Мезомасштабная оптическая ловушка в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков

Полезная модель относится к устройствам оптических ловушек с применением встречных пучков и может быть использована в устройствах захвата микрочастиц, в современной биологии, медицине и биоинженерии, например, для выстраивания микрооптомеханических систем, сортировки биологических клеток и т.д.
Известно устройство оптической ловушки в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков [Sandeep Tauro, Andrew Banas, Darwin Palima and Jesper Gltickstad. Dynamic axial stabilization of counterpropagating beam-traps with feedback control // Optics Express, 18(17), 18217-18222 (2010). DOI 10.1364/OE. 18.018217; С.Чу. Управление нейтральными частицами // УФН, т. 169, №3, 1999, с. 276], состоящее из последовательно расположенных источника излучения, первого устройства формирования области фокусировки в виде линзы, регистрируемой частицы, второго устройства формирования области фокусировки в виде линзы, расположенного на встречу первому устройству формирования области фокусировки и источника излучения.
В такой ловушке область пучностей электромагнитного поля возникает в области взаимодействия (интерференции) двух встречных пучков. Если расположить два источника сфокусированных волн напротив друг друга, и заставить эти источники излучать волны одной частоты и интенсивности, то посередине между ними образуется "впадина" - область, где волны взаимно уничтожаются. В результате, частица, подхваченная одной волной, будет двигаться до тех пор, пока не попадет в данную область. При этом поперечный размер области фокусировки (пучностей) больше классического дифракционного предела для линзы и определяется функцией Эйри [Isotropic diffraction limited focusing using a single objective lens / E. Mudry, E.Le Moal, P. Ferrand, P.C. Chaumet, and A. Sentenac //Physical Review Letters. 2010. V.105, No. 20. P. 203903; Борн M. Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973].
2
Размер поперечного сечения области фокусировки определяет градиент сил, действующих на регистрируемую частицу - чем он меньше, тем выше градиент. Для уменьшения поперечного размера фокального пятна используется острая фокусировка с использованием высокоапертурных объективов. Однако продольный размер фокального пятна dz=λn/NA (λ - длина волны, n - показатель преломления среды, NA - числовая апертура фокусирующей системы) даже в предельном случае оказывается в два раза больше поперечного dr=λ/(2NA). И даже в предельном случае (NA=1) поперечный размер области фокусировки в случае классических линз не может быть меньше половины длины волны [Борн М. Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973].
Недостатком устройства являются большие габариты устройства формирования области фокусировки на основе линзы. В поперечном направлении диаметр линзы должен быть не менее десятка длин волн излучения, а сформировать область фокусировки с поперечным размером менее половины длины волны невозможно из-за дифракционного предела [Dienerowitz М., Dholakia K. Optical manipulation of nanoparticles: a review // J. Nanophotonics. 2008. V.2. P. 021875].
Известно устройство оптической ловушки в поле стоячей волны на основе двух встречных безградиентных (Бесселевых) пучков [Optical conveyor belt http://www.isibrno.cz/omitec/index.php?action=besscbelt.html], состоящее из последовательно расположенных источника излучения, первого устройства формирования области фокусировки в виде Бесселева пучка на основе аксикона, регистрируемой частицы, второго устройства формирования области фокусировки в виде Бесселева пучка на основе аксикона, расположенного на встречу первому устройству формирования области фокусировки и источника излучения. Данное устройство выбрано в качестве прототипа.
В такой ловушке область пучностей электромагнитного поля возникает в области взаимодействия (интерференции) двух встречных Бесселевых пучков. При этом поперечный размер области фокусировки (пучностей) немного меньше классического дифракционного предела для линзы и определяется функцией Бесселя первого порядка [Durnin J. // J. Opt. Soc. Am. A. 1987. V. 4. P. 651-654.] - при прохождении через аксикон световая волна преломляется и интерферирует таким образом, что радиальное распределение ее интенсивности описывается функцией Бесселя первого рода нулевого порядка [Г.С. Соколовский и др. Манипулирование микрочастицами при помощи бесселевых пучков, полученных от полупроводниковых лазеров //Письма вЖТФ, 2014, том 40, вып. 11, с. 53-59].
Однако габариты устройства формирования области фокусировки на основе аксикона в поперечном направлении велики (диаметр аксикона должен быть не менее десятка длин волн излучения), а сформировать область фокусировки с поперечным размером менее половины длины волны невозможно из-за физических ограничений на свойства Бесселевых пучков [Tomas Cizmar et al. Optical trapping in counter-propagating Bess el beams // Proceedings of SPIE Vol.5514, pp. 643-650 (SPIE, Bellingham, WA, 2004)].
Задача настоящей полезной модели состоит в уменьшении поперечных размеров устройства и уменьшения поперечного размера области фокусировки устройства.
Техническим результатом является создание мезомасштабной оптической ловушки в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков
Поставленная задача достигается за счет того, что мезомасштабная оптическая ловушка в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков, состоящая 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, новым является то, что 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.
Полезная модель поясняется чертежами.
Фиг. 1 - принципиальная схема мезомасштабной оптической ловушки в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков:
1 - источник излучения, 2 - первое устройство формирования области фокусировки в виде мезомасштабных диэлектрических частиц, формирующих фотонные струи, 3 - регистрируемая частица в области фокусировки, 4 - второе устройство формирования области фокусировки в виде мезомасштабных диэлектрических частиц, формирующих фотонные струи, расположенное на встречу первому устройству формирования области фокусировки, 5 - источник излучения, 6 - область пересечения фотонных струй.
Фиг. 2 - результаты математического моделирования работы оптической ловушки с устройствами формирования области фокусировки в виде мезомасштабных диэлектрических кубоидных частиц, формирующих фотонные струи.
В заявляемой полезной модели устройства формирования области фокусировки выполнены в виде трехмерной (мезомасштабной) диэлектрической частицы с характерным размером порядка длины волны, формирующих т.н. «фотонную струю» [Минин ИВ., Минин О.В. Фотоника изолированных диэлектрических частиц произвольной трехмерной формы - новое направление оптических информационных технологий // "Вестник ИГУ. Серия: Информационные технологии". Т. 12, вып.4. 69-70 (2014) http://www.nsu.ru/xmlui/handle/nsu/7717]. В данном случае под «фотонной струей» понимается область фокусировки (локализации) излучения непосредственно за ее теневой поверхностью, имеющей протяженность вдоль оси порядка 1-5 длин волн и в поперечном направлении - порядка 1/4…1/3 длины волны излучения в окружающей среде на уровне половинной мощности (т.е. меньше классического дифракционного предела в 2 раза) [I.V. Minin, О.V. Minin, Geintz Y.E. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: brief review // Annalen der Physik (AdP) (2015) DOI:10.1002/andp.201500132].
Характерной чертой диэлектрических частиц, преобразующих падающее на них электромагнитное излучение в фотонную струю, является то, что они являются одновременно как фокусирующими устройствами, так и частотно-селективными. При изменении частоты падающего излучения на мезомасштабную диэлектрическую частицу изменяются параметры «фотонной струи» (длина, поперечный размер, расстояние от частицы до максимума интенсивности поля в области фокусировки). Выполняя как минимум один источник излучения с возможностью изменения длины волны излучения становится возможным управление захвата частицы оптической ловушкой.
Ввиду субволнового размера области фокусировки (фотонной струи) градиент сил, действующих на частицу выше, и сами силы больше, чем в известных устройствах аналогичного типа.
Мезомасштабная оптическая ловушка в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков состоит из последовательно расположенных источника излучения 1, первого устройства формирования области фокусировки в виде мезомасштабных диэлектрических частиц, формирующих фотонные струи 2, регистрируемой частицы 3, второго устройства формирования области фокусировки в виде мезомасштабных диэлектрических частиц, формирующих фотонные струи 4, расположенного на встречу первому устройству формирования области фокусировки и источника излучения 5.
В такой ловушке область пучностей электромагнитного поля возникает в области взаимодействия (интерференции) двух встречных пучков, образованных фотонными струями 6. Если расположить два источника сфокусированных волн 2,6 напротив друг друга, и заставить эти источники излучать волны одной частоты и интенсивности, то посередине между ними образуется "впадина" - область 6, где волны взаимно уничтожаются. В результате, частица 3, подхваченная одной волной, будет двигаться до тех пор, пока не попадет в данную область.
Размер поперечного сечения области фокусировки определяет градиент сил, действующих на регистрируемую частицу - чем он меньше, тем выше градиент. Поперечный размер фотонных струй составляет 1/3…1/4 от длины волны используемого излучения, а длина до 10 длин волн используемого излучения.
Устройства формирования области фокусировки в виде мезомасштабных диэлектрических частиц, формирующих фотонные струи 2, 4 могут быть выполнены в виде диэлектрических частиц различной формы, например, сферы, кубоида, пирамиды, осесимметричная пирамида, цилиндр и т.д. с характерным размером порядка длины волны используемого излучения, при этом параметры формируемой фотонной струи слабо зависят от формы мезоразмерной диэлектрической частицы.
В качестве примера работы устройства на фиг. 2 приведены результаты математического моделирования формирования области фокусировки мезомасштабными диэлектрическими частицами, формирующих фотонные струи, на примере кубоидных частиц в оптической ловушке.
Мезомасштабная оптическая ловушка в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков, в которых фокусирующие элементы выполнены в виде мезомасштабных диэлектрических частиц, формирующих фотонные струи из литературы не известна.
Мезомасштабная оптическая ловушка в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков, в которых фокусирующие элементы выполнены в виде мезомасштабных диэлектрических частиц, формирующих фотонные струи позволяет уменьшить поперечные размеры фокусирующих элементов до 10 раз и увеличить поперечное разрешение (уменьшить поперечный размер области фокусировки) в 2 раза.