Световые ловушки сложной формы для захвата прозрачных и непрозрачных микрообъектов

• Автор: Порфирьев, Алексей Петрович
• Шифр специальности: 01.04.05
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2013
• Место защиты: Самара
• Количество страниц: 137 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ
ГЛАВА 1. Расчёт дифракционных оптических элементов (ДОЭ) для захвата и перемещения микрообъектов по заданным траекториям
1.1 Кодирование амплитуды методом локального фазового скачка
1.2 Модификация метода кодирования амплитуды для расчёта световых полей со сложной структурой
1.3 ДОЭ для позиционирования микрообъектов
1.4 ДОЭ для перемещения микрообъектов по заданным траекториям
1.5 ДОЭ для сортировки и фильтрации микрообъектов
1.6 ДОЭ для фильтрации отдельных микрообъектов
1.7 Основные результаты, полученный в главе
ГЛАВА 2. Световые «бутылки» и световые полые пучки для оптического захвата непрозрачных микрообъектов
2.1 Световые пучки Бесселя и их замечательные свойства
2.2 Многомодовые пучки Бесселя
2.3 Формирование световых «бутылок» за счёт использования составных пучков Бесселя 0-го порядка
2.4 Алгоритм повышения однородности формируемых световых ловушек на основе градиентной процедуры
2.5 Формирование массивов световых «бутылок»
2.6 Формирование массивов полых световых пучков
2.7 Основные результаты, полученные в главе
ГЛАВА 3. Экспериментальное осуществление захвата и перемещения микрообъектов с различными показателями преломления с помощью фазовых бинарных ДОЭ
3.1. Экспериментальное исследование движения микрообъектов в световых полях с заданным амплитудно-фазовым распределением, сформированных бинарными ДОЭ

3.1.1. Экспериментальное формирование заданных амплитудно-фазовых распределений с помощью бинарных ДОЭ
3.1.2. Экспериментальное формирование заданных амплитудно-фазовых распределений с помощью динамического модулятора света
3.1.3. Позиционирование отдельных прозрачных микрообъектов с помощью ДОЭ, формирующего световой крест
3.1.4. Захват и отклонение прозрачных микрообъектов из общего потока с помощью двух световых линий с градиентом фазы
3.2. Экспериментальное исследования оптического захвата микрообъектов с помощью массивов световых «бутылок»
3.2.1. Экспериментальное формирование массивов световых «бутылок» с помощью бинарных ДОЭ
3.2.2. Захват прозрачных микрообъектов в системе световых «бутылок».
3.2.2.1 Возможность захвата прозрачных микрообъектов в световых «бутылках»
3.2.2.2 Захват прозрачных микросфер полистирола в системах световых «бутылок»
3.2.3. Захват и перемещение металлических микрочастиц олова, форма которых близка к сферической
3.3. Осаждение и позиционирование микрообъектов с помощью массивов полых световых пучков
3.4 Основные результаты, полученные в главе
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Список литературы

ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время бесконтактное манипулирование объектами микро- и наномасштаба с помощью лазерного излучения получило широкое распространение во многих областях науки и техники, таких как микробиология, микромеханика, микрохирургия, атомная физика, физика коллоидов. Такой способ манипулирования объектами основан на действии сил светового давления.
Впервые гипотезу о существовании светового давления в 1609 году выдвинул И. Кеплер, когда заметил, что хвосты комет всегда направлены в сторону от Солнца. Позднее, в 1873 году Максвелл вывел формулу для расчёта сил светового давления на основе своей электромагнитной теории. Независимо от него, основываясь на законах термодинамики, эту же формулу в 1876 году получил Бартоли. По пути, указанному Бартоли, последовал Больцман, за ним Б.Б Голицын и Guillaume при вычислениях давления лучей, а Друде распространил этот метод на абсолютно чёрное тело. Экспериментально сила светового давления была впервые исследована П.Н. Лебедевым в 1898 году в опытах с чувствительными крутильными весами.
Эффекты светового давления существенны для многих физических процессов, однако, для обычных объектов величина давления света мала [1], [2]. Исключением являются космические летательные аппараты, особенно имеющие большую площадь поперечного сечения и малую массу, при расчёте траектории которых световое давление имеет большое значение [2], [3], [4]. Уже с 80-х годов XX века световое давление использовали для ориентации и стабилизации положения космических летательных аппаратов [2].
Изобретение лазеров позволило формировать световые пучки с высокой интенсивностью и высоким градиентом интенсивности, что, в свою очередь, дало возможность воздействовать на малые объекты с силой давления достаточной для их захвата, перемещения, ускорения и торможения.
Первые опыты по захвату микрообъектов с помощью лазерного излучения были проведены А.Эшкиным в AT&T Bell labs (США) в 1970 году

Операции кодирования амплитуды и фазы выполнялись со следующими параметрами:
диаметр ДОЭ - 4 мм;
размерность входных изображений 256x256 пикселей; ширина участка ДОЭ, кодирующего один отсчёт входного распределения амплитуды: Ах = 4;
уровень амплитуды, выше которого операция кодирования не применяется Аепс= 0,05;
исходное распределение комплексной амплитуды дополнялось нулями до размеров 1024x1024 отсчётов;
частота несущей при кодировании фазы р = 55 лин./мм.
Расчёт производился согласно методу кодирования амплитуды по схеме, описанной в разделе 1.1. В результате для ДОЭ была рассчитана фазовая функция, представленная на рисунке 1.21. Фаза за пределами расчётного контура не определена. Размерность рассчитанного элемента составила 1024x1024 пикселей.
Рисунок 1.21. Рассчитанная фазовая функция элемента, формирующего контур
квадрата
Результаты дифракции Фраунгофера на ДОЭ плоской волны представлены на рисунке 1.22. Эффективность формирования заданного комплексного распределения в одном из порядков равна 24%. СКО равно 49%.