Формирование вихревых лазерных пучков, создающих вращающий момент движения микрообъектов сложной формы

• Автор: Морозов, Андрей Андреевич
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 89 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Вращение микрообъектов в гипергеометрических пучках

1Л Расчет силы в гипергеометрических пучках

1.2 Вращение группы микрообъектов в вихревом пучке, сформированным ДОЭ с предыскажением рельефа

1.2.1 Изготовление многоуровневого ДОЭ

1.2.2 Оптическая схема эксперимента

1.2.3 Эксперимент

1.3 Основные результаты, полученные в главе

ГЛАВА 2. ДОЭ для формирования композиционных лазерных вихревых полей

2.1 Композиционные лазерные вихревые пучки
2.2 Моделирование вращения микрообъекта в композиционных лазерных вихревых пучках
2.3 Формирование композиционных лазерных вихревых пучков
2.3.1 Формирование суперпозиции оптических вихрей высоких порядков
2.3.2. Экспериментальное формирование суперпозиций вихревых пучков
2.4 Вращение агломераций микрочастиц в композиционных лазерных вихревых пучках..
2.5 Основные результаты, полученные в главе
ГЛАВА 3. Вращение микрообъектов специальной формы
3.1 Изготовление микрообъектов специальной формы из хрома и из резиста
3.1.1 Процесс изготовления микротурбин для вращения в жидкости методом фотолитографии
3.2 Вращение микрообъектов специальной формы
3.2.1 Экспериментальная установка
3.2.2 Исследование передаваемого момента вращения для разных типов пучков
3.3 Изготовление микрообъектов специальной формы на установке трехмерного микроструктурирования МЗОББ
3.4 Вращение микрообъектов специальной формы, изготовленных на установке трехмерного наноструктурирования МЗОББ
3.5 Основные результаты, полученные в главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
Со времен появления оптического пинцета[1-5], было предложено и разработано множество его модификаций, начиная с классических[6-10,11*] и заканчивая самыми необычными вариантами реализаций и применений[12,13,14*,15*,16*]. Одна из наиболее интересных задач, которую современное развитие науки и техники ставит перед оптическим пинцетом, это создание вращающего момента в микромеханических системах с помощью специальных пучков, которое имеет долгую историю [17-28]. Основное внимание в работах по этой теме уделяется как принципиальной возможности вращения элементов микромеханических систем [18-21], так и самой технологии изготовления таких дифракционных оптических элементов для формирования этих пучков [23,24]. Есть работы, посвященные теоретическим аспектам процесса вращения микрообъектов в лазерных пучках [17, 22]. Развитие этой тематики в настоящее время сводится в основном к практическому применению вращения микрообъектов в лазерных пучках к конкретным задачам [29-40]. В некоторых работах задача вращения рассматривается в совокупности с другими задачами: сортировки,
перемещения, позиционирования и др [41-44].
Существует значительное количество работ, в которых рассматриваются лазерные пучки с особыми свойствами применительно к задаче оптического вращения микрообъектов. Наиболее удобны для оптического вращения микрочастиц пучки Бесселя и гипергеометрические пучки. Бесселевые пучки (БП) обладают рядом замечательных свойств: распространяются на конечном отрезке оптической оси без дифракции [45]; могут образовывать световую «трубку» или световую полость на оптической оси [46]; могут восстанавливаться через некоторое расстояние после препятствия, расположенного на оптической оси [47-49]; как правило, использование таких пучков строится на их обладании орбитальным угловым моментом [50-57,
58*,59*,60*]. В основном все эти свойства присущи и гипергеометрическим пучкам [61,62,63,64].
В разных ситуациях одни из перечисленных выше пучков могут иметь преимущество перед другими, но оптические схемы экспериментов по вращению микрообъектов такими пучками примерно одинаковы. Лазерный пучок пропускается через дифракционный оптический элемент или модулятор света, создающие соответствующее распределение задержки по фазе, в результате чего в фокусе линзы или микрообъектива формируется пучок, имеющий одно или несколько колец в распределение интенсивности и градиент фазы вдоль этих колец. За счет этого градиента фаз получается, что свет распространяется по спирали вокруг оси пучка и наклонно падает на плоскость перпендикулярную этой оси. В эту плоскость помещается водная суспензия с микрообъектами. В случае, когда размеры микрочастицы соизмеримы с шириной формируемых колец, они втягиваются в область наибольшей интенсивности, т.е. выстраиваются вдоль колец, и движутся по направлению градиента фазы. В случае, когда микрообъекты соизмеримы с диаметром формируемых колец, ось пучка совмещается с осью вращения объекта, и суперпозиция сил, действующих на микрообъект в точках пересечения с кольцами и направленных вдоль этих колец, создает вращающий момент, передаваемый микрообъекту.
Есть работы, в которых световое поле подводится к микромеханическому элементу напрямую через оптоволокно. В работе [65] вращают микротурбину, закрепленную на оси и имеющую прямые лопасти. Конец оптоволокна подводят к микротурбине на расстояние в несколько десятков микрон, таким образом, чтобы выходящий из него свет падал на лопасти перпендикулярно оси вращения турбины, и только с одной стороны по отношению к этой оси в плоскости падения. Таким образом микротурбина вращается под действием светового давления аналогично водяной мельнице.
В последнее время появляются работы, в которых форму вращаемого объекта согласуют с формой простого вихревого пучка, таким образом, чтобы

Рисунок 2.3. ДОЭ и соответствующие им световые кольца с равными энергиями (п= 3,111/1*0=0,53) (а) и равными яркостями (п = 4,1*1/1*0=0,618) (б)
порядок
Рисунок 2.4. Зависимость отношения Я, к Я0 от порядка оптического «вихря» при условии равных энергий и при условии равных яркостей колец