Развитие методов лазерного микроманипулирования с использованием полей со сложной структурой

• Автор: Коробцов, Александр Викторович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2009
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 139 с. : ил.

Оглавление
Введение

1. Манипуляция микрообъектами лазерным излучением (обзор 14 литературы)

1.1. Характеристики оптического пинцета

1.2. Типы ловушек

1.2.1. Однопучковая ловушка 2 О

1.2.2. Двухпучковая ловушка

1.2.3. Интерференционная ловушка

1.3. Оптические ловушки с вихревой компонентой

1.3.1. Ловушки на основе вихревых аксиконов

1.3.2. Ловушки с использованием пучков Бесселя высших 28 порядков

1.3.3. Ловушки с использованием спиральных пучков
1.4. Формирование массивов ловушек
1.5. Динамическое управление
1.6. Расчет сил при оптическом захвате
1.7. Практическое применение оптической манипуляции мик- 43 рообъектами
1.8. Механические свойства эритроцитов
1.8.1. Общие сведения о крови
1.8.2. Значение деформируемости эритроцитов
1.8.3. Методы определения деформируемости эритроцитов
Основные результаты первой главы
2. Формирование и анализ световых полей для лазерного мани- 56 пулирования
2.1. Методика изготовления транспарантов для формирования 56 световых полей
2.2. Экспериментальное исследование световых полей

2.3. Определение сил, действующих со стороны светового ПОЛЯ 68 на диэлектрические частицы
2.4. Математическое моделирование действия дифракционной 75 решетки для деформирования микрообъектов
Основные результаты второй главы
3. Лазерный пинцет на основе вихревых полей
3.1. Механизм перемещения слабопоглощающих диэлекгриче- 82 ских микрообъектов по траекториям
3.2. Экспериментальная установка для манипулирования
3.3. Манипуляция прозрачными диэлектрическими частицами
3.4. Сравнение численных и экспериментальных результатов
Основные результаты третей главы
4. Применения лазерной манипуляции
4.1. Изучение механических свойств биообъектов
4.2. Эксперименты по деформированию с применением вихре- 109 вых полей
4.3. Оптическая сортировка микрочастиц
4.4. Оптические “конвейеры” и миксеры в жидкостных микро- 115 системах
Основные результаты четвертой главы
Заключение
Список авторской литературы
Список используемых источников и литературы

Введение
Актуальность работы
Разработка методов лазерного манипулирования микрообъектами является одним из перспективных направлений развития лазерной физики и прикладной оптики. Инструментарий, реализованный на базе методов захвата и удержания микрочастиц одиночными лазерными пучками, получил название лазерного пинцета.
Области применения лазерного манипулирования обусловлены масштабами силовых воздействий, получаемых с помощью оптической ловушки. Можно выделить несколько направлений прикладных исследований, в которых регулярно появляются сообщения о применении лазерного манипулирования для решения поставленных задач. К ним относятся: микромеханика, микробиология, медицина, химия и охлаждение атомов.
В ряде задач возникает необходимость перемещать микрообъекты по заданным траекториям, что в большинстве экспериментов осуществляют путем механического перемещения либо пучка, либо предметного столика микроскопа. Для реализации временного разделения используются быстрые отражатели, перемещающие лазерный пучок от одной частицы к другой по циклу с частотой в несколько килогерц. Известен способ управления положением захватывающего пучка с помощью адаптивных зеркал или акустооптических модуляторов [39]. Существуют работы, в которых перемещение захваченной частицы по заданной траектории осуществляется за счет движения светового пятна, которое вызывается либо изменением интерференционной картины [22], либо проекцией исходного перемещающегося пятна с экрана монитора [57]. В работе [87] для перемещения микрочастиц по окружностям используются пучки Бесселя и вихревые поля в форме окружностей, сформированные дифракционными оптическими элементами.
Перспективным является расширение функциональных возможностей данного инструментария. В работе [10] показана принципиальная возможность

NA=1,4). Время преобразования массива ловушек, изображенного на рисунке 1.15 слева, в массив справа составило 3 с.
Временное мультиплицирование зонных пластинок Френеля
В работе [42] авторы использовали бинарную зонную пластинку Френеля, воспроизведенную на ферроэлектрическом ЖК ПМС [43] для создания массивов ловушек. Изменением позиции зонной пластинки и фокусного расстояния осуществляется перемещение лазерного фокуса в трехмерном пространстве. Массив ловушек создавался путем быстрого переключения между ловушками. Недостаток бинарных устройств ПМС, по сравнению с многоуровневыми ПМС состоит в том, что они могут создавать только симметричные дифракционные образцы. Используя зонные пластинки, симметричные порядки смещаются в различные фокальные плоскости и могут быть исключены. Так как зонные пластинки имеют простую математическую форму, то их отображение и изменение не требуют сложных вычислений. Главное преимущество ферроэлектрического ЖК (F-LCD) над нематическим ЖК (TN-LCD), это более высокая скорость переключения. Скорость переключения для ферроэлектрического ЖК (F-LCD) составляет 50-100 микросекунд, что в тысячи раз быстрее, чем скорость переключения нематического ЖК (TN-LCD) [44]. В основе работы ферроэлектрического устройства лежат отражающие микроэкраны. Он содержит массив из 1280*1024 отражающих пикселей с размером пикселя 13,62 мкм, размер элемента 17,43*13,95 мм и имеет частоту кадров 1440 Гц. В экспериментальной установке использовался криптоновый лазер на длине волны 647,1 нм с выходной мощностью 450 мВт. Голографическая оптическая система была изготовлена с использованием 24-битного ферроэлектрического жидкокристаллического микродисплея. Такое устройство позволяет захватывать до 24 микрочастиц и независимо манипулировать ими, используя каждый бит пластинки, как бинарную голограмму.