УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ОПТИЧЕСКОЙ ЛОВУШКИ В ФОРМЕ ФОТОННОГО КРЮКА

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) 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.
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.], 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.
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.
P
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 F 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».
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 Fgrad и микрочастицу, расположенную в области сфокусированного излучения. В известном устройстве для формирования оптической ловушки, взятым за прототип, сходящийся пучок лазера направляется в кювету, содержащую частицу, которая захватывается вблизи указанной фокальной точки собирающей линзы.
Для такого устройства 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».
Технической задачей полезной модели является обеспечение возможности 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 и микрочастицу, расположенную в области сфокусированного излучения, согласно полезной модели фокусирующее устройство выполнено в виде диэлектрической частицы из материала, обеспечивающего оптический контраст по отношению к окружающей среде равный 1.2-1.75 и имеющей 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.
На Фиг. 1 показана заявляемая полезная модель, где а) - сформированная фотонная струя из кубической частицы, б) - формирование фотонной струи в виде фотонного крюка: 1 - кубическая диэлектрическая частица, 2 - диэлектрическая прямая призма, 3 - фотонная струя в виде фотонного крюка, 4 - падающее излучение, L - длина грани куба, L1 - высота диэлектрической прямой призмы.
Устройство формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка работает следующим образом (Фиг. 1б). При взаимодействии падающего на кубик 1 излучения 4 внутри диэлектрического материала кубика 1 вследствие разных фазовых скоростей волнового фронта в центре и в области граней кубика 1 падающий волновой фронт излучения 4 искажается и становится вогнутым, что приводит к его последующей фокусировке. При соблюдении условий на величину оптического контраста (отношение показателей преломления материала кубика и среды, где он располагается, и размеров граней кубика L (в единицах длин волн падающего излучения 4) непосредственно у «выходной» (теневой) поверхности кубика формируется т.н. прямолинейная слабо эллиптическая фотонная струя (Фиг. 1а).
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 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), что делает их незаменимыми в ряде приложений, включая микроскопы.
Для того, чтобы придать криволинейную форму локальной области фокусировки (фотонной струе), нужно изменить параметры фазового волнового фронта внутри кубика. Это достигается помещением на входную поверхность кубика 1 диэлектрической прямой призмы 2, выполненной из того же материала, что и кубик.
Исследования показали, что для обеспечения условия формирования фотонных струй размер грани кубика должен составлять L=к*N*λ, где к - эмпирический коэффициент, равный к=1…1.3, N - целое число, равное 1, 2, 3, …, λ - длина волны используемого излучения. При этом величина оптического контраста должна находиться в диапазоне от 1.2 до 1.75.
Выбором параметра N (эквивалент работы устройства на гармониках) осуществляется согласование размеров кубика 1 и ширины облучающего пучка излучения 4. Размер высоты диэлектрической прямой призмы L1 регулирует степень «кривизны» фотонной струи в виде фотонного крюка и определяется конкретным применением заявляемого устройства. На практике, как показали результаты вычислительных экспериментов, параметр L1 составляет от 0.1L до 1.1L. Вне этого диапазона фотонная струя либо перестает обладать фокусирующими свойствами, либо практически не искривляется. На Фиг. 1 показаны фотонные струи, сформированные из диэлектрика с показателем преломления 1.46 с размером 3×3×3 λ, размер диэлектрической прямой призмы составил 1×3×3.16 λ.
Таким образом, сущность достигаемого положительного эффекта заключается в том, что фокусировка падающего излучения в криволинейную область, например, в виде фотонного крюка, достигается выбором формы диэлектрической частицы в виде кубика с сопряженной прямой пирамидой с определенными геометрическими размерами, указанными выше.
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».
Указанными факторами и достигается технический эффект заявляемой полезной модели, заключающийся в осуществлении возможности субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме фотонного крюка.
Новизна заявляемой оптической ловушки в виде фотонного крюка заключается в том, что ранее не были известны методы формирования криволинейной области повышенной концентрации электромагнитного поля (фотонной струи) в виде фотонного крюка с помощью диэлектрической частицы кубической формы с сопряженной прямой пирамидой с определенными геометрическими размерами, указанными в материалах заявляемой полезной модели.