СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во Введении обоснована актуальность темы, изложена цель и задачи исследований, дана общая характеристика работы, показана научная новизна полученных результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

В Первой Главе рассматриваются физические основы метода манипулирования микрообъектами в световых пучках, а также проводится обзор работ, посвященных манипуляции микрообъектами в световых пучках:

1. Основные виды одиночных световых ловушек для 2D захвата и 3D-захвата.

2. Основные виды матриц ловушек для 2D захвата и 3D-захвата.

3. Основные способы вращения микрообъектов.

4. Основные способы формирования световых пучков для задач микроманипуляции, а особенно для вращения микрообъектов. Подчеркивается, что все описанные пучки с высоким качеством и энергетической эффективностью проще формировать, используя ДОЭ. Более того, использование ДОЭ во многих случаях может быть более эффективным (с точки зрения энергетической эффективности), как правило, упрощает оптическую схему и позволяет формировать с высоким качеством более сложные пучки (например, многопорядковые или многомодовые), а, следовательно, решать более сложные задачи.

Во Второй Главе предложен метод расчета сил действующих на микрообъект в световом пучке. В основу метода положено геометрооптическое приближение. Само по себе использование геометрооптического приближения для расчета сил не ново, и впервые этот метод был описан еще в работе Ashkin A., однако все работы, посвященные расчету сил ограничивались частными случаями. Методы, описанные в них, либо рассматривали частный случай формы микрообъекта (Рахматулин М. А.), либо частный случай светового пучка (Nieminen T. A., Rubinsztein-Dunlop H., Heckenberg N. R.). В диссертации рассматривается метод, который в отличие от ранее разработанных, позволяет:

1. работать с микрообъектами любой заданной формы;

2. работать со световыми пучками с заданным амплитудно-фазовым распределением, в том числе с вихревыми пучками;

3. моделировать движения микрообъекта в заданном световом пучке.

Рассматривается микрообъект произвольной формы в световом пучке. Будем считать, что соблюдается ряд условий: Световой пучок задается функциями интенсивности I(x,y) и фазы и ((x,y) соответственно. Микрообъект ограничен двумя поверхностями: верхней, которая задается функцией f1(x,y) и нижней, которая задается функцией f2(x,y) (рис.1). Функции f1(x,y) и f2(x,y) однозначные. Микрообъект движется в плоскости xy. Световой пучок падает на микрообъект вертикально сверху вниз.

Рис.1 Схема преломления световых лучей на микрообъекте.

определяется исходя из функции ((x,y,), которая определяется в плоскости непосредственно перед микрообъектом. Этот вектор должен быть всегда перпендикулярен волновому фронту.

единичного луча на микрообъект определяются формулой

где N – мощность луча, c – скорость света.

При этом надо учитывать, что направляющий вектор для преломленного выходящего луча напрямую зависит от направляющего вектора падающего луча. Для всего пучка формула (1) преобразуется к виду

, т.е. направление луча после микрообъекта в зависимости от начального направления луча определяется исходя из законов преломления.

=2, диаметр перетяжки гауссова пучка 1мкм.

На рис. 2а представлен графики зависимости проекций силы Fz для геометрооптического и электромагнитного подходов при смещении вдоль оси пучка. На рис. 2б, представлены аналогичные графики для проекций силы Fy при смещении цилиндра относительно оси распространения пучка.

от смещения L объекта вдоль оси Y через центр перетяжки (Z=0) (1 – точный расчет, 2 – геометрооптический расчет).

Для расчета среднеквадратичного отклонения (С.К.О.) использовалась формула

- среднее значение эталонной функции.

Для продольной силы (рис.2а) существует область, где среднеквадратичное отклонение силы полученной в геометрооптическом приближении от силы, рассчитанной в рамках электромагнитного подхода, составляет не более 0,1. Как видно рис.2б для поперечной силы также существует область, в которой СКО, составляет не более 0,1.

Полученные результаты позволяют утверждать, что геометрооптический метод расчета силы, действующий на микрообъект со стороны светового пучка, обладает достаточной точностью для практического использования, за исключением случаев, не представляющих практического интереса, например, при смещении более 0,5мкм от оси пучка на рис.2б.

Третья Глава посвящена исследованию оптического захвата и вращения микрообъектов в бесселевых пучках (БП).

Приведены аналитические соотношения для скалярных и векторных БП. Скалярные БП известны как бездифракционные, так и расходящиеся. Бездифракционный БП может быть непараксиальным и удовлетворять уравнению Гельмгольца, а может быть параксиальным и преобразовываться с помощью параболического преобразования Френеля.

Для векторных двумерных непараксиальных БП с TE-поляризацией и для трехмерных параксиальных БП с линейной поляризацией рассчитаны векторы Пойнтинга. Показано, что для БП ненулевого порядка вектор Пойнтинга имеет азимутальную составляющую, которая пропорциональна орбитальному угловому моменту БП. В диссертации показано, что изображение бездифракционного БП с помощью сферической линзы приводит к расходящемуся параксиальному БП, т.е. в задачах микроманипулирования используется расходящийся БП, сохраняющий свою структуру с точностью до масштаба. Формировались бесселевы пучки с помощью амплитудных голограмм (J. Turunen, 1989), винтового аксикона (Сойфер В.А., Котляр В.В., 1992). В этой работе впервые экспериментально сформирован бездифракционный бесселев пучок с помощью спиральной зонной пластинки (A. Fedotowsky, K. Lehovec, 1974):

где ( ( параметр функции Бесселя, r, ( - полярные координаты, n – целое число. ДОЭ с пропусканием (4) формирует светового кольца в Фурье-плоскости с максимальной интенсивностью.

При расчете фазы ДОЭ, для формирования БП 5-го порядка выбирались следующие параметры: R=3 мм, (=633 нм, (=44.5 мм–1. На рис. 3а показан шаблон (600(600 отсчетов), по которому был методом электронной литографии изготовлен 16-градационный ДОЭ с пропусканием (4) (шаг дискретизации 10 мкм). На рис. 3б показана центральная часть микрорельефа ДОЭ при увеличении в 50 раз (вид сверху), а на рис.3в – при увеличении в 200 раз. Картины микрорельефа получены с помощью интерферометра NEWVIEW 5000 фирмы Zygo.

На рис.3г,д,е показаны результаты эксперимента для расходящегося пучка Бесселя 5-го порядка. Бездифракционный Бесселев пучок был сформирован ДОЭ с пропусканием (4) (рис.3а,б,в), а расходящийся БП получается преобразования бездифракционного БП с помощью линзы (рис.3г,д,е). Расходящийся БП пучок описывается формулой:

где r,?, z – цилиндрические координаты.

Была использована линза с фокусным расстоянием f=50мм, расстояние от ДОЭ до линзы 200мм, He-Ne лазер с длиной волны 0,633 мкм, на рис. 3ж,з,и показаны результаты моделирования при этих же параметрах.

Рис.3 Фазовый ДОЭ, формирующий БП пятого порядка: шаблон фазы (а) и вид центральной части микрорельефа при увеличении в 50 раз (б) и 200 раз (в), расходящийся параксиальный БП на расстояниях 100мм, 150мм от линзы соответственно (г), (д) (эксперимент), (е), (ж) (расчет).

Для проведения экспериментов по манипулированию микрообъектами был разработан макет экспериментальной оптической установки, оптическая схема которой приведена на рис.4а. Основой установки является модифицированный микроскоп “Биолам – М”. Для ввода лазерного излучения использовался стандартный оптический тракт осветителя микроскопа. Внешний вид самой установки приведен на рис.4б.

Рис.4 Оптическая схема экспериментальной установки (а): L – аргоновый лазер, K – коллиматор, D – ДОЭ, L1 – корректирующая линза, M1 – полупрозрачное зеркало микроскопа, M2 – поворотное зеркало, L2 – микрообъектив, P – кювета с микрообъектами, L3 – окуляр микроскопа, CF – красный светофильтр, TV – телекамера, L4 – объектив телекамеры, L5 – конденсор осветителя, I – лампа осветителя, фотография экспериментальной установки (б).

При разработке этой оптической установки нужно было удовлетворить нескольким противоречивым требованиям: во первых, для наибольшей эффективности фокусировки необходимо было использовать микрообъектив с большим увеличением, во вторых, размер ДОЭ определял размер пучка, попадающего на микрообъектив, и, например, для микрообъектива 90( размер пучка был существенно больше входной апертуры, что неизбежно приводит к уменьшению энергии пучка, следовательно нужно использовать микрообъектив с меньшим увеличением (16(, 20(). Кроме этого, использование одного микрообъектива для фокусировки и формирования изображения, приводит к необходимости совместить фокальную и рабочую плоскости микрообъектива. Обе эти проблемы были успешно решены с помощью корректирующей линзы L1. Для определения минимально необходимой мощности пучка с помощью разработанного метода расчета сил была определена минимальная интенсивность 2(108Вт/м2, при которой возможно движение микрообъекта диаметром 5мкм, с показателем преломления 1,5 в БП 5-го порядка. При использовании микрообъектива 16(, это дает мощность пучка в рабочей плоскости 90мВт. Учитывая, что потери при отражении от преломляющих поверхностей в фокусирующей системе составляют 55%-60% (экспериментально полученное значение), следует, что мощность пучка на выходе из лазера должна быть около 200мВт. Светофильтр CF в эксперименте был подобран так, чтобы было видно микрообъект, но не видно пучка.

В эксперименте в качестве микрообъекта использовалась клетка дрожжей размером 4,5(7мкм. Такой выбор объекта для вращения в световом пучке объясняется несколькими причинами: клетка дрожжей удобный прозрачный микрообъект с известным показателем преломления, клетка дрожжей довольно часто используется другим экспериментаторами, область применения оптического вращения включает в себя вращение микробиологических препаратов, близких по параметрам к клетке дрожжей.

Всего клетка дрожжей совершила восемь оборотов по круговой траектории диаметром 17мкм. На рис. 5. представлены стадии движения клетки дрожжей в БП 5-го порядка.

Рис.5 Клетка дрожжей захватывается световым БП и совершает 8 оборотов по кольцу диаметром 17мкм (первое кольцо БП), а, б, в – стадии движения через 0.5 с. траектория показана контуром.