СПОСОБ ПЕРЕМЕЩЕНИЯ НЕПРОЗРАЧНЫХ МИКРООБЪЕКТОВ
METHOD OF MOVING OPAQUE MICROOBJECTS

Изобретение относится к области оптической микроскопии и оптической микроманипуляции.
Одно из применений устройств, которые обычно называют "оптический пинцет" (optical tweezer), - перемещение и сборка элементов микромеханики специально сформированным световым пучком. Световой пучок за счет градиентных сил в пучке света перемещает одиночный или группу микрообъектов специальной формы (US патент 7622710, МПК G01B 21/06, опубл. 24.11.2009 г, US патент 6995351, МПК G01N 30/00, опубл. 11.08.2005 г., US патент 7678222, МПК G03H 1/00, опубл. 28.12.2006 г.).
Недостатком всех указанных методов вращения является вихревой характер световых пучков для захвата непрозрачных микрообъектов. Это вызывает ненужное при перемещении вращение микрообъекта.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ перемещения микрообъектов, заключающийся в формировании вихревого светового пучка (US патент 6995351, МПК G01N 30/00, опубл. 11.08.2005 г.).
Главным недостатком этого способа является наличие вращающих микрообъект сил, что затрудняет сборку микромеханических систем этим методом и автоматизацию процесса сборки.
В основу изобретения поставлена задача - повысить производительность за счет возможности автоматизации процесса.
Указанная задача достигается тем, что в способе перемещения группы непрозрачных микрообъектов, заключающимся в формировании светового пучка с замкнутыми областями нулевой интенсивности, согласно изобретению световой пучок формируют из нескольких пучков, сначала используют три соосных пучка Бесселя нулевого порядка с разными константами распространения, формируя устойчивый пучок в форме круглого пятна, затем эти пучки располагают в пространстве так, чтобы образовать одну или несколько замкнутых областей для захвата и перемещения непрозрачных микрочастиц.
Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что используется суперпозиция нескольких пучков Бесселя 0-го порядка, что позволяет формировать группу трехмерных оптических ловушек для непрозрачных микрообъектов без ограничения расстояния между ловушками и без полярного градиента фазы в каждой отдельной ловушке. Таким образом, убирается недостаток группы ловушек в виде обычных вихревых пучков, которые невозможно сближать на расстояние, меньшее их собственного диаметра, и которые вдобавок при захвате микрообъекта начинают его вращать.
Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемых технических решений критерию "новизна". Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемым решениям соответствие критерию "существенные отличия".
На фиг.1 представлена оптическая схема устройства, реализующая способ.
Устройство состоит из твердотельного лазера с длиной волны 532 нм и максимальной средней мощностью 500 мВт, поворотного зеркала 2 и полупрозрачного зеркала системы освещения, дифракционного оптического элемента 4, кюветы с микрообъектами 5, изображающего микрообъектива 6, поворотного зеркала 7 изображающей системы, CCD видеокамеры 8, управляющего компьютера 9, лампы осветителя 10, конденсатора осветителя 11, фокусирующего микрообъектива 12.
Световая ловушка для непрозрачных микрообъектов в англоязычных научных статьях обычно называется optical "bootle" (оптическая «бутылка») или light "bootle" (световая «бутылка»). Предлагается для создания группы оптических «бутылок» использовать суперпозицию пучков (мод) Бесселя, имеющих разные параллельные друг другу оси распространения.
Способ осуществляется следующим образом.
На изготовленный дифракционный оптический элемент посылается пучок когерентного света с лазера. После дифракции на элементе формируется замкнутая по трем координатам двойная оптическая ловушка фиг.11.
Как видно из фиг.11, двойная световая ловушка начинает формироваться на расстоянии 775 мм от элемента и замыкается на расстоянии 975 мм. При фокусировке указанным на фиг.1 микрообъективом продольная длина такой ловушки составляет всего 40 мкм.
Для формирования группы оптических «бутылок» рассмотрим суперпозицию N пространственно разделенных мод Бесселя разных порядков с различными номерами корней функции Бесселя, т.е. различными значениями величин m, используемой при расчете фазовой функции ДОЭ, формирующего пучок Бесселя n-го порядка
<mrow><mi>τ</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mi>sgn</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>J</mi><mi>n</mi></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>α</mi><mi>m</mi></msub><mi>r</mi></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>i</mi><mi>n</mi><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>,</mo><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>1</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
m
m
0
<mrow><msub><mi>ρ</mi><mi>m</mi></msub><mo>=</mo><msqrt><mrow><mn>1</mn><mo>−</mo><msup><mrow><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>σ</mi><mn>0</mn></msub><mo>+</mo><mfrac><mrow><mi>m</mi><mi>λ</mi></mrow><mrow><msub><mi>z</mi><mn>0</mn></msub></mrow></mfrac></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mn>2</mn></msup></mrow></msqrt></mrow>
где α=kρ,
, σ=cosθ, n - порядок функции Бесселя, m - номер корня функции Бесселя, k - волновое число, θ - средний угол наклона плоских волн пространственного спектра для заданного поля, х, y - декартовы координаты.
Для вычисления суперпозиции N пространственно разделенных мод Бесселя использовалась следующая формула:
<mrow><mi>T</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><mo>,</mo><mi>y</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mo>=</mo><mstyle displaystyle="true"><munderover><mo>∑</mo><mrow><mi>k</mi><mo>=</mo><mn>1</mn></mrow><mi>N</mi></munderover><mrow><msub><mi>C</mi><mi>k</mi></msub></mrow></mstyle><mo>⋅</mo><mi>sgn</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>J</mi><mrow><msub><mi>n</mi><mi>k</mi></msub></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mi>α</mi><mrow><msub><mi>m</mi><mi>k</mi></msub></mrow></msub><mrow><mo>(</mo><mrow><msub><mover accent="true"><mi>r</mi><mo>→</mo></mover><mi>k</mi></msub><mo>−</mo><msub><mover accent="true"><mi>r</mi><mo>→</mo></mover><mrow><mi>k</mi><mn>0</mn></mrow></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>exp</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>i</mi><msub><mi>n</mi><mi>k</mi></msub><mi>ϕ</mi></mrow><mo>)</mo></mrow><mi>exp</mi><mrow><mo>[</mo><mrow><mi>i</mi><mrow><mo>(</mo><mrow><mi>x</mi><msub><mi>u</mi><mi>x</mi></msub><mo>+</mo><mi>y</mi><msub><mi>ν</mi><mi>y</mi></msub></mrow><mo>)</mo></mrow></mrow><mo>]</mo></mrow><mtext> </mtext><mrow><mo>(</mo><mn>2</mn><mo>)</mo></mrow></mrow>
k
с комплексными коэффициентами C для каждой отдельной моды.
Хотя для формирования одиночной оптической ловушки для непрозрачных микрообъектов существуют более простые способы, например использование составного аксикона, можно сформировать такую ловушку описанным выше методом, чтобы продемонстрировать универсальность предложенного подхода.
Эти 27 мод расположены по схеме, представленной на фиг.2.
0
В данной и последующих схемах за единицу брался минимальный размер дифракционного пятна, формируемого заданным элементом на расстоянии z от входной плоскости при длине волны λ=532 нм.
0
k
k
iπ
В каждой из позиций на схеме располагается суперпозиция из трех мод Бесселя 0-го порядка с одинаковыми значениями z=800 мм, но с различными номерами корней функций Бесселя m=8, 9, 10. Для всех мод за исключением находящихся в центральной позиции коэффициенты C=1; для мод находящихся в центральной позиции C=1·e.
На фиг.3 представлены амплитуда и фаза дифракционного оптического элемента, предназначенного для формирования одиночной ловушки.
Амплитудно-фазовое распределение элемента, формирующего такую суперпозицию, представлено на фиг.4.
Если игнорировать амплитудную составляющую и рассматривать только фазу, то на расстояниях 780-880 мм при диаметре элемента 6 мм и диаметре освещающего пучка 4,4 мм получаются следующие распределения светового поля, представленные на фиг.4. Распределения получены через равные расстояния друг от друга (20 мм).
Как видно из фиг.4, действительно формируется классическая оптическая «бутылка», закрытая по всем трем координатам. При этом относительно большой размер ловушки по оси распространения (100 мм) относится только к формированию ее в свободном пространстве. При фокусировке такого пучка микрообъективом 90× ее длина сокращается до 20 мкм. Эффективность ловушки составляет около 67%. Рассмотрим последовательно несколько все более сложных конфигураций оптических «бутылок». Будем последовательно увеличивать их количество.
Для формирования двойной световой «бутылки» потребуется суперпозиция большего количества мод Бесселя. В данном случае 45 мод Бесселя расположены по схеме, представленной на фиг.5.
0
k
В каждой из позиций на схеме располагается суперпозиция из тех же трех мод Бесселя 0-го порядка с одинаковыми значениями z=800 мм, но с различными номерами корней функций Бесселя m=8, 9, 10 (как и для одиночной бутылки). Для всех мод коэффициенты C были действительными числами и равнялись:
k
- для мод, находящихся в точках с координатами [1; -1], [1; 1], [-1; -1]; [-1; 1] C=2.75;
k
- для мод, находящихся в точке с координатами [0; 0] C=2.25;
k
- для остальных мод C=2.0;
Амплитудно-фазовое распределение элемента, формирующего такую суперпозицию, представлено на фиг.6.
Если игнорировать амплитудную составляющую и рассматривать только фазу, то на расстояниях 780-880 мм при диаметре элемента 6 мм и диаметре освещающего пучка 4,4 мм получаются следующие распределения светового поля (фиг.7). Распределения получены через равные расстояния друг от друга (20 мм).
Эффективность ловушки, по сравнению с одиночной, несколько снизилась и составила около 45%.
Для формирования трех соприкасающихся ловушек нужно 66 мод Бесселя расположить по схеме, представленной на фиг.8.
0
k
В каждой из позиций на схеме располагается суперпозиция из тех же трех мод Бесселя 0-го порядка с одинаковыми значениями z=800 мм, но с различными номерами корней функций Бесселя m=8, 9, 10 (как и для одиночной бутылки). Для всех мод коэффициенты C были действительными числами и равнялись:
k
- для мод, находящихся в точках с координатами [5; -1], [5; 1], [-5; -1]; [-5; 1] C=1.75;
k
- для мод, находящихся в точке с координатами [3; -1]; [3; 1], [2; 0], [-2; -0]; [-3; -1], [-3; 1] C=2.25;
k
- для мод, находящихся в точке с координатами [6; 0]; [-6; 0] C=1.5;
k
- для мод, находящихся в точке с координатами [-1; -1]; [0; -2]; [1; -1]; [1; 1]; [-1; 1]; [0; 2] C=2.5;
- для остальных мод.
Амплитудно-фазовое распределение элемента, формирующего такую суперпозицию, представлено на фиг.9.
Если игнорировать амплитудную составляющую и рассматривать только фазу, то на расстояниях 780-880 мм при диаметре элемента 6 мм и диаметре освещающего пучка 4,4 мм получаются следующие распределения светового поля (фиг.10). Распределения получены через равные расстояния друг от друга (20 мм). Эффективность данной световой ловушки 29%.