Субволновая оптическая ловушка в поле стоячей волны на основе фотонной струи

Настоящая полезная модель относится к области изучения свойств частиц биологической ткани и предназначена для удерживания частиц или манипулирования ими путем создания оптической ловушки (лазерного пинцета) сложной пространственной формы - фотонного крюка.
Она может быть использована при изучении структурных, биофизических, морфологических и оптических свойств частиц биологической ткани в условиях invivo и их взаимодействия с окружающей средой для удерживания частиц в определенном месте биоткани или манипулирования ими. Методы лазерной манипуляции микроскопическими и наноразмерными объектами представляют большой интерес для биологии, медицины, микромеханических технологий и являются одним из бурно развивающихся направлений фотоники. При этом функциональные возможности оптических пинцетов во многом определяются пространственной структурой оптических ловушек и степенью фокусировки излучения.
Феномен удержания микроскопических частиц в луче лазера был впервые описан в 1970 г. в статьях [Ashkin A. Acceleration and trapping of particles by radiation pressure // Phys. Rev. Lett. 1970. V. 24. P. 156-159; Ashkin A., Dziedzic J.M., Yamane T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams // Nature. 1987. V. 330. P. 769-771]. О важности этой проблемы говорит тот факт, что один из соавторов открытия указанного феномена Steven Chu был удостоен Нобелевской премии по физике в 1997 г. за работы по захвату и охлаждению атомов с помощью оптической ловушки.
grad
grad
grad
Для «захвата» микрочастицы в технологии оптического пинцета (ловушки) используется сильно фокусированный лазерный пучок. Так, известно [Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. Справочник по физике. М.: Наука, 3-е издание. 1965. С. 347-348], что при изменении плотности потока I светового поля вдоль произвольной оси x возникает сила Fэлектромагнитной природы, которая действует на диэлектрическую частицу, попадающую в пространственную область указанного изменения. Абсолютная величина силы Fзависит от градиента dI/dx в направлении оси x, а также от оптических и структурных параметров частицы и среды, в которой она находится. Силу Fназывают градиентной и используют в оптических ловушках (лазерных пинцетах) для захвата, перемещения и проведения иных бесконтактных операций с малыми частицами. Градиент интенсивности излучения затягивает частицу в область перетяжки пучка, тогда как давление света выталкивает ее по направлению оптической оси. Когда градиентная сила доминирует - частица «поймана» в области точки фокуса; в противном случае частица движется вдоль оптической оси [«оптический пинцет» http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article1445]. Причем обычно продольный градиент интенсивности поля создается за счет сильной фокусировки светового пучка, которая обеспечивается благодаря использованию микрообъектива с высокой числовой апертурой.
2
Область фокусировки излучения у такого микрообъектива имеет вид эллипсоида вращения. Минимальный размер поперечной оси эллипсоида вращения на уровне половинной мощности для идеальной безаберрационной линзы равен 1,22λF/D, где λ - длина волны используемого излучения, F - расстояние от линзы до области фокусировки и D - размер апертуры линзы. Размер продольной полуоси эллипсоида 8λ(F/D)[Борн М. Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973].
С точки зрения приближения геометрической оптики, феномен оптической ловушки можно объяснить следующим образом. Неоднородное распределение электромагнитного поля в перетяжке сильно сфокусированного лазерного пучка формирует эффективную потенциальную яму для частиц, находящихся вблизи перетяжки. Микрочастица, показатель преломления которой превышает показатель преломления окружающей среды, и имеющая размеры больше длины волны падающего света (например, полистирольные и латексные шарики диаметром около 1 мкм, живые клетки, живые бактерии и вирусы [Ashkin and Dziedzic. Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria // Science. 1987 Mar 20; 235(4795):1517-20]), при попадании в область перетяжки лазерного пучка преломляет и рассеивает падающее на нее излучение.
Если прозрачная микрочастица находится в центре перетяжки пучка, то направление и величина суммарного импульса света после прохождения светового пучка через частицу не меняется, она находится в положении равновесия. Если же в результате, например, броуновского движения, микрочастица смещается в любом направлении относительно центра перетяжки, происходит изменение направления суммарного импульса света после преломления и рассеяния на частице. Вследствие закона сохранения импульса возникают действующие на микрочастицу силы, возвращающие ее в положение равновесия. В равновесном положении, то есть когда микрочастица находится в центре перетяжки лазерного пучка, равнодействующая этих сил равна нулю. Если же микрообъект имеет меньший по сравнению с окружающей средой показатель преломления, то под действием лазерного пучка он будет выталкиваться из перетяжки [Ashkin A. Acceleration and trapping of particles by radiation pressure // Phys. Rev. Lett. 1970. V. 24. P. 156-159; Ashkin A., Dziedzic J.M., Yamane T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams // Nature. 1987. V. 330. P. 769-771].
Диэлектрические частицы размером меньше длины волны лазерного излучения также захватываются хорошо сфокусированным лазерным лучом. Их поведение объясняется с точки зрения теории электромагнетизма - диэлектрические частицы поляризуются в негомогенном электрическом поле лазерного луча и смещаются к оси луча, где напряженность поля максимальна.
Известно из уровня техники построение оптических "пинцетов", использующих оптические градиентные силы одного пучка света для управления местоположением маленькой диэлектрической частицы, погруженной в текучую среду, показатель преломления которой меньше, чем таковой у частицы.
Но развитие науки и техники в последние десятилетия потребовало расширения функциональных возможностей лазерных пинцетов (ловушек) и манипуляторов и создания новых модификаций оптического пинцета. Необходимость использования различных типов оптических ловушек вызвана тем, что частицы с показателем преломления выше, чем у окружающей среды притягиваются в область максимума интенсивности, в то время как частицы с показателем преломления ниже, чем у окружающей среды, выталкиваются из этих областей, и таким образом, их стабильный захват с помощью остро сфокусированного пучка становится невозможным.
Для автоматического перемещения микрообъектов по какой-либо траектории используются специальные фокусирующие элементы, обеспечивающие формирование в области ловушки заданного амплитудно-фазового распределения.
Так, в работе [Wu, F. Generation of self-imaged optical bottle beam by using axicons Текст. / F. Wu, W. Lu, B. Liu // Proc. of SPIE. 2010. V. 7721(1). - P. 77211C-1 - 77211C-6] описано устройство, где формируемый световой пучок имел вихревую фазу с заданным угловым орбитальным моментом, т.е. фактически рассматриваемые в работе фокусаторы формировали вихревое поле с заданной интенсивностью. В ряде работ использовались устройства фокусировки, в которых световые «бутылки» формировались за счет комбинации аксикона с двояковыпуклой линзой [Wang, X. Laser cavity for generation of variable-radius rings of light Текст. / X. Wang, M.G. Littman // Optics Letters. 1993. - Vol. 18(10). - P. 767-768; Tikhonenko, V. Excitation of vortex solitons in a Gaussian beam configuration Текст. / V. Tikhonenko, N.N. Akhmediev // Optics Communications. 1996. - Vol. 126(1). - P. 108-112], аксикона с двумя собирающими линзами [Mamaev, A.V. Vortex evolution and bound pair formation in anisotropic nonlinear optical media Текст. / A.V. Mamaev, M. Saffman, A.A. Zozulya // Phys. Rev. Lett. 1996. - Vol. 77(22). - P. 4544-4547], двух аксиконов с бинарным фазовым элементом [Herman, R.M. Production and uses of diffraction less beams Текст. / R.M. Herman, T.A. Wiggins // J. Opt. Soc. Am. 1991. - Vol. 8(6). - P. 932-942].
Однако такие устройства фокусировки позволяют формировать только одиночные световые «бутылки» простой формы, и с их помощью принципиально уже нельзя сформировать оптические ловушки, распределение интенсивности в сечении которых будет иметь форму отличную от кольца. Кроме того, изготовление таких элементов достаточно сложно, а погрешности изготовления приводят к нарушению структуры волнового фронта.
P
Известно устройство для формирования оптической ловушки, реализующее известный способ [A. Ashkin. Apparatuses for trapping and accelerating neutral particles. US Patent No. 370279. H01S 3/06, 3/09. 09.01.1973] захвата диэлектрической частицы в оптическую ловушку, создаваемую силами Fдавления света на частицу, формируемыми одним или несколькими лазерными источниками. Эти силы действуют в направлении распространения излучения.
Однако ему присущи недостатки. Во-первых, для классических линз, чем сильнее стянут пучок в фокус, тем быстрее он расходится после него. Это означает, что сила, удерживающая частицу, очень быстро падает по мере удаления от зоны захвата, и уже на расстоянии нескольких десятков микрон от фокуса оказывается недостаточной, чтобы снова захватить частицу. Однопучковая ловушка реально полезна лишь для захвата одиночной частицы и только в области фокуса, размер которой не меньше дифракционного предела.
Во-вторых, вследствие дифракционной расходимости сфокусированного классической линзой излучения, чем сильнее он расходится, тем хуже его фокусирует оптическая система, но получить идеально параллельный пучок принципиально невозможно из-за дифракции.
Более того, такое устройство принципиально не позволяет обеспечить фокусировку излучения в криволинейную область, что необходимо, например, для перемещения частицы «за преграду».
grad
Известно устройство для формирования оптической ловушки, реализующее известный способ [A. Ashkin. Non-destructive optical trap for biological particles and method of doing same. US Patent No. 4893886. G02B 27/00. 16.01.1990.] захвата биологической частицы в оптическую ловушку, включающее в себя источник излучения (лазер), генерирующий свет с фиксированной длиной волны в интервале от 800 до 1800 нм, фокусирующее устройство в виде осесимметричной собирающей линзы с малым фокусным расстоянием, в области фокуса (перетяжки пучка) которой формируется большой градиент светового поля и соответствующая сила F и микрочастицу, расположенную в области сфокусированного излучения. В известном устройстве для формирования оптической ловушки, сходящийся пучок лазера направляется в кювету, содержащую частицу, которая захватывается вблизи указанной фокальной точки собирающей линзы.
Для такого устройства также имеются недостатки. Во-первых, для классических линз, чем сильнее стянут пучок в фокус, тем быстрее он расходится после него. Это означает, что сила, удерживающая частицу, очень быстро падает по мере удаления от зоны захвата, и уже на расстоянии нескольких десятков микрон от фокуса оказывается недостаточной, чтобы снова захватить частицу. Однопучковая ловушка реально полезна лишь для захвата одиночной частицы и только в области фокуса, размер которого всегда не меньше дифракционного предела.
Во-вторых, вследствие дифракционной расходимости сфокусированного классической линзой излучения, чем сильнее он расходится, тем хуже его фокусирует оптическая система, но получить идеально параллельный пучок принципиально невозможно из-за дифракции.
Более того, такое устройство принципиально не позволяет обеспечить фокусировку излучения в криволинейную область, что необходимо, например, для перемещения частицы «за преграду».
Известно устройство для формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка по патенту РФ 161207, устройство для формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка, содержащее один или несколько источников когерентного излучения, фокусирующее устройство с малым фокусным расстоянием и микрочастицу, расположенную в области сфокусированного излучения, при этом фокусирующее устройство выполнено в виде диэлектрической частицы из материала, обеспечивающего оптический контраст по отношению к окружающей среде равный 1,2-1,75 и имеющей форму кубоида, одно ребро которого совмещено с одной боковой гранью прямой треугольной призмы, выполненной из того же материала и с размером ребра совпадающего с величиной ребра кубоида, равного (0,9-1,3)Nλ, где N- целое число, λ -длина волны используемого излучения в среде, при этом излучение падает на гипотенузу призмы.
Достоинством устройства является  возможность воздействия на периферию объекта (микрочастицы) и уменьшения негативного воздействия лазерной ловушки на объекты биологического происхождения, а также  возможность субволновой фокусировки в криволинейную область (фотонный крюк) для перемещения микрочастицы «за преграду».
Недостатком устройства является невозможность его работы в режиме на отражение падающего излучения.
Известно устройство для формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка по патенту РФ 195603, содержащее один или несколько источников когерентного излучения, фокусирующее устройство с малым фокусным расстоянием, выполненное в виде диэлектрической частицы из материала, обеспечивающего оптический контраст по отношению к окружающей среде, и микрочастицы, расположенной в области сфокусированного излучения, при этом фокусирующее устройство выполнено в форме кубоида, состоящего из двух частей в форме правильных треугольных призм, сопряженных по диагонали и выполненных из материалов с различными показателями преломления, с оптическим контрастом по отношению к окружающей среде первой правильной треугольной призмы, на боковую поверхность которой падает излучение, равным примерно 1,4-1,75, и показателем преломления материала второй правильной треугольной призмы меньше показателя преломления материала первой правильной треугольной призмы в 0,8-1,2 раза.
Недостатком устройства является невозможность его работы в режиме на отражение падающего излучения.
а
N
/N
N
-
N
-
2
1
2
1
Известно устройство динамически управляемой оптической ловушки позволяющей изменять форму области фокусировки излучения и ее положение в пространстве для оперативного манипулирования микро- и нано- частицами по патенту РФ 195550, содержащее жидкокристаллический слой, обладающий эффектом двулучепреломления и расположенный между электродами, при этом жидкокристаллический слой имеет форму кубоида, обеспечивающего оптический контраст по отношению к окружающей среде, равный 1,2-1,75 с величиной ребра, равного (0,9-1,3)nλ, где n - целое число, λ - длина волны используемого излучения в среде, и составлен из двух однородных треугольных призм, соединенных вдоль диагонали кубоида, c относительным показателем преломления = , находящимся в диапазоне примерно от 0,8 до 1,2, где показатель преломления материала однородной треугольной призмы на входе устройства и показатель преломления материала однородной треугольной призмы на выходе устройства.
Недостатком устройства является невозможность его работы в режиме на отражение падающего излучения.
Известно устройство «Субволновая оптическая ловушка в поле стоячей волны на основе фотонной струи» [Патент РФ 160834, Субволновая оптическая ловушка в поле стоячей волны], принятое за прототип и включающее в себя лазерный источник излучения, фокусирующее устройство, облучающее устройство формирования фотонной струи, расположенное на плоском экране, отражающем падающее на него излучение и микрочастицу, расположенную в области сформированной фотонной струи, при этом устройство формирования фотонной струи выполнено в виде диэлектрической пластины, с сечением прямоугольной пластины не менее диаметра падающего пучка излучения, толщиной прямоугольной пластины по нормали к отражающему экрану равной (0,3-1,5)λN, оптический контраст материала диэлектрика пластины составляет (1,2-1,95), где N - целое число, λ - длина волны излучения в среде.
Технической задачей полезной модели является обеспечение возможности субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме фотонного крюка в режиме работы на отражение излучения.
Поставленная задача решается тем, что cубволновая оптическая ловушка в поле стоячей волны на основе фотонной струи, содержащая лазерный источник излучения, фокусирующее устройство, отражающий экран, облучающее устройство формирования фотонной струи, выполненное в виде диэлектрической пластины, толщиной прямоугольной пластины по нормали к отражающему экрану равному (0,3-1,5)*λ, с показателем преломления материала пластины равному 1,2-1,95, где λ - длина волны излучения в среде, отличающаяся тем, что отражающий экран выполнен в виде вогнутого цилиндрического зеркала, состоящего из двух равных частей, смещенных одна относительно другой вдоль оптической оси, диэлектрическая пластина выполнена вогнутой, расположенной непосредственно на одной из половин цилиндрического зеркала и заполняющей впадину цилиндрического зеркала, образуя общую цилиндрическую поверхность из двух половин.
На Фиг. 1 показана схема заявляемого устройства: 1 - лазерное излучение, 2 - линза, 3 - первая часть цилиндрического зеркала, смещенная вдоль оптической оси относительно второй части цилиндрического зеркала 4, 5 – диэлектрическая пластина, 6 - фотонный крюк.
На Фиг. 2 приведены результаты математического моделирования формирования фотонного крюка в режиме на отражение излучения. Фотонный крюк моделировался с помощью численного решения уравнений Максвелла при падении электромагнитного излучения с длиной волны 671 нм на цилиндрическое составное зеркало из золота и диэлектрик с показателем преломления 1,61. Величина смещения половины цилиндрического зеркала вдоль оптической оси равнялась примерно 0,45λ.
Излучение 1, преимущественно от лазерного источника, с помощью классической линзы 2 направляется на цилиндрическое зеркало, состоящее из двух половин 3, 4. Первая часть цилиндрического зеркала 3, смещенная вдоль оптической оси относительно второй части цилиндрического зеркала 4. Первая часть цилиндрического зеркала 3 заполнена диэлектрической пластиной 5. Излучение 1 освещает диэлектрическую пластину 5, находящуюся на части цилиндрического зеркала 3. Излучение 1 отражаясь от части цилиндрического зеркала 3 формирует фотонную струю. Излучение 1 отражаясь от второй части цилиндрического зеркала 4 интерферирует с излучением отраженным от первой части цилиндрического зеркала и диэлектрической пластины 5, формирует фотонный крюк 6 (фиг.2). При этом падающее на диэлектрическую пластину 5 и цилиндрическое зеркало 4 излучение 1 с помощью линзы 2 является либо слабо сфокусированным, либо с плоским волновым фронтом, то есть острая фокусировка излучения 1 с помощью линзы 2 не требуется. В силу особенным образом подобранных параметров материала диэлектрической пластины 5 (оптического контраста материала диэлектрика пластины 5, равного отношению показателей преломления материала диэлектрика пластины к показателю преломления среды, в которой находится эта пластина) и ее размеров, в отраженном от металлического зеркала 3-4 излучении формируется фотонный крюк 5. При этом поперечные размеры области локализации электромагнитного поля (поперек фотонной струи) значительно меньше дифракционного предела и составляют величину порядка 0,35 длины волны излучения в среде, а сам фотонный крюк 6 оказывается промодулированной вдоль направления излучения фотонной струи стоячей волной.
Таким образом, сущность достигаемого положительного эффекта заключается в том, что фокусировка фактически осуществляется не линзой, а отражающим излучение цилиндрическим зеркалом с диэлектрической пластиной, выполняющей функции короткофокусной линзы с малым размером области фокусировки (фотонная струя). При этом у такой фотонной струи ширина перетяжки меньше классического дифракционного предела. В данном случае линза 2 играет роль не собственно фокусирующего устройства, а  фазового корректора, обеспечивающего облучение диэлектрической пластины плоским, либо слабо сфокусированным пучком.
Проведенные исследования показали, что при толщине пластины по нормали к отражающему экрану (0,3-1,5)λ, оптическом контрасте материала диэлектрика пластины (1,2-1,95), где λ - длина волны излучения в среде, формируется фотонный крюк (криволинейная область локализации электромагнитного поля вдоль распространения излучения). Причем, с увеличением оптического контраста материала кривизна крюка увеличивается, при субволновом разрешении. Протяженность фотонного крюка порядка длины волны используемого излучения.