Оптическая ловушка
OPTICAL TRAP

Изобретение относится к лазерной технике, в частности, оно может быть отнесено к оптическим устройствам захвата микрочастиц.
Оптические ловушки находят широкое применение, в первую очередь, в областях биофизики и биоинженерии для манипуляции отдельными клетками и в атомной и квантовой физике для создания ловушек холодных атомов для атомных часов, атомных чипов, гравитометров и др. Принцип действия оптических ловушек основан на возникновении градиентных сил, формирующих потенциальные ямы для прозрачных частиц или резонантных атомов в неоднородном электромагнитном поле. Перспективной разновидностью оптических ловушек являются кольцевые ловушки, в которых область максимальной интенсивности электромагнитной волны имеет цилиндрическую или коническую форму. Такие ловушки позволяют ограничивать захваченные частицы внутри некоторой области пространства.
Известна кольцевая оптическая ловушка на основе оптической системы трех соосных аксиконов, формирующей механически перестраиваемый по размерам кольцевой лазерный пучок (Shao В. et al., "Size tunable three-dimensional annular laser trap based on axicons" // Optics Letters - 2006 - V. 31. - P. 3375). Изменение параметров кольцевого лазерного поля в такой ловушке осуществляется перемещением аксиконов вдоль оси оптической системы. Недостатками ловушки являются малое быстродействие, ограниченное величиной единицами герц, и невозможность формировать произвольные радиальные распределения интенсивности.
Известна кольцевая оптическая ловушка на основе двух Лагерр-Гауссовых сфокусированных пучков, распространяющихся в противоположных направлениях и формирующих трехмерную область захвата частиц, имеющую форму двух конусов с общим основанием (Патент US 9,222,874 В2 от 29.12.2015). Такая ловушка может обеспечить стационарный трехмерный захват аэрозольных частиц. Недостатком ловушки является отсутствие элементов управления лазерными пучками, позволяющих динамически изменять конфигурацию ловушки, вследствие чего ловушка не может быть в процессе эксперимента переконфигурирована на захват частиц различного размера.
Известна полая цилиндрическая оптическая ловушка для холодных атомов лития, образованная тремя стационарными лазерными пучками - полым коническим пучком и двумя ортогональными эллиптическими пучками, образующими основания цилиндра (Виноградов В.А. и др., «Захват атомов лития в большую полую оптическую дипольную ловушку» // Квантовая электроника- 2020. - Т. 50 - С. 520). Недостатком ловушки также является стационарное распределение интенсивности лазерных пучков, что не позволяет динамически менять параметры ловушки в процессе эксперимента.
Наиболее близким техническим решением (прототипом) является кольцевая оптическая ловушка на основе быстродействующего электронно-перестраиваемого акустооптического фильтра пространственных частот лазерного излучения (Obydennov D.V. et al, "Ring-shaped optical trap based on acousto-optic tunable spatial filter" // Optics Letters. - 2021. - V. 46. - P. 4494). Недостатком прототипа является невозможность трехмерного управления захваченными частицами. Другим недостатком прототипа является малая эффективность преобразования энергии лазерного пучка, поскольку энергия нулевого порядка дифракции на выходе акустооптического фильтра в прототипе не используется.
Технической задачей изобретения является создание трехмерной оптической ловушки с цилиндрической формой области захвата и динамически управляемой геометрией лазерного поля.
Техническим результатом изобретения является повышение эффективности использования энергии лазерного пучка и возможность трехмерного управления радиусом и положением оснований цилиндрической зоны захвата с быстродействием до 100 кГц.
Указанный технический результат достигается следующим образом. Оптическая ловушка состоит из лазерного источника, на оси пучка излучения которого последовательно расположены телескоп, пространственный шейпер, первый объектив, акустооптический фильтр, второй объектив, призма Глана-Тейлора, первый акустооптический дефлектор, второй акустооптический дефлектор и непрозрачное зеркало, на оси пучка, отраженного зеркалом, последовательно расположены первая линза, третий объектив и прозрачная кювета, на оси пучка, отраженного призмой Глана-Тейлора, расположены последовательно вторая линза и дихроичное зеркало, на оси пучка, отраженного дихроичным зеркалом, последовательно расположены четвертый объектив, указанная кювета, пятый объектив, третья линза и некогерентный источник, ось излучения которого совпадает с осью и направлена в противоположную сторону, на оси пучка излучения указанного некогерентного источника последовательно расположены шестой объектив и камера, содержащая матрицу приборов с зарядовой связью, компьютер, соединенный первым интерфейсным кабелем с указанной камерой, первый генератор сигналов, соединенный вторым интерфейсным кабелем с указанным компьютером и первым высокочастотным кабелем с указанным фильтром, второй генератор сигналов, соединенный третьим интерфейсным кабелем с указанным компьютером и вторым высокочастотным кабелем с указанным первым дефлектором, третий генератор сигналов, соединенный четвертым интерфейсным кабелем с указанным компьютером и третьим высокочастотным кабелем с указанным вторым дефлектором, причем лазерный источник имеет вертикальную поляризацию излучения и горизонтальную ось излучаемого пучка, акустооптический фильтр имеет конструкцию, обеспечивающую вертикальную поляризацию входного пучка, горизонтальную поляризацию пучка первого порядка дифракции и направление пучка первого порядка дифракции, совпадающее с направлением входного пучка, второй объектив расположен софокусно первому объективу, призма Глана-Тейлора ориентирована так, что ее входная и выходная грани ортогональны оси пучка лазерного излучения, а боковая выходная грань горизонтальна, первый акустооптический дефлектор имеет конструкцию, обеспечивающую вертикальную поляризацию входного пучка и горизонтальную поляризацию выходного пучка, второй акустооптический дефлектор имеет конструкцию, обеспечивающую горизонтальную поляризацию входного пучка и вертикальную поляризацию выходного пучка и расположен так, что его рабочая плоскость ортогональна рабочей плоскости первого дефлектора, третий объектив расположен софокусно первой линзе, ось пучка, отраженного дихроичным зеркалом, горизонтальна, проходит через кювету и пересекается с осью пучка, отраженного непрозрачным зеркалом, четвертый объектив расположен софокусно второй линзе, кювета расположена в заднем фокусе третьего объектива и в задней фокальной плоскости четвертого объектива, пятый объектив расположен софокусно четвертому объективу, третья линза перестраивает изображение задней фокальной плоскости пятого объектива в плоскость некогерентного источника, матрица приборов с зарядовой связью расположена в задней фокальной плоскости шестого объектива.
Изобретение поясняется фиг. 1, на котором приведена общая схема оптической ловушки.
На фиг. 1 обозначены: лазерный источник 1, ось 2 пучка излучения источника 1, телескоп 3, пространственный шейпер 4, первый объектив 5, акустооптический фильтр 6, второй объектив 7, призма Глана-Тейлора 8, первый акустооптический дефлектор 9, второй акустооптический дефлектор 10, непрозрачное зеркало 11, ось 12 пучка, отраженного зеркалом 11, первая линза 13, третий объектив 14, прозрачная кювета 15, ось 16 пучка, отраженного призмой Глана-Тейлора 8, вторая линза 17, дихроичное зеркало 18, ось 19 пучка, отраженного дихроичным зеркалом 18, четвертый объектив 20, пятый объектив 21, третья линза 22, некогерентный источник 23, ось 24 пучка излучения некогерентного источника 23, шестой объектив 25, камера 26, матрица 27 приборов с зарядовой связью, компьютер 28, первый интерфейсный кабель 29, первый генератор сигналов 30, второй интерфейсный кабель 31, первый высокочастотный кабель 32, второй генератор сигналов 33, третий интерфейсный кабель 34, второй высокочастотный кабель 35, третий генератор сигналов 36, четвертый интерфейсный кабель 37, третий высокочастотный кабель 38. Пример реализации.
2
Устройство содержит лазерный источник 1 ближнего инфракрасного диапазона, длина волны излучения которого лежит в диапазоне от 750 до 1000 нм. Телескоп 3 расширяет лазерный пучок до диаметра, соответствующего входному диаметру оптического пучка пространственного шейпера 4. Шейпер 4 представляет собой телескоп на основе асферических линз, преобразующий гауссов пучок в однородный круговой пучок лазерного излучения (например, модель πShaper 6_6_TiS производства AdlOptica GmbH., г. Берлин, Германия). Объектив 5 осуществляет оптическое преобразование Фурье и формирует сфокусированный пучок на входе акустооптического фильтра 6. Акустооптический фильтр 6 при монохроматическом освещении является управляемым фильтром пространственных частот с кольцевой формой двумерной передаточной функции. Наиболее распространенным материалом для акустооптических фильтров ближнего инфракрасного диапазона является монокристаллический ТеО (парателлурит). Возможная конструкция акустооптического фильтра 6 показана на фиг. 2. Эффективность дифракции, близкая к 100%, в таком фильтре достигается при мощности управляющего радиосигнала не более 500 мВт. На выходе фильтра 6 существует два оптических пучка: нулевой и первый дифракционный порядки. Объектив 7 осуществляет оптическое обратное преобразование Фурье и формирует коллимированные пучки.
Пучок нулевого порядка дифракции на выходе фильтра 6 имеет вертикальную поляризацию и проходит через призму Глана-Тейлора 8. Первый акустооптический дефлектор 9 и второй акустооптический дефлектор 10 обеспечивают двухкоординатное сканирование или изменение распределения интенсивности лазерного пучка. Акустооптические дефлекторы для ближнего инфракрасного диапазона длин волн изготавливаются на основе парателлурита. Входной пучок дефлектора на основе парателурита является необыкновенной волной (поляризация параллельна плоскости дифракции), а выходной пучок является обыкновенной волной (поляризация ортогональна плоскости дифракции). Таким образом, первый акустооптический дефлектор 9 имеет вертикальную ориентацию плоскости дифракции, а второй акустооптический дефлектор 10 имеет горизонтальную ориентацию плоскости дифракции.
Типичные дефлекторы имеют эффективность не менее 90% (Yushkov K.В. et al., "Characterization and alignment of acousto-optic devices using digital tailored RF waveforms" // Applied Optics – 2022 - V. 61 - P. 5144). Непрозрачное зеркало 11 направляет пучок в первую линзу 13 и третий объектив 14. Первая линза 13 осуществляет перестроение изображения из выходной плоскости второго дефлектора 10 в переднюю фокальную плоскость третьего объектива 14. Третий объектив 14 осуществляет оптическое преобразование Фурье и преобразует угловое отклонение пучка дефлекторами 9 и 10 в пространственное отклонение пучка в задней фокальной плоскости.
Пучок первого порядка дифракции на выходе фильтра 6 имеет горизонтальную поляризацию и отклоняется призмой Глана-Тейлора 8. Дихроичное зеркало 18 отклоняет пучок первого порядка дифракции и направляет его на четвертый объектив 20. Вторая линза 17 обеспечивает масштабирование пучка и согласование его размера с размером зрачка в передней фокальной плоскости четвертого объектива 20. Четвертый объектив 20 осуществляет оптическое преобразование Фурье и преобразует конический угловой спектр пучка, сформированного акустооптическим фильтром 6, в кольцевое пространственное распределение интенсивности.
Наблюдение захватываемого объекта осуществляется по схеме Келера. Некогерентным источником излучения 23 служит, например, светодиод, излучающий в видимой части спектра. Излучение источника 23 коллимируется третьей линзой 22 и фокусируется в плоскости объекта пятым объективом 21. Изображение на бесконечности строится пятым объективом 20. Пучок проходит через дихроичное зеркало 18, после чего действительное изображение строится шестым объективом 25 на матрице 27 приборов с зарядовой связью. Изображение с матрицы 27 регистрируется и отображается компьютером 28.
Акустооптический фильтр 6 формирует в кювете 15 цилиндрический лазерный пучок, ось которого параллельна оси 19. Управляющий радиочастотный сигнал для акустооптического фильтра 6 формируется генератором 30. Для формирования динамически изменяемых распределений интенсивности лазерного пучка используется управление частотой сигнала генератора 30 (например, модель 33622А производства Keysight Technologies, г. Санта Роза, США) при помощи компьютера 28. Например, изменение частоты радиосигнала, подаваемого на акустооптический фильтр 6 по пилообразному закону может быть использовано для агрегации (группировки) или дисагрегации (расталкивания) захваченных микрочастиц (Obydennov D.V. et al., "Ring-shaped optical trap based on acousto-optic tunable spatial filter" // Optics Letters - 2021. - V. 46-P. 4494).
Управляющие радиочастотные сигналы для первого акустооптического дефлектора 9 и второго акустооптического дефлектора 10 формируются генераторами 33 и 36. Для формирования сложных пространственных распределений лазерного пучка используется программируемое управление генераторами 33 и 36 при помощи компьютера 28. Например, подача двухчастотного радиосигнала позволяет формировать одновременно два пятна лазерного излучения, а подача многочастотного или частотно-модулированного радиосигнала позволяет формировать линейное распределение интенсивности лазерного пучка (Trypogeorgos D. et al., "Precise shaping of laser light by an acousto-optic deflector" // Optics Express.- 2013. - V. 21. - P. 24837).
Лазерный пучок, управляемый вторым акустооптическим дефлектором 9 перемещается в кювете 15 ортогонально оси 19 при изменении частоты сигнала, формируемого вторым генератором 33. Создание многочастотного сигнала вторым генератором 33 проводит к формированию нескольких максимумов интенсивности вдоль оси 19. Второй акустооптический дефлектор 10 осуществляет развертку пучка в плоскости, ортогональной оси 19, для чего генератор 36 формирует многочастотный радиосигнал.
Таким образом, в кювете 15 можно создавать электронно-перестраиваемое лазерное поле с изменяемой геометрией от кольцевого распределения интенсивности до цилиндрического, формирующее область захвата микрочастиц с быстродействием до 100 мкс. Кольцевое поле может быть использовано для трехмерного захвата прозрачных частиц (например, микросфер, клеток, клеточных сфероидов). Цилиндрическое поле может быть использовано для захвата металлических частиц. Цилиндрическое поле также может быть использовано для захвата холодных атомов, для чего частота лазерного излучения должна быть смещена вверх относительно резонансной частоты межуровневого перехода захватываемых атомов (Виноградов В. А. и др., «Захват атомов лития в большую полую оптическую дипольную ловушку» // Квантовая электроника - 2020. - Т. 50 - С. 520).