловянной частицы диаметром 3мкм.
Достоверность полученных результатов.
Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью математических выкладок и соответствием результатов расчетов и моделирования экспериментальным данным.
Авторский вклад.
Все результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично, либо при его определяющем личном участии.
Публикации.
Основные результаты диссертации опубликованы в 7 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также в материалах 9 Международных и Всероссийских научных конференций.
Апробация работы.
Результаты, вошедшие в диссертационную работу, представлялись на 9 конференциях, в том числе на 6 Международных и 3 Всероссийских: VII, VIII, X Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике (г. Самара, 2009, 2010, 2012); 7-я Международная конференция "ГОЛОЭКСПО-2010" (H0L0EXP0-2010) (Москва, 2010); 8-я Международная конференция "Г0Л0ЭКСП0-2011" (H0L0EXP0-2011) (Республика Беларусь, г. Минск, 2011); 9-я Международная конференция "ГолоЭкспо- 2012". Голография. Наука и практика. (г. Суздаль, 2012); Перспективные информационные технологии для авиации и космоса (ПИТ-2010). Международная конференция с элементами научной школы для молодежи (г. Самара, 2010); Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of 0pto- and Microelectronics (г. Самара, 2011); Молодёжная научная школа по нанофотонике в рамках 20-го международного конгресса Nanostructures: Physics and Technology (г. Самара, 2012).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (115 наименований), изложена на 137 страницах, содержит 139 рисунков.
Похожие диссертации на Световые ловушки сложной формы для захвата прозрачных и непрозрачных микрообъектов
-
-
-
