Разработка методов манипуляции микрообъектами лазерным излучением

• Автор: Рахматулин, Малик Абдужапарович
• Шифр специальности: 01.04.21
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2002
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 107 с. : ил

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА I. МАНИПУЛЯЦИЯ МИКРООБЪЕКТАМИ ПОСРЕДСТВОМ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ
1.1 Световое давление
1.2 Оптическая левитация малых прозрачных частиц
1.3 Однолучевая трёхмерная ловушка
1.4 Момент вращения циркулярно поляризованного света
1.5 Вращение микрообъектов эллиптически поляризованным 33 светом
1.6 Спиральные пучки света
1.7 Вращение микрообъектов с помощью спиральных пучков 45 света
1.8 Манипуляция биологическими объектами
ГЛАВА II. ДЕЙСТВИЕ СФОКУСИРОВАННОГО ЛАЗЕРНОГО
ПУЧКА НА НЕПОГЛОЩАЮЩУЮ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЧАСТИЦУ
2.1 Расчёт сил при оптическом захвате
2.2 Диэлектрические сферы в лазерном пинцете
2.3 Эллипсоидальные частицы в лазерном пинцете
2.4 Оптические ловушки, образованные различными модами 67 лазера
2.5 Экспериментальное определение сил захвата
2.6 Эксперименты с биологическими объектами

ГЛАВА III. УПРАВЛЕНИЕ СКОРОСТЬЮ ВРАЩЕНИЯ ЗАХВАЧЕННОЙ ЧАСТИЦЫ
3.1 Момент вращения эллиптически поляризованного света
3.2 Управление скоростью вращения частицы, захваченной 83 сфокусированным лазерным пучком, с помощью жидкокристаллического модулятора
ГЛАВА IV. ЛАЗЕРНЫЙ ПИНЦЕТ НА СПИРАЛЬНЫХ ПУЧКАХ
4.1 Передача орбитального момента спирального пучка частице
4.2 Наблюдение фазовых фронтов пучков с ненулевым 89 орбитальным моментом
4.3 Эксперименты по захвату и вращению микрообъектов 93 спиральными пучками света
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ
Первые эксперименты по манипуляциям микрообъектами лазерным излучением были проведены в 1970х годах Артуром Эшкиным, физиком из Bell Telephone Laboratories в США. Он разработал ряд методов, которые использовали лазерные пучки для манипуляции частицами микронных размеров. В последнее время можно встретить много работ, описывающих различные виды лазерных пинцетов и их применение. Одним из наиболее часто встречающихся применений лазерного пинцета является применение его в биологии в качестве неинвазивного стерильного инструмента. Сейчас лазеры используются в биотехнологических лабораториях для манипуляций над живыми клетками, паразитами и даже одиночными нитями ДНК [1-6]. Изучается возможность использования лазерного пинцета для захвата и транспортировки сперматозоидов при искусственном оплодотворении [2,3].
Кроме того, лазерный захват может использоваться в качестве точного инструмента для создания деталей микромашин, сборки из них механизмов и приведения их в движение [7]. Лазерные пинцеты являются уникальным инструментом для измерения сил взаимодействия между микрочастицами и сил взаимодействия между частицей и поверхностью, для определения аэродинамических свойств частиц. Также лазерный пинцет может применяться для точного определения размеров микроскопических сфер [8].
В настоящее время при помощи лазерного пинцета реализуются такие манипуляции как трёхмерное перемещение захваченной частицы и её вращение вокруг оси пучка лазера. Осуществлены захват и вращение частиц с использованием поляризованного света.
Очевидно, что перспективным является расширение функциональных возможностей данного инструментария. Это может быть достигнуто за счёт использования пучков с заданным распределением интенсивности и орбитального момента. Такие пучки позволят не только вращать микроскопические частицы вокруг оси пучка, но и перемещать их по заданной траектории, определяемой поперечным распределением интенсивности, накладывать на частицу неоднородные деформации. Задача формирования таких пучков может решаться как посредством синтеза соответствующих амплитудно-фазовых масок, так и внутри резонатора лазера.

В эксперименте в качестве поглощающих частиц авторы использовали порошок СиО (частицы неправильной формы размером 1-10 мкм, показатель преломления п=2,63) взвешенный в керосине (п=1,442). Поглощение частиц СиО было неизвестно, но тонкий слой плёнки СиО (50 мкм) пропускал лишь 30% света на длине волны 1064 нм, что говорит о высоком поглощении частиц. Частица облучалась сфокусированным до дифракционного предела пучком мощностью 20 мВт. Для получения различной поляризации пучка использовалась четверть волновая пластинка. В своих экспериментах авторы показали, что поглощающие частицы, захваченные эллиптически поляризованным сфокусированным гауссовым пучком, начинают вращаться в направлении, совпадающем с направлением поляризации. Экспериментально была получена зависимость скорости вращения частицы от угла поворота пластинки Х/4. На этом же графике построена теоретическая кривая для частоты вращения ^|ИХ8т20, где &»х — частота вращения при циркулярной поляризации. Теоретические и экспериментальные результаты совпадают в пределах ошибки.
1.6 Спиральные пучки света
Как известно, распространение светового поля, в частности лазерного пучка, представляет собой волновое явление и, как всякий колебательный процесс, характеризуется распределением амплитуды и фазы.
Если распределения амплитуды и фазы поля заданы в некоторой плоскости, то последующая эволюция поля при распространении описывается тем или иным дифференциальным уравнением. Отсюда следует, что световое поле при распространении, вообще говоря, претерпевает количественные и качественные изменения [62].
Однако, с открытием лазеров и появлением когерентной оптики, описывающей распространение лазерных пучков, было теоретически и экспериментально показано, что лазер может излучать световые пучки, которые самосогласованны таким образом, что сохраняют свою структуру при распространении и фокусировке с точностью до масштаба [63]. Такие пучки являются собственными колебаниями лазерных резонаторов (или модами), имеют жестко заданную форму и описываются двумя