УСТРОЙСТВО СУБВОЛНОВОЙ ОПТИЧЕСКОЙ ПИПЕТКИ

Настоящая полезная модель относится к устройствам оптических ловушек и может быть использована в устройствах всасывания и удержания нано и микрочастиц, применяемых в современной биологии, медицине и биоинженерии.
Методы лазерной манипуляции микроскопическими и наноразмерными объектами представляют большой интерес для биологии, медицины, микромеханических технологий и являются одним из бурно развивающихся направлений фотоники.
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.
grad
grad
grad
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, патенты РФ №№ 160834,167405], 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].
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, полистирольные и латексные шарики диаметром около 1 мкм, 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.
Если прозрачная микрочастица находится в центре перетяжки пучка, то направление и величина суммарного импульса света после прохождения светового пучка через частицу не меняется, 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 текучую среду, показатель преломления которой меньше, чем таковой у частицы.
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 только захватить нано и микро частицу и с их помощью принципиально нельзя сформировать оптические ловушки позволяющие захватить и переместить нано или микро частицу в материальное тело «контейнер» и сохранить их там.
P
Известно устройство для формирования оптической ловушки, реализующее 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 F давления света на частицу, формируемыми одним или несколькими лазерными источниками. Эти силы действуют в направлении распространения излучения.
Однако ему присущи недостатки. 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 нескольких десятков микрон от фокуса оказывается недостаточной, чтобы снова захватить частицу. Большой пространственный размер области фокуса не менее дифракционного предела уменьшает возможную интенсивность электромагнитного поля в области фокуса, а фокус находится на значительном расстоянии от внешней поверхности линзы.
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, 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 микрочастицу, расположенную в области сфокусированного излучения. Данное устройство принято за прототип.
У такого устройства также имеются недостатки. 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 нескольких десятков микрон от фокуса оказывается недостаточной, чтобы снова захватить частицу. Большой пространственный размер области фокуса не менее дифракционного предела уменьшает возможную интенсивность электромагнитного поля в области фокуса, а фокус находится на значительном расстоянии от внешней поверхности линзы.
Более того, такое устройство принципиально не позволяет обеспечить фокусировку излучения на внешнюю границу линзы с субдифракционным пределом разрешения, что необходимо, например, для (всасывания) перемещения частицы внутрь линзы.
Задачей полезной модели является обеспечение возможности субволновой фокусировки излучения на внешней границе поверхности линзы и внутри тела линзы.
Поставленная задача достигается тем, что устройство субволновой оптической пипетки содержит лазерный источник излучения, фокусирующее устройство, микрочастицу, расположенную в области фокуса сфокусированного падающего на нее излучения, согласно полезной модели, фокусирующее устройство выполнено в виде диэлектрической частицы из материала, обеспечивающего оптический контраст по отношению к окружающей среде, равный 1,4-2,0 с характерным размером не менее λ, где λ длина волны падающего излучения, а по оптической оси фокусирующего устройства выполнено субволновое отверстие постоянного сечения с характерным поперечным размером не более 0,25λ.
Кроме того фокусирующее устройство имеет форму шара.
Кроме того фокусирующее устройство имеет форму куба.
Кроме того, субволновое отверстие в поперечном сечении имеет форму кольца.
На Фиг. 1 показана заявляемая полезная модель, где 1 – падающее излучение, 2 - диэлектрическая частица в форме шара или куба с оптическим контрастом по отношению к окружающей среде, равным 1,4-2,0 и с характерным размером не менее λ, где λ длина волны падающего излучения, 3 - субволновое отверстие постоянного сечения с характерным поперечным размером не более 0,25λ, 4 - область фокусировки диэлектрической частицы в форме шара или куба, 5 - нано или микрочастица.
На Фиг. 2 показано распределение интенсивности электромагнитного поля в диэлектрической частице в форме шара в двух плоскостях: диэлектрическая частица диаметром равным λ с относительным показателем преломления N=1,7 и диаметром круглого отверстия равного λ/20 (а-б); диэлектрическая частица диаметром равным 2λ с относительным показателем преломления N=1,79 и диаметром круглого отверстия, равного λ/25 (в-г); диэлектрическая частица диаметром равным 4λ с относительным показателем преломления N=1.5 и диаметром круглого отверстия равного λ/25 (д-е).
В результате проведенных экспериментов было обнаружено, что для диэлектрической частицы в форме шара с относительным показателем преломления N=1,7 и диаметром, равным длине волны падающей волны максимум интенсивности электромагнитного излучения примерно в 14 раз больше падающей интенсивности электромагнитной волны. При выполнении по оси симметрии частицы отверстия диаметром λ/20 максимальная интенсивность в отверстии на внешней границе частицы примерно в 30 раз больше падающей интенсивности электромагнитной волны.
При увеличения диаметра диэлектрической частицы в два раза с относительным показателем преломления равного N=1.79 и диаметром отверстия λ/25 максимальная интенсивность в отверстии на внешней границе частицы примерно в 194 раз больше падающей интенсивности электромагнитной волны.
При увеличения диаметра диэлектрической частицы до диаметра, равного 4 λ с относительным показателем преломления, равного N=1,5 и диаметром отверстия λ/25 максимальная интенсивность в отверстии на внешней границе частицы примерно в 297 раз больше падающей интенсивности электромагнитной волны.
На Фиг. 3 показано распределение интенсивности электромагнитного поля в диэлектрической частице в форме куба для различных поляризаций падающей волны с величиной ребра куба, равного λ, с относительным показателем преломления N=2 и диаметром круглого центрального отверстия, равного λ/10.
На Фиг. 4 показано распределение интенсивности электромагнитного поля в диэлектрической частице в форме куба для различных поляризаций падающей волны с величиной ребра куба, равного λ, с относительным показателем преломления N=2 и диаметром круглого центрального отверстия, равного λ/20.
На Фиг. 5 показаны диэлектрическая частица в форме куба и кольцевым отверстием и распределение интенсивности поля в нем. В данном случае ширина кольца составляла величину, равную λ/20 и относительный показатель преломления материала диэлектрической частицы N= 1,8.
Для фокусирующих мезоразмерных диэлектрических частиц в форме куба и шара интенсивность поля в отверстии на внешней границе частицы больше интенсивности поля вне тела частицы, что позволяет захватить и переместить частицу в внутрь фокусирующей частицы.
Устройство субволновой оптической пипетки работает следующим образом (Фиг. 1). При взаимодействии падающего на диэлектрическую частицу в форме шара или куба 2 оптического излучения 1, сформированного, например, лазером, внутри диэлектрического материала шара или куба 2 вследствие разных фазовых скоростей волнового фронта в центре и по периферии диэлектрической частицы 2 падающий волновой фронт излучения 1 искажается и становится вогнутым, что приводит к его последующей фокусировке. При соблюдении условий на величину оптического контраста (отношение показателей преломления материала диэлектрической частицы 2 и среды, где она располагается, и характерных размеров частицы непосредственно у «выходной» (теневой) поверхности частицы 2 формируется область фокусировки 4, т.н. фотонная струя.
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 соблюдением требований на величину оптического контраста размеры формируемых фотонных струй в продольном направлении составляют от долей до нескольких длин волн излучения, в поперечном - до λ/4 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 non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: Brief review // Ann. Phys. (Berlin) 527, No. 7-8, 491-497 (2015) / DOI 10.1002/andp.201500132).
При выполнении субволнового отверстия постоянного сечения с характерным поперечным размером не более 0,25λ 3 вдоль оптической оси диэлектрической частицы 2, область фокусировки с максимальной интенсивностью излучения 4 формируется в субволновом отверстии 3 на внешней границе диэлектрической частицы 2. При расположении нано частицы 5 в область фокусировки 4 происходит ее захват и перемещение (всасывание) в область с максимальной интенсивностью излучения, расположенной в отверстии 3.
Исследования показали, что для обеспечения условия формирования области фокусировки с максимальной интенсивностью излучения в субволновом отверстии на внешней границе диэлектрической частицы в форме шара или куба характерный размер частицы должен составлять не менее λ, где λ длина волны падающего излучения, а диэлектрическая частица выполнена из материала, обеспечивающего оптический контраст по отношению к окружающей среде, равный 1,4-2,0.
При характерном размере частицы менее λ, диэлектрическая частица не производит фокусировку падающего излучения.
При оптическом контрасте материала частицы менее 1,4 область фокусировки лежит вне внешней границы диэлектрической частицы. При оптическом контрасте материала частицы более 2,0 внутри диэлектрической частицы и захват нано частицы вне внешней границы диэлектрической частицы невозможен.
Максимальный характерный поперечный размер субволнового отверстия постоянного сечения должен быть не более 0,25λ. При большей величине отверстия уменьшается максимальная интенсивность излучения в отверстие и перемещение наночастицы во внутрь диэлектрической частицы не возможно. Длина субволнового отверстия должна быть не более характерного размера диэлектрической частицы. Выбором длины отверстия возможна оптимизация максимальной величины интенсивности электромагнитного поля внутри отверстия.
Таким образом, сущность достигаемого положительного эффекта заключается в том, что фокусировка падающего излучения в субволновом отверстии на внешней границе диэлектрической частицы, выполненном в материале фокусирующей диэлектрической частицы в форме шара или куба, достигается выбором формы диэлектрической частицы в виде шара или куба, с определенными геометрическими размерами и оптическим контрастом, указанными выше.
Положительный эффект субволновой оптической пипетки заключается в возможности воздействия на нано или микрочастицу в области фокуса, ее захвата и перемещения (всасывания) ее в отверстие расположенное по оптической оси диэлектрической частицы (контейнера).
Указанными факторами и достигается технический эффект заявляемой полезной модели, заключающийся в осуществлении возможности субволновой фокусировки излучения на внешней границе поверхности линзы и внутри тела линзы.
Новизна заявляемой субволновой оптической пипетки заключается в том, что ранее не были известны устройства фокусировки электромагнитного излучения в субволновом отверстии, расположенном по оптической оси диэлектрической частицы в форме шара или куба и одновременно на внешней границе диэлектрической частицы, причем максимальная интенсивность поля максимальна в субволновом отверстии с определенными геометрическими размерами и оптическим контрастом, указанными в материалах заявляемой полезной модели.