Самовоспроизводящиеся лазерные пучки и их применение стенограмма научного сообщения на совместном семинаре ИСОИ РАН и института компьютерных исследований СГАУ 28 марта 2006 года

СТЕНОГРАФИЧЕСКИЕ ОТЧЕТЫ НАУЧНОГО СЕМИНАРА

САМОВОСПРОИЗВОДЯЩИЕСЯ ЛАЗЕРНЫЕ ПУЧКИ И ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Стенограмма научного сообщения на совместном семинаре ИСОИ РАН и Института компьютерных исследований СГАУ 28 марта 2006 года

Р. В. Скиданов Институт систем обработки изображений РАН Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева

Аннотация

Рассмотрены самовоспроизводящиеся пучки с особыми свойствами. Расширено понятие самовоспроизведения для световых пучков. Рассмотрены различные приложения самовоспроизводящихся световых пучков с особами свойствами. Особенно подробно описывается использование самовоспроизводящихся пучков в задачах манипулирования микрообъектами.

Уважаемые коллеги!

Сегодня я хочу представить доклад, систематизирующий длительный период исследований. В моем докладе можно выделить пять основных разделов, которые представлены на слайде 2.

Условия самовоспроизведения для световых пучков, формирование самовоспроизводящихся лазерных пучков с помощью дифракционных оптических элементов (ДОЭ), применение самовоспроизводящихся пучков в оптических информационных системах, рассмотрение сил, действующих на микрочастицы в световых пучках, и оптическое манипулирование микрочастицами с помощью самовоспроизводящихся пучков.

Простейший случай самовоспроизведения светового поля был рассмотрен Тальботом еще в 1836 году (слайд 3). В его экспериментах при освещении белым светом наблюдалось повторение цветных изображений решеток. Выражение для расстояния периодичности было получено Релеем в 1881 году.

Одновременно в моем докладе будет рассмотрено еще одно свойство световых полей - давление света (слайд 4). Впервые формулу для расчета сил светового давления получил Максвел в 1873 году. Независимо от него ту же формулу получил Бартоли в 1879 году, основываясь на законах термодинамики. В 1898 году Лебедев впервые смог экспериментально измерить силу светового давления. Появление мощных источников когерентного излучения дало сильный толчок к изучению воздействия света на микрообъекты. В 1970 году Эшкин в своих экспериментах добился устойчивого захвата микрообъекта в гауссовом лазерном пучке, В 1996 году это было сделано для вихревого светового пучка в экспериментах. В том же 1996 году было получено устойчивое вращение микрообъекта в световом пучке. В 2001 году впервые была захвачена в световом пучке группа микрообъектов.

Вернемся к свойствам самовоспроизведения световых полей (слайд 5). Для самовоспроизведения светового поля с периодом его пространственный спектр должен лежать на кольцах Френеля радиуса гп: В качестве примера такого поля можно привести суперпозицию мод Бесселя. Если рассматривать классическое определение мод, как результат решения уравнения на собственные функции оператора, то необходимо определить еще мода Гаусса-Лагерра и Гаусса-Эрмита, которые также были использованы в исследованиях (слайд 6).

Моды обычно формируются и распространяются в некой специальной среде, но их также можно сформировать с помощью специального дифракционного оптического элемента - модана (слайд 7).

Моданы позволяют формировать не только одиночные моды, но и суперпозицию этих мод. При этом распределение интенсивности при распространении моды в пространстве может оставаться стабильным или периодически изменяться с заданным периодом (слайд 8).

При соблюдении ряда условий можно наблюдать частный случай периодичности - вращение распределения интенсивности при распространении суперпозиции мод. При этом суперпозиция мод Бесселя вращается с постоянным периодом, а суперпозиция мод Гаусса-Лагерра вращается с переменным периодом при распространении в свободном пространстве (слайд 9).

Суперпозиция мод Гаусса-Эрмита также самовоспроизводится в пространстве с переменным периодом (слайд 10).

Очень важное значение имеет изучение световых полей содержащих угловые гармоники. Эти световые поля могут быть сформированы одним из трех элементов представленных на рисунке. Это либо винтовой фазовый ДОЭ, либо винтовая зонная пластина, либо решетка с развилкой (слайд 11).

На следующем слайде представлен фазовый винтовой ДОЭ и сформированное им световое поле на разных расстояниях (слайд 12).

ДОЭ позволяют формировать не только одиночные световые пучки с угловыми гармониками, но также одновременно несколько световых пучков каждый из которых содержит угловую гармонику. На рисунке представлен такой ДОЭ. Он может формировать одновременно четыре пучка с угловыми гармониками -7-го, 3-го, 3-го, 7-го порядков (слайд 13).

Световые пучки могут также самовоспроизводиться при распространении внутри оптических волокон (слайд14). В результате возникает желание использовать ДОЭ формирующие модовые пучки для уплотнения каналов передачи информации по оптическим волокнам. На рисунке представлена схема эксперимента по возбуждению и селекции ЬР-мод в оптическом волокне. С помощью модана в волокне со ступенчатым профилем показателя преломления была возбуждена ЬР-мода с номером (1,1). Световое поле на выходе из волокна было подвергнуто анализу с помощь согласованного фильтра, и на месте где располагается мода (1,1), мы получили четко выраженный корреляционный пик (слайд 15).

Еще одна практическое применение световых пучков с угловыми гармониками напрямую связано с наличием у таких пучков орбитального углового момента. Орбитальный угловой момент обычно определяется для частицы имеющей отличную от нуля массу покоя и находящуюся в связанном состоянии, например электрон на электронной оболочке в атоме. Считается, что фотон не может образовывать связанные состояния, т.к. у него отсутствует масса покоя. Но световые пучки с угловыми гармониками можно считать неким аналогом связанного состояния для фотона, с одним единственным отличием, если электронные оболочки в атоме имеют сферическую симметрию, то для фотонов будет связанное состояние с цилиндрической симметрией вокруг оси распространения, и, следовательно, можно определить орбитальный угловой момент как для отдельного фотона, так и для всего пучка (слайд 16).

С помощью ДОЭ можно определять орбитальный угловой момент отдельных фотонов. На рисунке вы можете видеть схему такого эксперимента, в ходе которого на дифракционный элемент, формирующий световые пучки с угловыми гармониками падал пучок света с заранее известно суперпозицией мод Бесселя, а, следовательно, в этом пучке содержатся фотоны с заранее известными орбитальными угловыми моментами. После ДОЭ в Фурье-плоскости наблюдаются корреляционные пики в соответствующих местах (слайд 17).

Вращение суперпозиции мод Бесселя при распространении в свободном пространстве с посто-

янным периодом приводит к мысли использовать этот эффект при измерении смещений. На рисунке показана схема такого эксперимента, при котором определялось смещение непосредственно телекамеры регистрирующей распределение. Смещение измерялось погрешностью 0,025 от периода. Учитывая, что величина периода вращения может быть очень малой, этот метод способен занять промежуточное по точности измерения место между механическим и интерферометрическим методами (слайд 18).

Следующее применение самовоспроизводящихся пучков напрямую связано с силой светового давления. Самовоспроизводящиеся пучки позволяют существенно расширить методологию «оптического пинцета» (слайд 19).

Световые пучки по-разному воздействуют на прозрачные микрочастицы. Если частица оптически более плотная чем окружающая среда, то частица будет втягиваться в область с повышенной интенсивностью. И, наоборот, менее плотная микрочастица будет выталкиваться из светового поля (слайд 20).

Если микрообъект оптически более плотный чем окружающая среда попадает в световой пучок с градиентом фазы (например, световой пучок с угловой гармоникой), то градиентная сила будет направлена против градиента фазы. Эта сила вызывает круговое движение в световых пучках с орбитальным моментом. Происходит передача орбитального момента светового пучка микрочастице. При этом энергетическая эффективность этой передачи невысока. В механическую энергию движения микрочастиц переходит не более 10-19 от общей энергии светового пучка (слайд 21).

В зависимости от видов микрочастиц и световых пучков можно составить примерную таблицу, систематизирующую способы микроманипулирования (слайд 22).

На следующем рисунке представлена примерная схема эксперимента по манипулированию микрообъектами в световом пучке сформированном ДОЭ. Оптически плотная микрочастица должна двигать вдоль линий максимальной интенсивности светового пучка (слайд 23).

А далее представлена оптическая схема и фотография реальной установки для манипулирования микрообъектами. Первоначально в этой установке использовался один и тот же микрообъектив для фокусировки излучения и наблюдения, что создавало ряд технических трудностей. В частности невозможно было менять область фокусировки. В качестве лазера использовался ЛГН-503 (слайд 24).

В самых первых экспериментах в качестве микрочастиц были использованы клетки дрожжей. На видеоролике показано движение клетки дрожжей в пучке Бесселя пятого порядка. При этом самого пучка не

видно т.к. использован специальный светофильтр, поглощающий в зеленой области спектра (слайд 25).

В следующем эксперименте за счет механического смещения положения фокуса пара полистироловых микрочастиц диаметром по 5мкм не только вращалась, но и перемещалась вслед за пучком (слайд 26).

На следующем видеоролике показан эксперимент по захвату полистироловых микрочастиц из потока многопорядковым пучком с угловыми гармониками. Всего удалось захватить 4 микрочастицы в нулевом, плюс первом, минус втором и плюс четвертом порядках. При этом не удалось добиться ращения микрочастиц из-за малой мощности лазера (200 мВт) (слайд 27).

В последующих экспериментах была изменена оптическая схема. В частности для фокусировки и наблюдения использовались разные микрообъективы, а в качестве лазера был использован твердотельный лазер с длиной волны 532 нм и мощностью 500 мВт. Это позволило не только захватывать микрочастицы, но и вращать их в световом пучке, используя механизм передачи орбитального углового момента светового поля микрочастицам. При данной схеме появилась возможность одновременно наблюдать пучок и микрочастицы. Результаты экспериментов по вращению представлены в видеороликах (слайд 28).

Световой пучок с угловыми гармониками, использованный в экспериментах имеет угловые гармоники разных знаков, что означает разное направление вращения в них. На следующем видеоролике представлен результат эксперимента, подтверждающий это положение. В пучках с третьей и минус третьей угловыми гармониками группы микрочастиц вращаются в разные стороны (слайд 29).

Для вращения микрочастиц использовались также моды Гаусса-Лагерра, на слайде представлен элемент, формирующий восемь мод Гаусса-Лагерра,

а в видеоролике можно видеть движение микрочастицы в одном из этих пучков (слайд 30).

Для пучков Бесселя используемых при манипулировании микрочастицами было зафиксировано осаждение микрочастиц на дно кюветы, что объясняется относительной стабильностью Бессе-лева пучка по всей глубине кюветы (100 мкм). Если осуществлять механическое смещение кюветы можно получить ряд из микрочастиц, осажденных на дно (слайд 31).

В качестве областей применения оптического микроманипулирования следует упомянуть микробиологию, микромеханику, а также нанотехно-логии (слайд 32).

Подводя итог можно сказать, что ДОЭ позволяют наиболее эффективно реализовывать следующие действия (операции) с микрочастицами:

- вращение проводящих и диэлектрических частиц с помощью лазерных пучков, несущих заданный орбитальный угловой момент (оптический «гаечный ключ»),

- захват проводящих частиц в 3D световую полость (оптическая «бутылка»),

- перемещение прозрачных диэлектрических микрочастиц по заданной 3D траектории (оптический «гид»),

- одновременное однотипное манипулирование несколькими микрочастицами, захваченными вдоль оптической оси Бесселевого пучка (оптический «вал»),

- одновременное разнотипное манипулирование несколькими микрочастицами, захваченными в различных точках пространства с помощью многопорядковых ДОЭ (матричный оптический «привод»),

- отклонение движения микрочастиц определенного размера от прямолинейного с помощью светового поля с поперечно-периодической структурой (оптический «сепаратор»).

Спасибо за внимание.

UCOW^PAH

САМОВОСПРОИЗВОДЯЩИЕСЯ ЛАЗЕРНЫЕ ПУЧКИ И

ИХ ПРИМЕНЕНИЕ

Сойфер В А., Котляр В.В., Хонина СЛ., Скиданов Р.В.

ИНСТИТУТ СИСТЕМ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ РАН

ИСОИ0РАН

Слайд 1

ИСОЫ^РАН

ПЛАН ДОКЛАДА

• Введение: эффект Тальбота, условия самовоспроизведения

• Формирование самовоспроизводящихся лазерных пучков с помощью дифракционных оптических элементов

• Применение в оптических информационных системах

•Силы действующие на микрочастицы в световых пучках

•Оптическое манипулирование микрочастицами с помощью самовоспроизводящихся пучков

• Заключение

иСОЫ^РЛН

ПЕРИОДИЧЕСКОЕ САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ПОПЕРЕЧНО-ПЕРИОДИЧЕСКИХ ПОЛЕЙ

Эффект Тапьбота

W.H.F. Talbot, Facts relating to optical sciences ff Phil Mag., 1836

ZT = 2Ö1 /X - период Тапьбота

Lord Rayieigh, Phil. Mag., 1881

самовоспроизведение суперпозиции плоских волн

I-/ \ I ¡2япх .

Е(х) = 2^СП ехр ——— , d - поперечный период

2d2 "7 - d2 -7 — _ d2 "7 - _ Z

£-т - X ¿-T ~ - X 2 ¿—т — - 2Х 4 i NX 2N

полное повторение поперечный сдвиг на d/2 сложение исходного и сдвинутого изображений FFFFFЕЕЕЕЕ LLLLLЕЕЕЕЕ сложение N сдвинутых КОПИЙ исходного изображения

Длина волны X Период d

Амплитудная ,. решетка _Ü.

Слайд 3

исоы^рлн

СИЛА ДАВЛЕНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ

1873г.- расчет светового давления в рамках электродинамике

1879г.- расчет светового давления в рамках термодинамики

1898г.- опыты по измерению светового давления

1970г.- захват микрообъектов в лазерных пучках

1996г.- захват микрообъектов в вихревых световых пучках

1996г.- вращение микрообъекта в вихревых световых пучках полученных с помощью амплитудных голограмм

2001 г. - использование ДОЭ для оптического захвата группы м и кр о о бъ е кто в

2004г.-использование многопорядковых ДОЭ для оптического захвата и Вращения микрообъектов

UCOW^PAH

УСЛОВИЯ САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЯ СВЕТОВЫХ ПОЛЕЙ В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Для самовоспроизведения светового поля с периодом zT его пространственный спектр должен лежать на кольцах Френеля радиуса рп;

о - / Это обратная задача Montgomery W.D,

л UzT

Суперпозиция Бесселевых пучков: Е(г,ф) = ^^(а^ехр^тф),

где: к = 3 г =

Л.

Ф = arctg — х

Слайд 5

МОДЫ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Рр¥р - уравнение на собственные значения

г) = XЫ^р(х) суперпозиция мод

UCOW^PAH

Г KI.JV

pi

Л[

L ст J

Й!

Г

Vf{x)=epiHp\

expj^-—jjexp(± ila) моды Гаусса-Лагерра константа нормировки

моды Гаусса-Эрмита

Ш] Я; 'л/2/ f х2>|

ехр 2

{ а ) (Т V / 1 J

Е

2p+l р\1\

константа нормировки

МСОМ^РАН

СИНТЕЗИРОВАННЫЕ НА КОМПЬЮТЕРЕ ГОЛОГРАММЫ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ МОДОВЫХ ПУЧКОВ

Кодирование на основе несущей пространственной частоты

KU в

швж в I

1. Гопуб М А., Прохоров A.M., Сисакян И.Н., Сойфер В.А. Синтез пространственных фильтров для исследования поперечного модового состава когерентного излучения

Н Квантовая электроника, 1982.

2, Bartelt Н О., Lohmann A.W., Freude W., Grau G .K. Mode analysis of optical fibers using computer-generated matched filters II Electronic Letters, 1983.

Слайд 7

UCOW^PAH

САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ ПУЧКОВ БЕССЕЛЯ Jm

Суперпозиция Бесселевых пучков: Е(г,ф) = У Jm(anr)exp(iiri9)1

Й СТАБИЛЬНЫЙ: a^const Vm

2-модовый пучок Бессепя: J 3(120,5r)e"

I (12Q,5r)el3\zT =0

ф %

«9 • •

• • «1 •> • • • 1 • ii #Н

• •

* Ф » Ф

Бинарная фаза ДОЭ

50 мм

60 мм

70 мм

80 мм

ПЕРИОДИЧЕСКИЙ: a1{zT)<ail<a1(zT) Vm 3-модовый пучок Бесселя:

SS J.2(50.44r)e-,2tf + ^(83.27г)+ J2(50.44r)el2¥,zT = 20мм

Бинарная фаза ДОЭ г: 85 мм 90 мм 95 мм 105 мм

1. Котляр В.В., Сойфер В.А., Хонина С.Н. Квантовая электроника, 1991

2. Kotlyar V.V, Khonina S.N., Soifer V.A. Journal of Modern Optics, 1995

3. Khonina S.N., Kotlyar V.V., Soifer V.A., Lautanen J,, Honkanen M., Turunen J. Optik, 1999

ВРАЩАЮЩИЕСЯ МНОГОМОДОВЫЕ ЛАЗЕРНЫЕ ПУЧКИ

UCOW^PAH

вращающийся 2-модовый пучок Бессепя

m-m

f = A,

V п ф n' m Ф m'

Бинарная фаза ДОЭ г: 160 мм 175 мм 190 мм

Kotlyar V.V., Khonina S.N., Soifer V.A. Journal of Modern Optics, 1997

вращающийся 5-модовый ШР пучок Гаусса-Лагерра

Траектория переноса энергии

16-уровневая фаза г: 300 мм

500 мм

700 мм

Котляр В.В., Сойфер В.А., Хонина С.Н. Письма в ЖТФ, 1997

Слайд 9

g m-rrf

со" Расстояние р оборотов:

Р = 1,2, .... В/4

САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ МНОГОМОДОВЫХ ПУЧКОВ ГАУССА-ЭРМИТА

12 мм 16 мм

30 мм 36 мм

21 мм 32 i

121 мм

Многомодовый лазерный пучок самовоспроиэводится (с точностью до масштаба) с переменным интервалом:

.. Г , (2я0|1 Г, г , (2ъ\ЛХ 1 = 1.2, 3,..., р = (т-т') + (п-п')1 2^(2)- г + ^д —  1 — 1д -— , , .

^ р ) _ т.в ^ р ) (т,п)~ номера мод

Хонина С.Н., Котляр В В., Сойфер ВА. ПисьмавЖГФ, 1999

«ВИНТОВЫЕ» ДИФРАКЦИОННЫЕ ОПТИЧЕСКИЕ ЭЛЕМЕНТЫ (ДОЭ) для формирования вращающихся полей

UCOW^PAH

Винтовой фазовый ДОЭ

exp

Винтовая зонная пластина

Решетка с «вилкой»

sgn [cos( mcp+kr2)] sgn [cos(mcp+ax)]

1.Березный A.E., Прохоров A.M. Сисакян И.Н., Сойфер В.А. Бессель-оптика// ДАН, 1984.

2.Khonina S.N., Kottyar V.V., Shinkaryev M.V., Soifer V.A., Uspieniev G.V.,

The phase rotor filter II J. Modern Optics, 1992

I.Heckenberg N.R. et al. Generation of optical phase singularities by computer-generated holograms II Opt Lett., 1992

I.Bazhenov V.Yu., Soskin M.S., Vasnetsov M.V. Screw dislocations in light wavefronts II J. of Mod. Opt., 1992

Слайд 11

ЫССШ^РАН

ПУЧКИ С УГЛОВЫМИ ГАРМОНИКАМИ

Березный А.Е., Прохоров А.М.,Сисакян И.Н., Сойфер В.А. «Бессель-оптика», ДАН СССР, т.274, № 4, с.802-805 (1984).

ехр{1тф)

Спиральная фазовая пластинка первого порядка

Дифракция Френеля плоской волны, ограниченной круглой диафрагмой диаметром 2 мм,на спиральной фазовой пластинке

Z = 10, 40, 80 мм; d = 2,5mm, длина волны - 0,63 мкм

ПСОИ^РАН

ДОЭ ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ СВЕТОВЫХ ПУЧКОВ С УГЛОВЫМИ ГАРМОНИКАМИ

вщЕН

-т—I—111111—г о.оо

1ГЙП 1,41

Фаза ДОЭ

е±я<р.е±н<р

Центральная часть микрорельефа ДОЭ

Распределение интенсивности в зоне дифракции Фраунгофера после ДОЭ

ДОЭ формирует 2 световых кольца с угловыми гармониками 3-го порядка {малые кольца) и 2 световых кольца с угловыми гармониками 7-го порядка (большие кольца).

Слайд 13

ПСОИ^РАН

САМОВОСПРОИЗВЕДЕНИЕ В ОПТИЧЕСКОМ ВОЛОКНЕ

г'¿/2 z=¿

( ^Ь-Г:____ щ 1 _

я г

Микаэлян А.Л. Применение слоистой среды для фокусировки волн II ДАН СССР, 1951 Периодический пучок Вращающиеся пучки

!-Р-моды, вычислительный эксперимент Хонина С.Н., Волотовский С.Г."Самовоспроизведение многомодовых лазерных полей в ступенчатыхслабонаправляющих оптических волокнах",Известия Самарского научного центра РАН, №6(1), с.53-64 (2004) Применение: волоконные линии связи; модовое уплотнение каналов связи.

ВОЗБУЖДЕНИЕ И СЕЛЕКЦИЯ WCOM^PAH МОД ОПТИЧЕСКОГО ВОЛОКНА

Используя свойство пучков Гаусса-Эрмита воспроизводится в свободном пространстве с точностью до масштаба можно возбудить в волокне одновременно до 5-6 LP-мод, а затем на выходе селектировать их с помощью согласованного с этими модами фильтра. Оптическое волокно имеет ступенчатый профиль показателя преломления с диаметром сердцевины 9.3 мкм и диаметром оболочки 125 мкм. Числовая апертура NA 0.3, длина волны отсечки 1270 нм. Длина волокна 1.5 метра. На торцы волокна вклеены стандартные коннекторы типа FC.

Фазовый

оптический

элемент

Cornac ов энный, фильтр

Оптическое волокно со ступенчатым профилем

Результат фильтраций

в!

Поле на входе в волокно Поле на выходе из волокна

Слайд 15

ОРБИТАЛЬНЫЙ УГЛОВОЙ МОМЕНТ (ОУМ) СВЕТОВОГО ПОЛЯ

UCOW^PAH

.Т = Ггх ш\'1 момент количества движения, может быть определен также и

для фотонов, как для частиц обладающих ненулевым импульсом

1 = [гх8] = гх|— Яе[Ех Н|1 аналог орбитального углового

[_ [8л- ] ] момента для электромагнитного поля

р = Йк Импульс отдельного фотона

перпендикулярная к Р1 ~ направлению распространения составляющая импульса

Л = [г х Р1 ] ОУМ отдельного фотона

ОУМ отдельного фотона принимает дискретные значения | Л 0;й;2й;3й... соответствующие угловым гармоникам

[j] — (м^кгс1) размерность орбитального углового момента

WCOW^PAH

ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ОРБИТАЛЬНОПУ УГЛОВОГО МОМЕНТА СВЕТОВЫХ ПОЛЕЙ

1 Определение состояний

ШГл 1 фотона, связанных с порядком

ННН ^шк 1 орбитального углового момента

L щшм Leach J., Padgett M.J., Barnett S.M, et al

HIE Phys. Rev. Lett, 2002

Световой пучок с заранее известным ОУМ попадает на ДОЭ согласованный с угловыми гармониками и в плоскости дифракции Фраунгофера наблюдаются корреляционные пики соответствующих местах

освещающий пучок ДОЭ, согласованный картина интенсивности

J.^30r)e"l2"+2J ,(20r)els> с угловыми гармониками в спектральной плоскости

Khonjna S.N., Kotlyar V.V., Soifer V.A., Paakkonen P., Turunen J. Measuring the light field orbital angular momentum using DOE И Optical Memory and Neural Networks, 2001

Слайд 17

ЭКСПЕРИМЕНТ ПО ОПРЕДЕЛЕНИЮ ЛИНЕИНЫХ СМЕЩЕНИИ

коллиматор ДОЭ Оптическая схема для измерения линейного смещения

Измерение малых линейных смещений с пучком, /

имеющим период пространственного --

повторения 0,2 мм. Относительная погрешность метода составляет 0,025 от величины периода. >

Метод позволяет измерять линейные смещения с точностью уступающей только интерферометрическим методам, при этом одновременное использование нескольких элементов с разными периодами пространственного повторения позволяет проводить измерение линейных смещений от десятых долей до сотен миллиметров.

0,1 мм

0,2 мм

иСОЫ^РЛН

СИЛЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ СВЕТА НА ВЕЩЕСТВО

Сила давления света ¥=Щ1+Я)1с Формула верна при нормальном падении А

света на

- количество падающей в секунду Г? - коэффициент отражения поверхности ^В (Я=0 - поглощающая поверхность, Я=1 - отражающая поверхность), с- скорость распространения свет ИИЦг^ Л

Максвелл, 1873; Бартоли, 1879

Оптический «пинцет» предназначен

для удерживания прозрачных

микрообъектов.

Кроме сил светового давления,

в методе оптического «пинцета»

используются также градиентные

силы

Оптический «пинцет»

[A.Ashkin, J.M.Dziedzic, J.E.Bjorkholm and S.Chu Optics Letters, 1986]

Слайд 19

ПСОИ^РАН

СИЛЫ ВОЗДЕЙСТВИЯ СВЕТА НА ВЕЩЕСТВО

(градиентные) ^^^^^ ^^

шшш

Оптически более плотный объект (попистироловый микрошар) -возникает сила втягивания

^^НМЧ^ВЖ^НЦПННЯ Оптически менее ^к! ^^В^МО^^М^Н^^^! плотный объект

(пузырек воздуха) - ННН^Ш^ЩвдН возникает сила

И^НИ^^^Н^^^В^В выталкивания Щ^В ^^^В^Н^Н^^ВЬ

Если световой пучок попадает на прозрачный микрообъект, то возникает градиентная сила вызванная изменением суммарного импульса светового пучка после преломления на микрообъекте. Также будет присутствовать относительно небольшая составляющая силы направленная по световому пучку, обусловленная наличием френелевского отражения (давление света).

ПСОИ^РЛН ПЕРЕДАЧА ОРБИТАЛЬНОГО МОМЕНТА СВЕТОВОГО ПУЧКА МИКРОЧАСТИЦЕ

Если микрообъект оптически более плотный чем окружающая среда попадает в световой пучок с градиентом фазы (например светоаой пучок с угловой гармоникой), то градиентная сила будет направлена против градиента фазы. Зга сила вызывает круговое движение в световых пучках с орбитальным моментом. Происходит передача орбитального момента светового пучка микрочастице.

При этом энергетическая эффективность этой передачи невысока В механическую энергию движения микрочастиц переходит не более 10-19 от общей энергии светового пучка.

Слайд 21

МСОМ^РАН

ОПТИЧЕСКИМ ЗАХВАТ И МАНИПУЛИРОВАНИЕ МИКРООБЪЕКТАМИ

ДОЗ

РЬ. частица

микролинза

Вращающийся пучок Гаусса-Лагерра

2=225 111111 2=295 тт 2=335 тт 2=465 тт

Фаза ДОЗ Применения:

- захват и манипулирование в нанотехнологиях и биофизике;

- генерация разрядов заданной пространственной структуры в жидкостях и газах;

- бесконтактное измерение расстояний и скорости.

Слайд 23

Фото оптической установки

Оптическая схема

Для устойчивого захвата микрочастиц размером 5мкм необходима интенсивность в рабочей области >10:; Вт/м2 8 эксперименте используется аргоновый лазер с длиной

волны 0,51 мкм и мощностью 200 мВт, для фокусировки излучения используется оптическая система микроскопа Биолам-М, для поглощения лазерного излучения перед телекамерой устанавливался светофильтр поглощающий световое излучение с длиной волны в диапазоне от 490 нм до 525 нм, что позволило наблюдать движение микрочастиц, при это лазерное излучение полностью отфильтровывалось.

Частица размером 7 мкм движется по первому световому кольцу диаметром 20 мкм.

Клетка дрожжей - микрочастица оптически более плотная чем вода, поэтому она быпа втянута в наиболее яркое кольцо бесселееа пучка

Слайд 25

ПСОИ^РАН

ВРАЩЕНИЕ И ПОСТУПАТЕЛЬНОЕ ДВИЖЕНИЕ ПАРЫ 5-МКМ ПОЛИСТИРОЛОВЫХ МИКРОЧАСТИЦ ПОД ДЕЙСТВИЕМ ЛАЗЕРНОГО ПУЧКА С МОДОЙ БЕССЕЛЯ 5-ГО ПОРЯДКА

Траектория движения лазерного пучка обеспечивается механическим поворотом зеркала на 2°

МСОМ^РАН

ОДНОВРЕМЕННЫЙ ЗАХВАТ ПОЛИСТИРОЛОВЫХ ЧАСТИЦ (5 МКМ)В НЕСКОЛЬКИХ ПОРЯДКАХ

И щ и ЖТ9)

-2 3 4

у-1 Г?

с • ((©

-1 0 1

о о

—4— —3— —2—

Вид 9-порядкового пучка и направление вращения в каждом порядке.

Каждый порядок-угловая гармоника ехрОгткр) с гауссовой амплитудой

Слайд 27

ПСОИ^РАН

одновременный захват и вращение группы микрочастиц в световых пучках с угловыми гармониками

Вращение пяти полистироловых микросфер в световом пучке с угловой гармоникой 7-го порядка

Вращение шести полистироповых микросфер в световом пучке с угловой гармоникой 7-го порздка

иСОИфРАН

ОДНОВРЕМЕННЫЙ ЗАХВАТ И ВРАЩЕНИЕ ГРУППЫ

МИКРОЧАСТИЦ В РАЗНЫХ ПОРЯДКАХ В СВЕТОВЫХ ПУЧКАХ С УГЛОВЫМИ ГАРМОНИКАМИ

Вращение пяти полистироловых микросфер в световом пучке с угловой гармоникой 7-го порядка и одновременный захват микросфер в других порядках

Вращение нескольких групп полистироловых микросфер в световых пучках с угловыми гармониками 3-го порядка

Слайд 29

ПСОИ^РАН

ЗАХВАТ И ВРАЩЕНИЕ МИКРОСФЕРЫ В ПУЧКЕ ГАУССА-ЛАГЕРРА

При формировании моды Гаусса-Лагерра использовался ДОЭ, формирующий одновременно 9 мод Гаусса-Лагерра. Движение микрочастиц осуществляется очень медленно.Для получения представленного видеофрагмента использовался кахщый пятый кадр

интенсивности в рабочей области. Стрелка указывает моду, которая была использована в эксперименте

МСОМ^РАН

ЗАХВАТ И ОСАЖДЕНИЕ ГРУППЫ МИКРОЧАСТИЦ В ПУЧКЕ БЕССЕЛЯ ПЯТОГО ПОРЯДКА ИЗ ВОДНОЙ СУСПЕНЗИИ

После фокусировки пучка микросферы начинают движение по кругу, но с осаждением и захватом все большего количества микросфер круговое движение прекращается.

Слайд 31

ОБЛАСТИ ПРИМЕНЕНИЯ ИСОИ^РАН ОПТИЧЕСКОГО МАНИПУЛИРОВАНИЯ

Биология

Микромеханика

1 мкм Щ ^10 мкм I

эксперимент по измерению упругих сип молекулы ДНК

Wuite GJ, Smith SB, Young M, Keller D, Bustamante C. //Nature, 2000

BaoX.R., Lee H.J., Quake S.R // Phys. Rev. Lett, 2003

Вращающимся Кварцевый I

CaCO, кристалл 1 элемент |

передача в жидкости вращательного момента,

полученного двулучепреломляющей

частицей от пучка с круговой поляризацией

Friese M.E.J, et al, Optically driven micromachine elements II Appl. Phys. Let., 2001

HaHOTexHOJiorwH

Korda P.T., Spalding G.C., and Grier D.G. Nanofabrication with Holographic Optical Tweezers H Rev. Sci. Instruments, 2002

Chaumet, P.C., Rahmani A., and Nieto-Vesperinas M., Optical trapping and manipulation of nano-objects with an apertureless probe II Physical Review Letters, 2002

Ignatovich F. and Novotny L. Experimental study of nanoparticle detection by optical gradient forces II Rev. Sci. Instr., 2003

Sandoghdar V et al, Scanning near-field optical studies of photonic devices II Photonic crystals, Wiley-VCH, Germany, 2004

исои^рлн

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ДОЭ позволяют наиболее эффективно реалиэовывать следующие

действия (операции) с микрочастицами:

• Вращение проводящих и диэлектрических частиц с помощью лазерных пучков, несущих заданный орбитальный угловой момент

• Захват проводящих частиц в 30 световую полость

• Перемещение прозрачных диэлектрических микрочастиц по заданной 30 траектории

• Одновременное однотипное манипулирование несколькими микрочастицами, захваченными вдоль оптической оси Бесселевого пучка

Одновременное разнотипное манипулирование несколькими

микрочастицами, захваченными в различных точках пространства с помощью многопорядковых ДОЭ

• Отклонение движения микрочастиц определенного размера от прямолинейного с помощью светового поля с поперечно-периодической структурой

Слайд 33