Устройство для формирования оптической ловушки с хиральной симметрией
APPARATUS FOR FORMING AN OPTICAL TRAP WITH CHIRAL SYMMETRY

Настоящее изобретение относится к области изучения свойств частиц биологической ткани и наночастиц, и предназначено для удерживания частиц или манипулирования ими путем создания оптической ловушки (лазерного пинцета) и может быть использовано для связи и оптической вихревой микроскопии.
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.
I
x
F
F
dI/dx
x
F
grad
grad
grad
Для «захвата» микрочастицы в технологии оптического пинцета (ловушки) используется сильно сфокусированный 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  светового поля вдоль произвольной оси  возникает сила  электромагнитной природы, которая действует на диэлектрическую частицу, попадающую в пространственную область указанного изменения. Абсолютная величина силы  зависит от градиента  в направлении оси , а также от оптических и структурных параметров частицы и среды, в которой она находится. Силу  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).
Продольный градиент интенсивности поля создается за счет сильной фокусировки светового пучка, которая обеспечивается благодаря использованию микрообъектива (линзы) с высокой числовой апертурой.
λF/D
λ
F
D
λ(F/D)
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 1,22, где  – длина волны используемого излучения,  – расстояние от линзы до области фокусировки и  – размер апертуры линзы. Размер продольной полуоси эллипсоида 8 (Борн М. Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973).
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).
FP
Известно устройство, 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  давления света на частицу, формируемыми одним или несколькими лазерными источниками. Эти силы действуют в направлении распространения излучения. Устройство состоит из источника излучения (лазер), генерирующего свет с фиксированной длиной волны, фокусирующего устройства 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.)).
F
grad
Известно устройство оптической ловушки (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), генерирующего свет с фиксированной длиной волны, фокусирующего устройства в виде осесимметричной собирающей линзы с малым фокусным расстоянием, в области фокуса (перетяжки пучка) которой формируется большой градиент светового поля и соответствующая сила  и микрочастицу, расположенную в области сфокусированного излучения.
F
grad
Известна оптическая ловушка в поле стоячей волны (Zemanek P. et al. Optical trapping of Rayleigh particles using a Gaussian standing wave // Opt. Commun. 1998. V. 151. P. 273-285), 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 , 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.
Все известные технические решения оптических ловушек обладают существенными недостатками: с помощью классических линз и объективов невозможно получить сфокусированный пучок с размером перетяжки (в поперечном относительно направления распространения излучения) размером меньше дифракционного предела, большие габариты устройства, невозможностью получить сфокусированный пучок с хиральными боковыми лепестками.
Известна оптическая ловушка по патенту РФ 160834, содержащая источник излучения (лазер), фокусирующее устройство обеспечивающее формирование фотонной струи в режиме на отражение, микрочастицу, расположенную в области фокуса сфокусированного падающего на нее излучения, а позади микрочастицы расположен плоский экран, отражающий падающее на него излучение.
Известно устройство для формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка (Патент РФ 161207) 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 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 и микрочастицу, расположенную в области сфокусированного 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.
Известно устройство мезомасштабной оптической ловушки в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков (Патент РФ 167405), состоящее из последовательно расположенных источника излучения, первого устройства формирования области фокусировки, регистрируемой частицы, второго устройства формирования области фокусировки, расположенного навстречу первому устройству формирования области фокусировки, и второго источника излучения, при этом оба устройства формирования области фокусировки выполнены в виде мезомасштабных диэлектрических частиц, формирующих фотонные струи, кроме того, как минимум один источник излучения выполнен с возможностью изменения длины волны излучения. Мезомасштабные диэлектрические частицы быть выполнены в виде диэлектрических частиц различной формы, например, сферы, кубоида, пирамиды, осесимметричной пирамиды, цилиндра и т.д., с характерным размером порядка длины волны используемого излучения, при этом параметры формируемой фотонной струи слабо зависят от формы мезоразмерной диэлектрической частицы.
а
N
/N
N
–
–
2
1
2
1
Известна динамически управляемая оптическая ловушка (Патент РФ 195550),содержащая жидкокристаллический слой, обладающий эффектом двулучепреломления, расположенный между электродами и имеющий 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 Nпоказатель преломления материала однородной треугольной призмы на выходе устройства.
Достоинством всех известных устройств оптических ловушек являются получение сфокусированного пучка с размером перетяжки менее дифракционного предела, малые габариты.
Недостатком известных устройств является невозможность получить сфокусированный пучок с боковыми лепестками с хиральной симметрией.
В качестве прототипа выбрано устройство для формирования оптической ловушки с хиральными боковыми лепестками, приведенное в работе Minin I.V., Minin O.V., and 4 more. Experimental demonstration of Square Fresnel zone plate with chiral side lobes // Applied Optics. 2017. Vol. 56, № 13. P. 128-133), содержащее источник излучения (лазер) с линейной поляризацей излучения и генерирующий свет с фиксированной длиной волны, фокусирующее устройство в виде киральной квадратной зонной пластиной Френеля, с границами зон полученных путем поворота зон полупериода относительно друг друга, и микрочастицы, расположенной в области сфокусированного излучения.
Достоинством устройства является то, что поворот зон полупериода относительно друг друга в квадратной зонной пластине, в свою очередь, закручивает боковые лепестки дифракционной картины без изменения ее фокусирующих свойств. Как следствие, профиль сфокусированного пучка является гибридным, состоящим из сильного центрального гауссова фокального пятна с градиентной силой, аналогичной силе, создаваемой линзой, и скрученных боковых лепестков с орбитальным угловым моментом.
Было обнаружено, что такая оптическая ловушка позволяет захватывать объекты в большей пространственной области, в отличие от обычного захвата, где пятно должно быть перекрыто частицей, по крайней мере частично, чтобы захватить ее. Кроме того, такие оптические ловушки могут быть полезны для связи и оптической вихревой микроскопии (Ł. Płocinniczak, A. Popiołek-Masajada, J. Masajada, and M. Szatkowski, Analytical model of the optical vortex microscope // Appl. Opt. 55, B20–B27 (2016)).
Недостатком известного устройства формирования оптической ловушки с сфокусированным пучком с боковыми лепестками с хиральной симметрией является то, что с помощью классических линз невозможно получить сфокусированный пучок с размером перетяжки (в поперечном относительно направления распространения излучения) размером меньше дифракционного предела и большие габариты устройства, не менее (10-20)λ, где λ длина волны излучения, облучающего линзу, для обеспечения возможности фокусировки излучения, при этом область фокусировки излучения находится на расстоянии от поверхности линзы.
Технической задачей изобретения является уменьшение габаритов устройства.
Поставленная задача решается тем, что устройство для формирования оптической ловушки с хиральной симметрией, состоящее из источника излучения (лазер) генерирующего свет, фокусирующего устройства и микрочастицы, расположенной в области сфокусированного излучения, согласно изобретения фокусирующее устройство выполнено в виде диэлектрической частицы из материала, обеспечивающего оптический контраст по отношению к окружающей среде не более примерно 2,1-2,2, имеющей форму правильного гексáэдра, с размерами ребра не менее λ/2 и не более примерно 5λ, где λ - длина волны излучения и облучаемое по нормали к ее грани излучением с круговой поляризацией.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии настоящей заявки на изобретение критерию «новизна».
Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков заявки на изобретение на достигаемый технический результат. Указанные новые свойства объекта обуславливают, по мнению заявителя, соответствие изобретения критерию «изобретательский уровень».
На Фиг. 1 показана схема предлагаемого устройства.
На Фиг. 2 представлен пример результатов вычислительного эксперимента по фокусировке излучения с различной поляризацией диэлектрическим правильным гексáэдром в воздухе с показателем преломления, примерно равным 2,1-2,2, и размером ребра 2λ, где λ – длина волны освещающего излучения: а – линейная поляризация (Е поле); б – линейная диагональная поляризация (Е поле); в – круговая поляризация (Е поле). Моделирование проводилось с помощью численного решения уравнений Максвелла.
Обозначения: 1 – источник оптического излучения (лазер); 2 – оптическое излучение с круговой поляризацией; 3 – фокусирующее устройство в виде диэлектрического правильного гексáэдра с относительным показателем преломления примерно равным 2,1-2,2 и размером ребра (2-3)λ, где λ – длина волны освещающего излучения; 4 – область фокусировки; 5 – захватываемая микрочастица.
Устройство для формирования оптической ловушки с хиральной симметрией работает следующим образом. Источник оптического излучения 1 облучает фокусирующее устройство 3, выполненное в виде диэлектрической частицы в виде правильного гексáэдра из материала, обеспечивающего оптический контраст по отношению к окружающей среде не более примерно 2,1-2,2, с размерами ребра правильного гексáэдра не менее λ/2, где λ – длина волны излучения. Облучение излучением с круговой поляризацией 2 происходит по нормали к грани правильного гексáэдра. При этих условиях на выходе правильного гексáэдра, в результате дифракции и интерференции волн, непосредственно на теневой поверхности правильного гексáэдра формируется область фокусировки излучения 4 с размером перетяжки менее дифракционного предела, в которой находится захватываемая микрочастица 5. Уменьшение величины перетяжки области фокусировки по сравнению с размером перетяжки линзы (прототипа) приводит  к увеличению плотности энергии в области фокусировки.
При оптическом контрасте по отношению к окружающей среде более примерно 2,2 и величине ребра правильного гексáэдра более 5λ область фокусировки излучения формируется  внутри правильного гексáэдра. При размере ребра правильного гексáэдра менее 0,5λ фокусировки излучения не происходит.
В результате экспериментов было установлено, что область фокусировки имеет сложный характер и состоит из центрального гауссова фокального пятна с градиентной силой, с размером перетяжки менее дифракционного предела и скрученных боковых лепестков с орбитальным угловым моментом. Были рассчитаны оптические поля в фокальной плоскости, и было обнаружено, что они обладают профилем вихревой фазы и скрученным профилем интенсивности. Анализ изменения поля вдоль направления распространения выявил спиральное распределение фазы и амплитуды. Векторная диаграмма Пойнтинга полей выявила наличие углового момента в областях хиральных боковых лепестков.
Максимальная интенсивность хиральных боковых лепестков вихря в плоскости изображения составляет около 25 % от максимальной интенсивности центрального лепестка.
Область фокусировки возникает непосредственно на теневой поверхности правильного гексáэдра.
Положительный эффект устройства для формирования оптической ловушки  с хиральной симметрией заключается в возможности уменьшения габаритов устройства не менее чем в 5-10 раз.