Устройство для формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка

Настоящая полезная модель относится к области изучения свойств частиц биологической ткани и предназначена для удерживания частиц или манипулирования ими путем создания оптической ловушки (лазерного пинцета) сложной пространственной формы - фотонного крюка. Она может быть использована 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. Ловушки в виде фотонного крюка полезны с точки зрения возможности воздействия на периферию объекта и уменьшению негативного воздействия лазерной ловушки на объекты биологического происхождения.
grad
grad
grad
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]. 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 х возникает сила F электромагнитной природы, которая действует на диэлектрическую частицу, попадающую в пространственную область указанного изменения. Абсолютная величина силы F зависит от градиента dI/dx в направлении оси х, а также от оптических и структурных параметров частицы и среды, в которой она находится. Силу F 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].
Известно из уровня техники построение оптических “пинцетов”, использующих оптические градиентные силы одного пучка света для управления местоположением маленькой диэлектрической частицей, погруженной в текучую 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. Для автоматического перемещения микрообъектов по какой-либо траектории используются специальные фокусирующие элементы, обеспечивающие формирование в области ловушки заданного амплитудно-фазового распределения.
Так, в работе [Wu, F. Generation of self-imaged optical bottle beam by using axicons Текст. /F. Wu, W. Lu, B. Liu //Proc. of SPIE. 2010. V. 7721(1). - P. 77211C-1 - 77211C-6] описано устройство, где формируемый световой пучок имел вихревую фазу с заданным угловым орбитальным моментом, т.е. фактически рассматриваемые в работе фокусаторы формировали вихревое поле с заданной интенсивностью.
В ряде работ использовались устройства фокусировки, в которых световые «бутылки» формировались за счет комбинации аксикона с двояковыпуклой линзой [Wang, X. Laser cavity for generation of variable-radius rings of light Текст. / X. Wang, M.G. Littman // Optics Letters. 1993. - Vol. 18 (10). - P. 767-768; Tikhonenko, V. Excitation of vortex solitons in a Gaussian beam configuration Текст. / V. Tikhonenko, N.N. Akhmediev // Optics Communications. 1996. - Vol. 126(1). - P. 108-112], аксикона с двумя собирающими линзами [Mamaev, A.V. Vortex evolution and bound pair formation in anisotropic nonlinear optical media Текст. / A.V. Mamaev, M. Saffman, A.A. Zozulya // Phys. Rev. Lett. 1996. - Vol. 77(22). - P. 4544-4547], двух аксиконов с бинарным фазовым элементом [Herman, R.M. Production and uses of diffraction less beams Текст. / R.M. Herman, T.A. Wiggins // J. Opt. Soc. Am. 1991. - Vol. 8(6). - P. 932-942].
Однако такие устройства фокусировки позволяют формировать только одиночные световые «бутылки» простой формы, и с их помощью принципиально уже нельзя сформировать оптические ловушки, распределение интенсивности в сечении которых будет иметь форму отличную от кольца. Кроме того, изготовление таких элементов достаточно сложно, а погрешности изготовления приводят к нарушению структуры волнового фронта.
Известно устройство для формирования оптической ловушки, 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.
Однако ему присущи недостатки. Во-первых, 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 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. Более того, такое устройство принципиально не позволяет обеспечить фокусировку излучения в криволинейную область, что необходимо, например, для перемещения частицы «за преграду».
grad
Известно устройство для формирования оптической ловушки, реализующее известный способ [A. Ashkin. Non-destructive optical trap for biological particles and method of doing same. US Patent No. 4893886. G02B 27/00. 16.01.1990.] захвата биологической частицы в оптическую ловушку, включающее в себя источник излучения (лазер), генерирующий свет с фиксированной длиной волны в интервале от 800 до 1800 нм, 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 F и микрочастица, расположенная в области сфокусированного излучения. В известном устройстве для формирования оптической ловушки сходящийся пучок лазера направляется в кювету, содержащую частицу, которая захватывается вблизи указанной фокальной точки собирающей линзы.
В этом устройстве также имеются недостатки. Во-первых, 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 которого всегда 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. Более того, такое устройство принципиально не позволяет обеспечить фокусировку излучения в криволинейную область, что необходимо, например, для перемещения частицы «за преграду».
В качестве прототипа принято устройство для формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка по патенту РФ на полезную модель 161207. Устройство содержит 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 имеющее 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 микрочастицы, расположенной в области сфокусированного излучения
Достоинством устройства является возможность субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме фотонного крюка.
Недостатком устройства является большие продольные размеры фокусирующего устройства, достигающие примерно (1,9-2,3)Nλ, сложность расположения фокусирующего устройства на плоской подложке, сложность устройства.
Технической задачей полезной модели является упрощение и уменьшение продольных габаритов устройства субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме фотонного крюка.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка содержит 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, новым является то, что 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.
На Фиг. 1 показана схема устройства формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка, на Фиг. 2 приведены результаты моделирования устройства, расположенного в воздухе, показатель преломления материала первой правильной треугольной призмы равен 1,50, второй призмы 1,30. Размер ребра кубоида 2λх2λх2λ, где λ длина волны используемого излучения.
1
0
0
1
2
1
2
Обозначения: 1 - источник когерентного излучения; 2 - фокусирующее устройство, состоящее из двух частей в форме правильных треугольных призм сопряженных по диагонали; 3 - первая правильная треугольная призма, на боковую поверхность которой падает излучение с оптическим контрастом по отношению к окружающей среде равным примерно n/n = 1,4-1,75, где n и n - показатели преломления окружающей среды и материала первой призмы; 4 - вторая правильная треугольная призма с показателем преломления материала менее показателя преломления материала первой правильной треугольной призмы n/n в 0,8-1,2 раза, где n - показатель преломления материала второй призмы; 5 - «фотонный крюк».
Устройство формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка работает следующим образом. Источник когерентного излучения 1 (лазер, диод Ганна, лампа обратной волны) облучает фокусирующее диэлектрическое устройство 2. Фокусирующее устройство 2 выполнено в форме кубоида состоящего из двух частей в форме правильных треугольных призм 3, 4 сопряженных по диагонали и выполненных из материалов с различными показателями преломления. Оптический контраст по отношению к окружающей среде первой правильной треугольной призмы 3, на боковую поверхность которой падает излучение, равен примерно 1,4-1,75. Показатель преломления материала второй правильной треугольной призмы 4 меньше показателя преломления материала первой правильной треугольной призмы 3 в 0,8-1,2 раза. При взаимодействии падающего на фокусирующее устройство 2 когерентного излучения внутри диэлектрического материала фокусирующего устройства 2 вследствие разных фазовых скоростей волнового фронта в центре и в области граней кубика 2 падающий волновой фронт излучения  искажается и становится вогнутым, что приводит к его последующей фокусировке.
Известно, что для классических идеальных линз поперечный размер области фокусировки вследствие фундаментальных дифракционных ограничений 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].
Для диэлектрических мезоразмерных объектов с соблюдений требований на величину оптического контраста размеры формируемых фотонных струй в продольном направлении составляют от долей до нескольких длин волн излучения, в поперечном - до длины волны излучения, т.е. меньше классического дифракционного предела [Igor V. Minin, Oleg V. Minin, and Yuri E. Geints. Localized EM and photonic jets from nonspherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: Brief review // Ann. Phys. (Berlin) 527, No. 7-8, 491-497 (2015) / DOI 10.1002/andp.201500132], что делает их незаменимыми в ряде приложений, включая микроскопы.
Для того чтобы придать криволинейную форму локальной области фокусировки (фотонной струе) 5, нужно изменить параметры фазового волнового фронта внутри кубика 2. Это достигается выполнением диэлектрического кубоида 2 с величиной ребра кубоида, равного (0,9-1,3)Nλ, где N - целое число, λ - длина волны используемого излучения в среде из двух частей в форме правильных треугольных призм 3, 4 сопряженных по диагонали и выполненных из материалов с различными показателями преломления.
Исследования показали, что для обеспечения условия формирования фотонных струй величина оптического контраста первой правильной призмы 3 должна находиться в диапазоне от 1,4 до 1,75, а показатель преломления материала второй правильной треугольной призмы 4 должен быть меньше показателя преломления материала первой правильной треугольной призмы 3 в 0,8-1,2 раз. Вне этого диапазона фотонная струя либо перестает обладать фокусирующими свойствами, либо практически не искривляется.
В качестве диэлектриков с различными величинами показателя преломления могут использоваться, в зависимости от используемого спектрального диапазона, с различные стекла, полимеры, например, полиэтилен, полипропилен, политетраметилпентен, полистирол, фторопласт и т.д., керамика, пенопласты, композиционные материалы, искусственные материалы, и т.д.
Техническим результатом полезной модели является уменьшение продольных размеров фокусирующего устройства примерно в 2 раза, с одновременным упрощением его.
Положительный эффект оптической ловушки в виде фотонного крюка заключается в возможности воздействия на периферию объекта (микрочастицы) и уменьшению негативного воздействия лазерной ловушки на объекты биологического происхождения, а также в возможности субволновой фокусировки в криволинейную область для перемещения микрочастицы «за преграду».