СУБВОЛНОВАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ЛОВУШКА В ПОЛЕ СТОЯЧЕЙ ВОЛНЫ

Настоящая полезная модель относится к области изучения свойств частиц биологической ткани и предназначено для удерживания частиц или манипулирования ими путем создания оптической ловушки (лазерного пинцета).
Она может быть использовано при изучении структурных, биофизических, морфологических и оптических свойств частиц биологической ткани в условиях in vivo 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.
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 Fgrad электромагнитной природы, которая действует на диэлектрическую частицу, попадающую в пространственную область указанного изменения. Абсолютная величина силы Fgrad зависит от градиента dI/dx в направлении оси x, а также от оптических и структурных параметров частицы и среды, в которой она находится. Силу Fgrad 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 [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.
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 Patent No. 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.
Более того, 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.
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.
При этом изготовление таких фокусирующих элементов (линз с малым фокусным расстоянием) достаточно сложно, а погрешности изготовления приводят к нарушению структуры волнового фронта.
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 Fgrad 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).
Более того, 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.
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.
Кроме того, невозможно получить сфокусированный пучок с размером перетяжки (в поперечном относительно направления распространения излучения) размером меньше дифракционного предела. При этом изготовление таких фокусирующих элементов (линз с малым фокусным расстоянием) достаточно сложно, а погрешности изготовления приводят к нарушению структуры волнового фронта.
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], принятое за прототип и 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 Fgrad, 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. Optical trapping of nanoparticles and microparticles by a Gaussian standing wave // Optics Lett. 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.
Более того, 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.
Во-вторых, 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.
Кроме того, 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).
Технической задачей полезной модели является упрощение изготовления оптической ловушки при увеличении степени локализации оптического поля в области фокусиовки излучения.
Поставленная задача решается тем, что субволновая оптическая ловушка в поле стоячей волны, содержит источник излучения (лазер), фокусирующее устройство, микрочастицу, расположенную в области фокуса сфокусированного падающего на нее излучения, а позади микрочастицы расположен плоский экран, отражающий падающее на него излучение, согласно полезной модели на поверхности плоского отражающего экрана со стороны падения излучения расположена диэлектрическая пластина, обеспечивающая формирование фотонной струи в режиме на отражение, с сечением прямоугольной пластины не менее диаметра падающего пучка излучения, толщиной прямоугольной пластины по нормали к отражающему экрану (0.4-1.5)λN, оптический контраст материала диэлектрика пластины составляет (1.2-1.95), где N - целое число, λ - длина волны излучения в среде, а микрочастица располагается в области фотонной струи, при этом фокусирующее падающее излучение устройство обеспечивает формирование плоского или слабосходящегося волнового фронта, облучающего микрочастицу.
При этом диэлектрическая пластина выполнена круглой формы.
На Фиг. 1 показана фотонная струя, сформированная при отражении плоского, не сфокусированного волнового фронта от плоского экрана, с расположенной на нем прямоугольной диэлектрической пластины. Длина фотонной струи в данном примере составляет 15 длин волн падающего излучения.
На Фиг. 2 показано распределение интенсивности поля вдоль фотонной струи.
i
r
0
0
На Фиг. 3 показана схема устройства, реализованного в прототипе: 1 - лазерное излучение, 2 - линза, 3 - отражающий экран, 4а - отраженный пучок лазерного излучения, 5 - микрочастица, W - ширина падающего пучка излучения, W - ширина отраженного пуска излучения, W - минимальная ширина пучка излучения (фокус) на расстоянии Z от отражающего экрана.
i
На Фиг. 4 показана схема заявляемого устройства: 1 - лазерное излучение, 2 - линза, 3 - отражающий экран, 4 - фотонная струя, 5 - микрочастица, 6 - диэлектрическая прямоугольная пластина, W - ширина падающего пучка излучения.
Субволновая оптическая ловушка в поле стоячей волны работает следующим образом (Фиг. 4).
Излучение 1 преимущественного от лазерного источника с помощью классической линзы 2 направляется на микрочастицу 5 и далее падает на диэлектрическую прямоугольную пластину 6, находящуюся на плоском металлическом экране (зеркале) 3. При этом падающее на прямоугольную пластину 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 прямоугольную диэлектрическую пластину 6 излучение 1 отражается от металлического экрана 3 и интерферирует с падающим волновым фронтом 1. В силу особенным образом подобранных параметров материала прямоугольной пластины 6 (оптического контраста материала диэлектрика прямоугольной диэлектрической пластины 6, равного отношению показателей преломления материала диэлектрика пластины к показателю преломлениясреды, в которой находится эта пластина) и ее размеров, в отраженном от металлического экрана 3 излучении формируется фотонная струя 4. При этом поперечные размеры области локализации электромагнитного поля (поперек фотонной струи) значительно меньше дифракционного предела и составляют величину  длины волны излучения в среде, а сама фотонная струя 4 оказывается промодулированной вдоль направления излучения фотонной струи стоячей волной. На Фиг. 1 - Фиг. 2 отчетливо видны флуктуации вдоль распространения излучения, которые означают пучности волны, образованные стоячей волной с периодом, равным половине длины волны, в результате интерференции падающей и отраженной волн, и микрочастица будет локализована в пучностях такой ловушки, разделенных на половину длины волны вдоль оптической оси ловушки (металлический экран и прямоугольная диэлектрическая пластина находятся справа на Фиг. 1-2.).
2
Моделировалась (Фиг. 1-2) с помощью численного решения уравнений Максвелла фотонная струя при падении плоского волнового фронта излучением с длиной волны 671 нм на диэлектрик SiO с показателем преломления 1.46. Высота диэлектрической пластины на металлическом экране составляла 1 мкм.
0
В отличие от прототипа (см. Фиг. 3), в котором минимальный размер области фокусировки W определяется параметрами линзы 2 (требуется остросфокусированное излучение и линза с высокой числовой апертурой), в заявляемой полезной модели минимальный размер области фокусировки определяется шириной пучка формируемой фотонной струи 4. В силу специфики формирования фотонных струй [V. Pacheco-Pena, М. Beruete, I.V. Minin, О.V. Minin. Terajets produced by 3D dielectric cuboids // Appl. Phys. Lett. 105, 084102 (2014); http://dx.doi.org/10.1063/l.4894243], поперечный размер области перетяжки составляет субволновое значение - около  длины волны излучения в среде. Уменьшение величины перетяжки фотонной струи по сравнению с размером перетяжки линзы приводит и к увеличению плотности энергии в области фокусировки.
Выполнение диэлектрической пластины круглой формы позволяет увеличить аксиальную симметрию формируемой фотонной струи.
При этом поворотом отражающего экрана или/и изменением направления падения излучения на отражающий экран достигается пространственное перемещение частицы.
Таким образом, сущность достигаемого положительного эффекта заключается в том, что фокусировка фактически осуществляется не линзой, а отражающим экраном 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, нет необходимости использования линзы с хорошей острой фокусировкой, следовательно, упрощается изготовление линзы, снижаются требования к точности изготовления ее поверхности, не нужен короткий фокус линзы и большая числовая апертура, а фотонная струя обеспечивает большой градиент оптических сил в области фокусировки. В ланом случае линза 2 играет роль не собственно фокусирующего устройства, как в прототипе, а роль фазового корректора, обеспечивающего облучение диэлектрической пластины плоским, либо слабосфокусированным пучком.
Проведенные исследования показали, что при толщине прямоугольной или круглой пластины по нормали к отражающему экрану (0.4-1.5)λN, оптическом контрасте материала диэлектрика пластины (1.2-1.95), где N - целое число, λ - длина волны излучения в среде, формируется фотонная струя (область локализации электромагнитного поля вдоль распространения излучения).
Таким образом, в заявляемой полезной модели субволновой оптической ловушки в поле стоячей волны локализация электромагнитного поля вдоль оси распространения излучения осуществляется не линзой, а фотонной струей, образованной при взаимодействии падающего на прямоугольную диэлектрическую пластину излучения. Кроме того, такая фотонная струя, имеющая субволновые значения распределения интенсивности поля поперек оси распространения, оказывается промодулированной пучностями стоячей волны вдоль фотонной струи и сфокусированное излучение имеет поперечный размер меньше дифракционного предела (до  длины волны), при этом излучение возможно сфокусировать не в «точку», а в отрезок прямой линии на оптической оси протяженностью до десятка длин волн.
Указанными факторами и достигается технический эффект заявляемой полезной модели, заключающийся в увеличении степени локализации сфокусированного электромагнитного поля до субволновых размеров (меньше классического дифракционного предела), снижения требований к линзе, освещающей микрочастицу и упрощении устройства в целом. Кроме того, поскольку ширина фотонной струи меньше, чем это дает дифракционный предел (линза), то точность локализации микрочастицы в области максимума электромагнитного поля увеличивается. Соответственно, точность, с которой осуществляются перемещения микрочастиц, уже не ограничивается дифракционным пределом.
Преимуществом заявляемой субволновой оптической ловушки в поле стоячей волны является также возможность изготовления растра фотонных струй при облучении растра прямоугольных диэлектрических пластин на отражающем экране широким пучком излучения. При этом растр прямоугольных диэлектрических пластин просто изготовить, например, по технологии фотолитографии, позволяющей расширить ассортимент устройств данного назначения.
Новизна заявляемой субволновой оптической ловушки в поле стоячей волны заключается в том, что создание локализованного остросфокусированного электромагнитного поля в виде фотонной струи, промодулированной стоячими волнами, с помощью прямоугольной диэлектрической пластины на отражающем экране, является новым и не очевидным применением, ранее нигде не использовавшееся. Совокупность свойств сфокусированной фотонной струи позволяет значительно улучшить характеристики прототипа, отказаться от применения линз для острой фокусировки излучения, снизить требования на их изготовление и не достижимы при применении классических известных линз.