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).
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. Accelerationandtrappingofparticlesbyradiationpressure // 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 StevenChu 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 F электромагнитной природы, которая действует на диэлектрическую частицу, попадающую в пространственную область указанного изменения. Абсолютная величина силы F зависит от градиента dI/dx в направлении оси x, а также от оптических и структурных параметров частицы и среды, в которой она находится. Силу F называют 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, живые клетки, живые бактерии и вирусы [AshkinandDziedzic.Opticaltrappingandmanipulationofvirusesandbacteria. Science. 1987 Mar 20; 235(4795):1517-20]) при попадании в область перетяжки лазерного пучка преломляет и рассеивает падающее на нее излучение.
Так как фокус сфокусированного пучка является максимумом интенсивности в продольном распределении пучка [Борн М. Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973], то частица притягивается в фокус, т.е. при отсутствии других сил микрообъект будет двигаться в сторону фокуса. Для этого пучок света должен быть как можно более сильно сфокусированным. Т.е. если прозрачная микрочастица находится в центре перетяжки пучка, то направление и величина суммарного импульса света после прохождения светового пучка через частицу не меняется, и 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 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 остросфокусированного пучка становится невозможным.
Известно устройство, реализующее известный способ [A.Ashkin. Apparatuses for trapping and accelerating neutral particles.US PatentNo. 370279. H01S 3/06, 3/09. 09.01.1973] захвата диэлектрической частицы в оптическую ловушку, создаваемую силами FP давления света на частицу, формируемыми одним или несколькими лазерными источниками. Эти силы действуют в направлении распространения излучения. Устройство состоит из источника излучения (лазер), генерирующий свет с фиксированной длиной волны, фокусирующее устройство в виде осесимметричной собирающей линзы с малым фокусным расстоянием, и микрочастицы, расположенной в области сфокусированного излучения [А. Эшкин. Давление лазерного излучения. УФН, Том 110, вып. 1, С. 101-116 (1973 г.)].
Существенным недостатком известного устройства является то, что в схеме классического микроскопа (т.е. излучение направлено сверху вниз) для получения значительной силы, действующей против направления распространения излучения, необходимо как можно сильнее фокусировать пучок. При этом осевая сила всегда слабее поперечной в несколько раз (более 3). В этом случае частица легко освобождается из ловушки (плохо удерживается).
Кроме того, с помощью классических линз и объективов невозможно получить сфокусированный пучок с размером перетяжки (в поперечном относительно направления распространения излучения) размером меньше дифракционного предела, а реально всегда поперечный размер области фокусировки превышает дифракционный предел.
grad
Известно устройство [Ghislain L.P., Webb W.W. Scanning-force microscope based on an optical trap // Opt. Lett. Vol. 18, Issue 19, pp. 1678-1680 (1993) doi: 10.1364/OL.18.001678], включающее в себя источник излучения (лазер), генерирующий свет с фиксированной длиной волны, 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.
Известный оптический пинцет имеет ряд недостатков. Существенным недостатком известного устройства является то, что в схеме классического микроскопа (т.е. излучение направлено сверху вниз) для получения значительной силы, действующей против направления распространения излучения, необходимо как можно сильнее фокусировать пучок. При этом осевая сила всегда слабее поперечной в несколько раз (более 3). В этом случае частица легко освобождается из ловушки (плохо удерживается).
grad
Известна оптическая ловушка в поле стоячей волны [Zemanek P. etal.Optical trapping of Rayleigh particles using a Gaussian standing wave // Opt. Commun. 1998. V. 151. P. 273-285] и включающая в себя источник излучения (лазер), генерирующий свет с фиксированной длиной волны, 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, при этом со стороны, противоположной направлению падения излучения на микрочастицу, позади микрочастицы расположен плоский экран, отражающий падающее на нее излучение.
В случае, когда в образце присутствуют поверхности с высоким коэффициентом отражения, вблизи отражающей поверхности формируется стоячая волна в результате интерференции падающей и отраженной волн [P.Zemanek, A. Jonas, L. Sramek, and М. Liska. Opticaltrappingofnanoparticlesandmicroparticlesby a Gaussianstandingwave // OpticsLett. 24, 1448 (1999)], и микрочастица будет локализована в пучностях такой ловушки, разделенных на половину длины волны вдоль оптической оси ловушки. Таким образом, плоский отражающий экран производит дополнительную градиентную силу, удерживающую микрочастицу и реализуется эффект захвата и притяжения частиц к пространственному максимуму электрического поля стоячей волны, который оказывает значительное влияние на потенциал оптической ловушки. Это приводит к значительному увеличению жесткости ловушки вдоль направления оптической оси за счет высокого градиента электромагнитного поля в образующейся стоячей волне.
Однако изготовление таких фокусирующих элементов (линз с малым фокусным расстоянием) достаточно сложно, а погрешности изготовления приводят к нарушению структуры волнового фронта и определяют качество фокусировки и степень пространственной локализации электромагнитного поля в области фокуса линзы.
Во всех рассмотренных устройствах имеются следующие недостатки. 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 несколько 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 из-за фундаментальных ограничений не меньше дифракционного предела.
Кроме того, вследствие дифракционной расходимости сфокусированного классической линзой излучения (чем сильнее он расходится, тем хуже его фокусирует оптическая система), получить идеально параллельный пучок принципиально невозможно из-за дифракции.
Невозможно получить сфокусированный пучок с размером перетяжки (в поперечном относительно направления распространения излучения) размером меньше дифракционного предела (в работе [J.Barton, D. Alexander. Fifth-order corrected electromagnetic field components for a fundamental Gaussian beam // J. Appl. Phys. 66, 2800-2802 (1989)] показано, что Гауссовский пучок не может быть сфокусирован в поперечную область с размером перетяжки меньше 1.6 длины волны).
Известно устройство «Субволновая оптическая ловушка в поле стоячей волны на основе фотонной струи» [Патент РФ 160834], 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 упрощение изготовления оптической ловушки на основе фотонных струй при уменьшении величины показателя преломления устройства формирования фотонной струи в режиме на «отражение».
Поставленная задача решается тем, что субволновая оптическая ловушка в поле стоячей волны на основе фотонной струи, содержит 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, согласно полезной модели устройство формирования фотонной струи выполнено в форме диэлектрического шарика с показателем преломления материала лежащего в диапазоне примерно от 1.05 до 1.36 и с диаметром не менее λ, где λ длина волны освещающего шарик излучения. Кроме того, отражающий экран выполнен из диэлектрика с показателем преломления не менее 2.7.
На Фиг. 1 показана схема заявляемого устройства: 1 - лазерное излучение, 2 - линза, 3 - отражающий экран, 4 - фотонная струя, 5 - микрочастица, 6 - диэлектрический шарик.
На Фиг. 2 показан пример формирования фотонной струи в режиме на «отражение» шариком диаметром 4λ с показателем преломления равным 1.16, расположенным на плоском отражающем диэлектрическом экране толщиной 0.4λ, с размерами примерно 6.5λ х 6.5λ и показателем преломления 2.77, где λ длина волны используемого излучения. Ширина фотонной струи составляет 0.48λ.
Субволновая оптическая ловушка в поле стоячей волны работает следующим образом (Фиг. 1).
Излучение 1 преимущественно от лазерного источника с помощью классической линзы 2 направляется на микрочастицу 5 и далее падает на диэлектрический шарик 6, находящийся на плоском диэлектрическом экране (зеркале) 3. При этом падающее на шарик 6 излучение 1 с помощью линзы 2 является либо слабосфокусированным, либо с плоским волновым фронтом, то есть острая фокусировка излучения 1 с помощью линзы 2 не требуется. В результате прошедшее через шарик 6 излучение 1 отражается от диэлектрического экрана 3 и интерферирует с падающим волновым фронтом 1. В силу особенным образом подобранных параметров материала шарика 6 (оптического контраста материала диэлектрика шарика 6, равного отношению показателей преломления материала шарика к показателю преломления среды, в которой находится этот шарик) и ее размеров, в отраженном от диэлектрического экрана 3 излучении формируется фотонная струя 4. При этом поперечные размеры области локализации электромагнитного поля (поперек фотонной струи) равны или меньше дифракционного предела.
Проведенные исследования показали, что минимальный размер шарика, при котором еще возможно формирование фотонной струи в режиме на отражение составляет не менее λ.
Было установлено, что при показателе преломления материала шарика менее 1.05 фотонная струя не формируется, а при более 1.36 фотонная струя формируется внутри шарика.
При выполнении отражающего экрана из диэлектрика, с увеличением показателя преломления материала экрана возрастает доля энергии отраженного от него и увеличивается максимальная интенсивность в фотонной струе. При показателе преломления примерно не менее 2.7 максимальная интенсивность в фотонной струе совпадает со случаем металлического экрана.
При уменьшении показателя преломления материала шарика требуется увеличить диаметр шарика.
В качестве материала шарика могут быть использованы искусственные материалы, известные из технической литературы, например, материалы с показателем преломления в диапазоне от 1.002 до 1.265 [A.Yu. Barnyakov, M. Yu. Barnyakov, V.S. Bobrovnikov, A.R. Buzykaev, A.F. Danilyuk, V.L. Kirillov, S.A. Kononov, E.A. Kravchenko, A.P. Onuchin, “FocusingaerogelRICH (FARICH)”, Nucl. Instrum.Methods Phys. Res. A 553 70-75 (2005); X.A. Zhang, A. Bagal, E.C. Dandley, J. Zhao, C.J. Oldham, B.I. Wu, G.N. Parsons, C.H. Chang, “Ordered 3D thin-shell nanolattice materials with near-unity refractive indices”, Adv. Funct. Mater. 25 6644 (2015); M. Tabata, I. Adachi, T. Fukushima, H. Kawai, H. Kishimoto, A. Kuratani, H. Nakayama, S. Nishida, T. Noguchi, K. Okudaira, Y. Tajima, H. Yano, H. Yokogawa, H. Yoshida, “Development of silica aerogel with any density”, 2005 IEEE Nuclear Science Symposium - Conference Record. Vol. 2.,PuertoRico (2005)].
Изготовление микрошариков возможно, например, по способу и технологиям описанных в патенте РФ 1701652, 2325959, 2527427 и патенте США 4385917.
Таким образом, в заявляемой полезной модели субволновой оптической ловушки в поле стоячей волны на основе фотонной струи локализация электромагнитного поля вдоль оси распространения излучения осуществляется не линзой, а фотонной струей, образованной при взаимодействии падающего излучения на диэлектрический шарик. Преимуществом заявляемой субволновой оптической ловушки в поле стоячей волны является также возможность изготовления растра фотонных струй при облучении растра диэлектрических шариков на отражающем экране широким пучком излучения.
Новизна заявляемой субволновой оптической ловушки в поле стоячей волны на основе фотонной струи заключается в том, что создание локализованного остросфокусированного электромагнитного поля в виде фотонной струи, промодулированной стоячими волнами, с помощью диэлектрического шарика с низким значением показателя преломления на отражающем экране, является новым и не очевидным применением, ранее нигде не использовавшимся.