Delist.ru

Оптический захват и вращение диэлектрических микрообъектов вихревыми лазерными пучками, сформированными дифракционными оптическими элементами (15.08.2007)

Автор: Скиданов Роман Васильевич

СКИДАНОВ

Роман Васильевич

ОПТИЧЕСКИЙ ЗАХВАТ И ВРАЩЕНИЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ МИКРООБЪЕКТОВ ВИХРЕВЫМИ ЛАЗЕРНЫМИ ПУЧКАМИ, СФОРМИРОВАННЫМИ ДИФРАКЦИОННЫМИ ОПТИЧЕСКИМИ ЭЛЕМЕНТАМИ

Специальность

01.04.05 – Оптика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

доктора физико-математических наук

Самара –2007

Работа выполнена

в Самарском государственном аэрокосмическом университете

имени академика С.П. Королева

и Институте систем обработки изображений РАН

Научный консультант:

член-корреспондент РАН СОЙФЕР Виктор Александрович.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, профессор

Захаров Валерий Павлович;

доктор физико-математических наук, профессор

Ивахник Валерий Владимирович;

доктор физико-математических наук, профессор

Рябухо Владимир Петрович.

Ведущая организация:

Институт автоматики и электрометрии СО РАН

Защита состоится 26 октября 2007 года в 10 часов на заседании диссертационного совета Д212.215.01 при Самарском государственном аэрокосмическом университете имени академика С.П. Королева по адресу:443086, г. Самара, Московское шоссе 34.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке университета.

Автореферат разослан

Ученый секретарь

диссертационного совета

к.т.н., профессор Шахов В.Г.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

Диссертация посвящена формированию радиально-симметричных вихревых лазерных пучков с помощью синтезированных методами компьютерной оптики дифракционных оптических элементов (ДОЭ) и решению на этой основе задач оптического захвата и вращения диэлектрических микрообъектов.

Актуальность темы

Оптический захват и вращение микрообъектами основаны на хорошо известном явлении давления света. После создания лазеров появилась возможность создавать силу давления излучения достаточную для ускорения, замедления, отклонения, направления и даже стабильного захвата микрообъектов, размеры которых лежат в диапазоне от долей до десятков микрометров. В диссертации исследуется движение прозрачных диэлектрических микрообъектов. Если показатель преломления больше показателя преломления среды, то сила, возникающая в результате изменения направления движения света, действует на микрообъект так, что он двигается в область наибольшей интенсивности света.

Первые эксперименты по наблюдению захвата и ускорения микрообъектов, взвешенных в жидкости и газе, описаны в работах Ashkin A. в 1970г. В 1977 году этим автором наблюдалось изменение силы давления излучения на прозрачные диэлектрические сферические объекты в зависимости от длины волны и размера.

Если в первых работах было показано, что микрообъект можно захватывать и линейно перемещать, то в последующих рассматривалась возможность вращать и ориентировать в пространстве микрообъекты. Оптическое вращение позволяет реализовать бесконтактный привод микромеханических систем, как это показано в работе Friese M. E. J. в 1995г. Оптическое вращение большое значение имеет в биологии (Ashkin A., 1987), (Tadir Y., 1991).

Можно выделить три основных способа вращения микрообъектов:

– За счет спинового углового момента, который существует у полей с круговой поляризацией (при этом вращаются только двулучепреломляющие микрообъекты, например, микрообъекты из исландского шпата), этот метод описан в работе Bretenaker F., Le Floch A. (1990), а также в работе Friese M. E. J. (1998). Основной недостаток этого метода – ограничение на материал, из которого изготовлен микрообъект: он должен быть двулучепреломляющим кристаллом;

– За счет орбитального углового момента, возникающего из-за спиральной формы волнового фронта, например, пучки Гаусса-Лагерра и Бесселя высших порядков. Передача орбитального углового момента происходит за счет частичного поглощения света в микрообъекте. Этот способ представлен в работах He H. (1995), Friese M. E. J.(1996), Simpson N. B., Allen L., Padgett M. J. (1996). В этих работах пучки Гаусса-Лагерра и Бесселя формировались с использованием амплитудных голограмм, что чрезвычайно невыгодно с точки зрения энергетической эффективности. Гораздо эффективнее использовать чисто фазовые дифракционные оптические элементы, например для формирования пучков Бесселя (Сойфер В.А., Котляр В.В., Хонина С.Н., 1992). Известны работы, в которых микрообъекты “вращаются” по траекториям отличным от окружности, например, по световым треугольнику, квадрату, спирали (Волостников В.Г., Рахматулин М.А., 2000). При этом оптические элементы изготавливались по технологии отбеливания амплитудных транспарантов, которая затрудняет точное воспроизведение параметров рельефа. В известных работах по вращению микрообъектов не использовались высокоэффективные и высококачественные ДОЭ, что делает актуальной задачу создания по технологии электронной и оптической литографии фазовых ДОЭ с высокой дифракционной эффективностью и формирования на их основе одномодовых вихревых лазерных пучков, в том числе пучков Бесселя, оптических вихрей, гипергеометрических мод, и проведения экспериментов по оптическому захвату и вращению микрообъектов.

– За счет изменения фазового набега в интерференционной картине (при захвате микрообъекта в интерференционную картину) между пучком, имеющим винтовой волновой фронт (например, пучок Гаусса-Лагерра), и Гауссовым пучком. И вращение этой картины осуществляется с помощью изменения оптической длины пути одного из пучков. Этот способ описан в работе Paterson L. (2001). Главный недостаток этого метода - необходимость использования довольно сложной оптической схемы. В этом случае также проще использовать ДОЭ, формирующий суперпозицию мод Бесселя или Гаусса-Лагерра (Сойфер В.А., Котляр В.В., Хонина С.Н., 1997г.). Вращающиеся пучки Бесселя или Гаусса-Лагерра, у которых при распространении вдоль оптической оси вращается распределение интенсивности в поперечном сечении пучка, можно использовать для вращения микрообъектов с регулируемой скоростью с помощью линейного смещения источника излучения или фокусирующей линзы. При этом оптическая схема сводится, по сути, к одному ДОЭ. Т.е. задача создания фазовых ДОЭ, формирующих многомодовые вращающиеся пучки, и проведение экспериментов по вращению микрообъектов в таких пучках является актуальной.

Страницы: 1  2  3  4  5  6  7