Delist.ru

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

Автор: Скиданов Роман Васильевич

(мкм/с) Средняя скорость движения шариков (расчет), (мкм/с)

3 50 3,2 9 4(2 4

7 50 2,1 13 6(2 6,2

30 40 0,9 27 14(3 10,7

31 40 0,9 28 11(3 11,4

Следует заметить, что при этом сложно учесть силу трения шариков о дно кюветы, которая возрастает с увеличением мощности пучка (из-за давления света в результате френелевского отражения от шариков). Как видно из таблицы 2 экспериментальные результаты достаточно хорошо согласуются с результатами расчета в пределах погрешности эксперимента, за исключением n=30. Как и в случае с БП наиболее эффективно использовать для вращения микрообъектов оптические вихри высоких порядков.

Еще одна задача, рассматривавшаяся в четвертой главе: создание светового пучка, который бы мог эффективно вращать как прозрачные, так и непрозрачные микрообъекты. Известно, что при оптическом захвате в области фокуса, где градиент интенсивности максимальный, диэлектрические микрообъекты “втягиваются” в области с максимальной интенсивностью, а поглощающие микрообъекты, наоборот “выталкиваются” в область с минимальной интенсивностью. Поэтому, чтобы манипулировать микрообъектами обоих видов (поглощающими и прозрачными), в распределении интенсивности должны быть области с повышенной и пониженной интенсивностью. Единственной возможностью для формирования двойного светового кольца, диаметр которого много больше ширины кольца, это использование дифракционного оптического элемента (ДОЭ). Проще всего изготовить бинарный ДОЭ, имеющий всего два уровня рельефа. На рис. 13а. показана бинарная фазовая функция ДОЭ: белый цвет – фаза (, черный цвет – фаза 0. Функция пропускания ДОЭ, фаза которого показана на рис.13а имеет вид:

где (1, (2 – параметры двух аксиконов с одинаковыми номерами n, которые формируют два двойных кольца, ( - пространственная несущая частота.

. Бинарный ДОЭ с пропусканием (10) будет формировать два двойных кольца с эффективностью около 40% каждый.

мм (в).

мм. Показан только минус первый порядок дифракции. В эксперименте, по вращению микрообъектов в этом пучке, был использован твердотельный лазер с длиной волны 532нм и мощностью 500мВт. В этом эксперименте было очень важно минимизировать потери мощности пучка (из-за больших размеров световых колец). В целях минимизации потерь мощности при отражениях на преломляющих поверхностях пучок не расширялся коллиматором, а нужный размер достигался увеличением расстояния между лазером и первым поворотным зеркалом. Для увеличения интенсивности использовался микрообъектив 40( (водная иммерсия, фокусное расстояние 4,3мм). Полистироловые шарики захватывались световыми кольцами и двигались вдоль них с примерно постоянной скоростью. Различные стадии движения шариков через интервал в 5 секунд в двойном световом кольце представлены на рис.14.

Рис.14 Различные стадии движения шариков в двойном световом кольце, сформированном составным аксиконом, фаза которого показана на рис.13а, стадии движения показаны через 5с.

Радиус внутреннего кольца составлял 37мкм, радиус внешнего кольца 48мкм. Как видно из рис.14, наблюдалось устойчивое движение шариков вдоль внутреннего светового кольца со средней скоростью около 3-4мкм/с и движение шариков вдоль внешнего светового кольца со скоростью 0,5-0,7мкм/с. Такая разница в скорости движения вызвана различными интенсивностями колец. Разница интенсивностей колец обусловлена тем, что ДОЭ освещался гауссовым пучком с радиусом меньшим радиуса ДОЭ (для уменьшения потерь при фокусировке). Результаты моделирования давали при этих параметрах скорость 7мкм/с для внутреннего кольца и 2мкм/c для внешнего кольца, что с учетом трудности при определении силы трения о дно кюветы, хорошо согласуется с экспериментальными результатами. Таким образом, экспериментально показана возможность захвата и вращения микрообъектов в двойном световом кольце, сформированном двойным аксиконом.

В Пятой Главе рассматривается формирование световых пучков с помощью динамического модулятора света и их использование в задаче манипулирования микрообъектами. В частности рассматривается формирование гипергеометрических (ГГ) мод и их распространение в пространстве. Гипергеометрические моды описываются формулой:

; ((x) – гамма функция; 1F1(a,b,x) – вырожденная или конфлюэнтная гипергеометрическая функция. ДОЭ формировался на пространственном модуляторе света (ПМС) CRL OPTO с разрешением 1280(1024. Размер пиксела модулятора (микродисплея) 15мкм. По данным производителя коэффициент отражения ПМС составляет 70%. Но кроме потерь на отражение, в указанном выше ПМС, существуют потери вызванные появлением большого количества дифракционных порядков. В результате дифракционная эффективность ПМС не превышает 10%. Поэтому, если не нужна динамика целесообразнее, использовать фазовые ДОЭ, изготовленные на оптической подложке.

При квадратичном радиальном кодировании бинарная фаза ДОЭ, который формировал ГГ-моду рассчитывалась по формуле

волновое число света с длиной волны (, ( - параметр ГГ моды, r, ( - полярные координаты.

Это значит, что из-за фактического добавления линзы, гипергеометрические моды формируются в сходящемся пучке. На рис.15 представлено распределение интенсивности на разных расстояниях от пространственного модулятора света.

а б в г

Рис.15 Распространение пучка n=10, (=1 (а) 700 мм, (б) 725 мм, (в) 750мм, (г) 775мм.

Уменьшение размера гипергеометрической моды связано с тем, что фиксируемое изображение снималось в сходящемся пучке. Как видно из рис.15, структура пучка сохраняется, что доказывает его модовый характер. Т.к. структура пучка сохраняется при фокусировке, это означает, что данный пучок можно использовать наряду с пучками Бесселя в задачах вращения микрообъектов на разных плоскостях.

Также в пятой главе рассматривается контролируемое вращение шарика в световом пучке, который является суперпозицией двух пучков Бесселя, и который был также сформирован с помощью ПМС. Параметры этого пучка были подобраны так, чтобы его суммарный орбитальный момент был равен нулю.

Для суперпозиции мод Бесселя можно записать:

, ?n – угол наклона к оси z конической волны, Jm(x), J’m(x) – функция Бесселя и ее производная, ?n – корень функции Бесселя. Лазерный пучок, состоящий из мод Бесселя, будет вращаться на конечном расстоянии от исходной плоскости (z=0) при условии, что номера мод (n,m) , входящих в суперпозицию (14) будут удовлетворять соотношению:

Число B1/2 равно числу оборотов, которые совершает интенсивность в сечении пучка на расстоянии равном одной длине волны ?.

Подбором номеров (n,m) можно сформировать пучки Бесселя, обладающие вращением интенсивности в поперечном сечении (B1 ? 0), но имеющие нулевой орбитальный момент (Jz = 0).

При проведении экспериментов использовался жидкокристаллический ПМС CRL Opto SXGA H1 с разрешением 1280(1024. На рис.16 показана фазовая картина, предназначенная для формирования светового поля представляющего собой суперпозицию двух мод Бесселя c номерами C((1, 3) = C((2, –3)=1 ((1=1.4(10-4, (2=7(10-3). Размер области ПМС, в которой формировалась фазовая картина, составил 7(7мм.

Распределения интенсивности в сечении одного из двух сформированных пучков, измеренные на разных расстояниях от микродисплея с помощью CCD камеры, показаны на рис.16. Как видно из рис.16, наблюдается качественное соответствие между экспериментальными и теоретическими данными.

С этим пучком был проведен эксперимент по управляемому вращению микрообъекта. Мощность пучка в плоскости фокусировки составила около 5мВт, длина волны (=0,532мкм.

Рис.16 Бинарная фазовая картина, сформированная на микродисплее (а), картина дифракции вращающегося двухмодового пучка Бесселя на разных расстояниях от ПМС (б,в,г – эксперимент,д,е,ж – теория): z=720 мм (а,г); z=735 мм (б,д); z=765 мм (в,е).

На рис.17 представлены различные положения вращающегося пучка с нулевым орбитальным моментом с захваченным полистироловым шариком диаметром около 1мкм. Картины 16а, 16б сняты при разном положении фокусирующего микрообъектива (16() от начальной плоскости: 0мм – (рис.16а), 0,2мм – (рис.16б). При смещении микрообъектива картинка поворачивается. Пунктирной линией отмечена середина пучка. По этой линии строится сечение пучка по рис.17б (рис.17в).

а б в

Рис.17 Вращающийся пучок с захваченным полистироловым микрошаром диаметром 1мкм, интервал между кадрами (а) и (б) – 10с, (в) сечение по пунктирной линии пучка (б).

Как видно из рис.17, захваченный в максимуме интенсивности микрошар поворачивается вслед за поворотом пучка. Из сечения пучка видно, что максимумы на рис.17б ориентированы вертикально. Наблюдается вращательное движение, несмотря на отсутствие орбитального углового момента у светового пучка. Этот эксперимент показывает, что с помощью ДОЭ и очень простой оптической схемы можно получить контролируемое вращение микрообъекта вместе с пучком. Обычно этот эффект достигается с помощью довольно сложных интерферометров.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В диссертационной работе решена задача вращения диэлектрических микрообъектов в вихревых радиально-симметричных лазерных пучках, сформированных дифракционными оптическими элементами, в том числе многопорядковыми.

Получены следующие основные результаты

1. Экспериментально исследованы картины дифракции Френеля и Фраунгофера, сформированные при прохождении плоской волны или гауссового пучка через спиральную фазовую пластинку с разными номерами сингулярности (n=3,7,30,31). СФП (1-, 4-, 8- порядковые), которые были изготовлены методом электронной литографии. В световых кольцах, сформированных с помощью этих СФП и твердотельного лазера, было зарегистрировано вращение нескольких полистироловых шариков диаметром 5мкм.

2. Разработаны и исследованы оптические установки, включающие газовый (или твердотельный) лазер, микроскоп, телекамеру, освещающие микрообъекты против и по направлению силы тяжести, и предназначенные для захвата, вращения и линейного перемещения микрообъектов в жидкости, отличающиеся тем, что для одновременного формирования нескольких световых полей, обладающих разными орбитальными моментами, используются синтезированные методами компьютерной оптики дифракционные оптические элементы, изготовленные на прозрачных подложках по технологии электронной или оптической литографии.

3. С помощью линейно-поляризованного светового пучка аргонового лазера преобразованного многоуровневой фазовой спиральной зонной пластинкой в квази-бесселевый пучок 5-го порядка экспериментально осуществлено вращение в воде сферических полистироловых шариков.

загрузка...