ITMI20061351A1 - Metodo e dispositivo ottico per l'intrappolameto di una particella - Google Patents

Description

Dott. Ing. Stefano Colombo

DESCRIZIONE

Della Domanda di Brevetto per Invenzione Industriale dal Titolo:

“Metodo e dispositivo ottico per l'intrappolamento di una particella”

a nome : UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PAVIA

MI 2006 A 0 0 1 3 5 1 inventore : CRISTIANI Maria, LIBERALE Carlo, MINZIONI Paolo

* * * * * * * * * *** *

La presente invenzione riguarda un dispositivo ottico ed un metodo per

l'intrappolamento di una particella, in particolare di una particella

microscopica.

Nel seguito della descrizione e nelle rivendicazioni, il termine “particella

microscopica” (o semplicemente “particella") indicherà una porzione di

materiale, quale ad esempio un atomo o un insieme di atomi aggregati, una

molecola o un insieme di molecole aggregate, una cellula o un insieme di

cellule aggregate, o un organello cellulare (quale ad esempio un

mitocondrio), avente una dimensione massima minore di 200 pm.

Nella tecnica, sono noti dispositivi ottici che consentono di intrappolare

una particella microscopica posta in sospensione in un fluido (quale ad

esempio aria, acqua, soluzione fisiologica o simili), in modo da bloccarla in

una posizione desiderata.

Tali dispositivi ottici sono basati su un fenomeno fisico noto chiamato

“pressione di radiazione”. In particolare, come spiegato da A. Ashkin nel

documento dal titolo “Optical trapping and manipulation of neutral particles

using lasers”, Proc. Nati. Acad. Sci. USA, voi. 94, pagine 4853-4860, maggio

1997, una radiazione che incide su una particella esercita su di essa due tipi

di forze che danno luogo alla pressione di radiazione: la forza di scattering e Dott. Ing. Stefano Colombo

la forza di gradiente. La forza di scattering è diretta sostanzialmente nella direzione di propagazione della radiazione, e quindi spinge la particella nella direzione di propagazione della radiazione. D’altro canto, la forza di gradiente è diretta in modo da spingere la particella verso le zone a maggiore intensità della radiazione. Ad esempio, se la radiazione è un fascio gaussiano con fronte d’onda piano, la forza di gradiente è diretta perpendicolarmente rispetto alla direzione di propagazione del fascio, e spinge la particella verso il centro del fascio.

Se la radiazione viene fatta convergere tramite un elemento ottico con potere convergente, quando la radiazione colpisce una particella, essa esercita ancora sulla particella sia la forza di scattering, sia la forza di gradiente.

Come noto, il potere convergente di un elemento ottico è espresso tramite un parametro chiamato apertura numerica. L’apertura numerica indica l’angolo massimo al quale un elemento ottico può ricevere o emettere luce, e dipende da diversi parametri geometrici tramite formule che variano a seconda del tipo di elemento ottico.

Come è noto, all'aumentare deil’apertura numerica, l'inclinazione dei raggi emessi rispetto alla direzione di propagazione della radiazione aumenta. In altre parole, la distanza tra l’elemento ottico con potere convergente ed il punto di convergenza della radiazione diminuisce, ossia la radiazione converge ad una distanza minore dall’elemento ottico.

Inoltre, all’aumentare dell’apertura numerica, la massima intensità che la radiazione raggiunge in corrispondenza del punto di convergenza aumenta. Nel caso in cui la radiazione viene fatta convergere in un punto, la forza di Dott. Ing. Stefano Colombo

scattering e la forza di gradiente possono creare un punto di equilibrio stabile, posto in prossimità del punto di convergenza. In altre parole, la pressione di radiazione esercita su una particella una forza di richiamo, che tende a richiamare la particella nel punto dì equilibrio stabile. Pertanto, la radiazione crea in corrispondenza del punto di equilibrio stabile una “trappola ottica" in cui la particella rimane intrappolata. All’aumentare dell'apertura numerica dell’elemento ottico che fa convergere la radiazione, aumenta la stabilità della trappola ottica, ossia l’intensità della forza di richiamo che la pressione di radiazione esercita sulla particella.

Il brevetto americano US 4.893.886 descrive un metodo per intrappolare particelle biologiche utilizzando un laser infrarosso. In particolare, un fascio luminoso del laser infrarosso incide su una combinazione di elementi ottici che lo focalizzano con un grado di convergenza sufficiente a formare una trappola ottica basata su forza di gradiente per confinare una particella biologica in una posizione desiderata. Gli elementi ottici comprendono un obiettivo a convergenza elevata, avente un’apertura numerica di circa 1.25. La particella viene osservata attraverso lo stesso obiettivo che crea la trappola ottica.

La Richiedente ha osservato che questa soluzione presenta alcuni svantaggi. Innanzitutto, poiché la particella è osservata attraverso lo stesso obiettivo utilizzato per focalizzare la radiazione, che ha apertura numerica elevata, il campo di visuale è molto ristretto, ed il punto di focalìzzazione risulta molto vicino all’obiettivo. Pertanto, tramite la soluzione di US 4.893.886, possono essere intrappolate ed osservate solo particelle poste in prossimità delia superficie del fluido. Inoltre, il dispositivo di US 4.893.886 Dott. Ing. Stefano Colombo

risulta complesso e costoso da fabbricare, e presenta un ingombro elevato. Il brevetto JP9043434 descrive un dispositivo di intrappolamento ottico in cui la luce emessa da una sorgente luminosa è guidata attraverso una fibra ottica ad un connettore ottico, e quindi emessa verso l’oggetto da intrappolare. L’estremità di uscita della fibra è convergente, in modo che all'oggetto sia applicata una forza in direzione del fuoco.

La Richiedente ha osservato che anche questa soluzione presenta alcuni svantaggi. Innanzitutto, nella soluzione proposta da JP9043434 l’apertura numerica è dipendente principalmente dalla differenza tra l’indice di rifrazione della fibra ottica e l’indice di rifrazione del fluido in cui è immersa la particella. In JP9043434 tale differenza assume un valore piccolo, pertanto l'apertura numerica massima che può essere raggiunta è minore di quella necessaria a creare una trappola ottica sufficientemente forte. Inoltre, svantaggiosamente, la forza di scattering non è trascurabile. Pertanto, la particella non rimane ferma nella trappola ottica, ma si sposta lungo la direzione di propagazione della radiazione.

Pertanto, scopo della presente invenzione è quello di fornire un dispositivo ottico ed un metodo per l'intrappolamento di una particella, in particolare di una particella microscopica, che risolva i problemi sopra menzionati.

In particolare, uno scopo della presente invenzione è quello di fornire un dispositivo ottico per l’intrappolamento di una particella basato sulla forza di gradiente, in cui la particella risulti sostanzialmente bloccata nella trappola ottica ed in cui la forza di scattering sia sostanzialmente trascurabile, indipendentemente dalla posizione della particella rispetto alla superficie libera del fluido.

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Questo ed altri scopi sono ottenuti da un dispositivo ottico secondo la rivendicazione 1 e da un metodo secondo la rivendicazione 14.

Secondo un primo aspetto, la presente invenzione fornisce un dispositivo ottico per l’intrappolamento di una particella immersa in un fluido, comprendente una sorgente luminosa ed una sonda avente una prima estremità, una seconda estremità ed un asse longitudinale. La sonda è atta a ricevere una radiazione dalla sorgente luminosa in corrispondenza della prima estremità e ad emettere la radiazione attraverso la seconda estremità. Il dispositivo ottico è caratterizzato dal fatto che in corrispondenza della seconda estremità, la radiazione ha distribuzione di intensità ottica con massimo di intensità posto ad una distanza non nulla dall’asse longitudinale della sonda e con simmetria rotazionale rispetto all'asse longitudinale. Inoltre, il dispositivo ottico è caratterizzato dal fatto che la seconda estremità è configurata in modo che in corrispondenza del massimo di intensità, la radiazione è riflessa all’interfaccia tra la seconda estremità ed il fluido, e la radiazione riflessa è emessa dalla seconda estremità in modo da convergere in un punto di convergenza, creando un punto di equilibrio stabile in cui intrappola la particella.

Preferibilmente, almeno in corrispondenza del massimo di intensità, la seconda estremità ha forma rastremata avente simmetria rotazionale rispetto all'asse longitudinale ed avente un dato angolo di rastremazione. Preferibilmente, l’angolo di rastremazione è maggiore di o uguale ad un angolo limite dell'interfaccia tra la seconda estremità ed il fluido. Più preferibilmente, l’angolo di rastremazione è maggiore di o uguale a 45°.

Opzionalmente, la sonda comprende almeno due fibre ottiche, ciascuna Dott. Ing. Stefano Colombo

delle quali comprende un rispettivo nucleo, configurate in modo da avere le stesse caratteristiche ottiche e geometriche. Tali fibre ottiche, in corrispondenza della seconda estremità della sonda, sono poste parallelamente all’asse longitudinale con una simmetria rotazionale rispetto all'asse longitudinale. Preferibilmente, ciascuna fibra ottica, in corrispondenza della seconda estremità della sonda, è tagliata almeno in corrispondenza del proprio nucleo secondo un piano che forma con un piano perpendicolare all'asse longitudinale della sonda un angolo pari all’angolo di rastremazione.

Preferibilmente, la sonda comprende un elemento centrale avente un asse longitudinale sostanzialmente coincidente con l'asse longitudinale della sonda. L'elemento centrale può comprendere un elemento di rinforzo comprendente materiale dielettrico, oppure una fibra ottica.

Opzionalmente, la sonda comprende una fibra ottica avente almeno due nuclei configurati in modo da avere le stesse caratteristiche ottiche e geometriche. I due nuclei, in corrispondenza della seconda estremità della sonda, sono posti parallelamente all’asse longitudinale della sonda con simmetria rotazionale rispetto all’asse longitudinale della sonda.

Opzionalmente, la sonda comprende una fibra ottica avente un nucleo anulare con caratteristiche ottiche e geometriche sostanzialmente costanti lungo il perimetro del nucleo anulare.

Preferibilmente, la forma rastremata è un tronco di cono, oppure una piramide retta avente come base un poligono regolare.

Secondo un secondo aspetto, la presente invenzione fornisce un metodo per intrappolare una particella immersa in un fluido, comprendente le Doti. Ing. Stefano Colombo

seguenti fasi: emettere una radiazione tramite una sorgente laser, guidare la radiazione da una prima estremità ad una seconda estremità di una sonda, ed emettere la radiazione tramite la seconda estremità. Il metodo è caratterizzato dal fatto che, in corrispondenza della seconda estremità della sonda, la radiazione ha una distribuzione di intensità ottica con massimo di intensità posto ad una distanza non nulla da un asse longitudinale della sonda ed avente simmetria sostanzialmente rotazionale rispetto dall’asse longitudinale della sonda. Inoltre, il metodo è caratterizzato dal fatto che, in corrispondenza della seconda estremità e in corrispondenza del massimo di intensità, la radiazione è riflessa all’interfaccia tra la seconda estremità ed il fluido, ed è emessa dalla seconda estremità in modo da convergere in un punto di convergenza, creando un punto di equilibrio stabile in cui intrappola la particella. Preferibilmente, la radiazione è riflessa all’interfaccia tra la seconda estremità ed il fluido in modo da indurre riflessione totale della radiazione.

Opzionalmente, la distribuzione di intensità ottica comprende almeno due massimi di intensità posti ad una distanza non nulla da un asse longitudinale della sonda e disposti secondo una simmetria sostanzialmente rotazionale rispetto dall’asse longitudinale della sonda. Opzionalmente, la distribuzione di intensità ottica comprende almeno un massimo di intensità anulare.

La presente invenzione diverrà più chiara dalla seguente descrizione, fornita a titolo esemplificativo e non limitativo, da leggersi con riferimento alle Figure accluse, in cui:

- la Figura 1 mostra schematicamente un dispositivo ottico per l’intrappolamento di una particella;

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- le Figure 2a e 2b mostrano una sonda del dispositivo ottico secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione, rispettivamente in sezione trasversale ed in prospettiva;

- la Figura 3a mostra una vista in sezione longitudinale della sonda delle Figure 2a e 2b;

- la Figura 3b mostra una vista in sezione longitudinale di una variante della sonda mostrata nelle Figure 2a, 2b e 3a;

- la Figura 4 mostra un grafico dell’andamento dell'angolo di uscita della sonda di Figura 3 in funzione dell’angolo di rastremazione;

- le Figure 5a e 5b mostrano una sonda del dispositivo ottico secondo una seconda forma di realizzazione della presente invenzione, rispettivamente in sezione trasversale ed in prospettiva;

- le Figure 6a e 6b mostrano una sonda del dispositivo ottico secondo una terza forma di realizzazione della presente invenzione, rispettivamente in sezione trasversale ed in prospettiva;

- le Figure 7a e 7b mostrano una sonda del dispositivo ottico secondo una quarta forma di realizzazione della presente invenzione, rispettivamente in sezione trasversale ed in prospettiva; e

- le Figure 8a e 8b mostrano una sonda del dispositivo ottico secondo una quinta forma di realizzazione della presente invenzione, rispettivamente in sezione trasversale ed in prospettiva.

Tutte le Figure sono rappresentazioni schematiche e non sono in scala. Il dispositivo ottico 1 per l'intrappolamento di una particella secondo la presente invenzione comprende una sorgente laser 3 atta ad emettere una radiazione luminosa ad una lunghezza d’onda predeterminata.

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Preferibilmente, la lunghezza d’onda predeterminata è compresa tra 500 nm e 2000 nm. La sorgente laser 3 può essere una sorgente laser che emette ad una potenza ottica continua, oppure una sorgente laser ad impulsi. Inoltre la sorgente laser 3, secondo forme di realizzazione non mostrate nelle Figure, può comprendere una pluralità di laser che emettono sostanzialmente alla stessa lunghezza d'onda e sostanzialmente con la stessa potenza ottica, come verrà spiegato in maggior dettaglio in seguito.

Il dispositivo inoltre comprende una sonda 2, a sua volta comprendente almeno una fibra ottica (non mostrata in Figura 1) come verrà spiegato in maggior dettaglio nel seguito. Una prima estremità 2’ della sonda è accoppiata alla sorgente laser 3, in modo che la/e fibra/e guidino la radiazione luminosa emessa dalla sorgente laser 3 dalla prima estremità 2’ ad una seconda estremità 2" della sonda 2. Tale seconda estremità 2” è atta ad essere immersa in una sospensione 4 contenuta in un contenitore 5. La sospensione 4 comprende un fluido e la particella in sospensione da intrappolare.

Le Figure 2a ed 2b mostrano una sonda 2 utilizzabile per realizzare il dispositivo 1 di Figura 1 secondo una prima forma di realizzazione della presente invenzione. In particolare, la Figura 2a mostra una sezione trasversale della sonda 2, mentre la Figura 2b mostra una porzione della seconda estremità 2” della sonda 2 in prospettiva.

La sonda 2 comprende una prima fibra ottica 11 avente un primo nucleo 111 ed un primo mantello 112 ed una seconda fibra ottica 12 avente un secondo nucleo 121 ed un secondo mantello 122. Preferibilmente le fibre 11 e 12 hanno caratteristiche ottiche e geometriche (quali, ad esempio, profilo Dott. Ing. Stefano Colombo

d’indice di rifrazione, diametro del nucleo e del mantello, attenuazione, etc.) sostanzialmente identiche.

Inoltre, preferibilmente, almeno in corrispondenza della seconda estremità 2", le fibre 11 e 12 hanno asse parallelo ad una prima direzione indicata come direzione z in Figura 2b. Inoltre, preferibilmente, almeno in corrispondenza della seconda estremità 2”, gli assi della prima fibra 11 e della seconda fibra 12 giacciono su uno stesso piano individuato dalla direzione z e da un seconda direzione x. La seconda direzione x è perpendicolare alla direzione z ed è visibile nelle Figure 2a e 2b. Pertanto, almeno in corrispondenza dell'estremità 2”, la struttura di guida ottica della sonda 2 presenta una simmetria rotazionale rispetto alla direzione z (l’angolo di rotazione è di 180°),

Nelle Figure 2a e 2b, è indicata anche una terza direzione y, perpendicolare alla direzione z e alla direzione x.

Come mostrato in Figura 2b, l’estremità 2” della sonda 2 presenta una forma rastremata con simmetria rotazionale rispetto alla direzione z, come verrà spiegato in maggior dettaglio qui di seguito con riferimento alla Figura 3a.

In Figura 3a, è mostrata la traccia di due piani pi, p2 secondo i quali è rastremata l’estremità 2" della sonda 2. I piani p1 e p2 sono entrambi perpendicolari rispetto al piano individuato dalle direzioni x e z. Inoltre, il piano p1 che taglia la prima fibra 11 forma un angolo Θ1 con il piano individuato dalle direzioni x e y, mentre il piano p2 che taglia la seconda fibra 12 forma un angolo Θ2 con il piano individuato dalle direzione x e y.

Secondo forme di realizzazione della presente invenzione, le superfici Dott, Ing. Stefano Colombo

delle fibre 11 e 12 tagliate secondo i piani p1 e p2 possono essere metallizzate, per motivi che verranno chiariti nel seguito.

Nel seguito della descrizione e nelle rivendicazioni, gli angoli formati dai piani secondo i quali è rastremata l’estremità della sonda ed il piano individuato dalle direzioni x e y (come ad esempio gli angoli 01, Θ2) sono chiamati “angoli di rastremazione".

Preferibilmente, per preservare la simmetria rotazionale dell'estremità 2” della sonda 2 rispetto alla direzione z, gli angoli di rastremazione Θ1 e Θ2 hanno sostanzialmente lo stesso valore. Preferibilmente, inoltre, il valore degli angoli di rastremazione Θ1 e Θ2 è scelto secondo criteri che verranno spiegati in dettaglio in seguito.

Sempre con riferimento alla Figura 3a, verrà ora spiegato il funzionamento della sonda 2.

Quando la sorgente laser (non mostrata in Figura 3a) emette una radiazione luminosa, essa viene accoppiata alla prima estremità della sonda 2, in modo che una prima componente della radiazione sia guidata dalla prima fibra 11, e che una seconda componente della radiazione sia guidata dalla seconda fibra 12. Preferibilmente, la prima e la seconda componente della radiazione hanno potenza ottica sostanzialmente identica. In questo modo, il profilo di intensità della radiazione guidata nella sonda 2 ha anch’esso una simmetria rotazionale rispetto all’asse z.

Si ipotizza che, almeno in corrispondenza dell’estremità 2” della sonda 2, nelle fibre 11 e 12 la radiazione si propaghi solo secondo i rispettivi modi fondamentali. Poiché, come è noto, ciascuno di questi modi fondamentali (mostrati simbolicamente nella Figura 3a tramite le due curve M1, M2) ha Doti. Ing. Stefano Colombo

una distribuzione gaussiana di intensità, ove il massimo della gaussiana corrisponde sostanzialmente all'asse della rispettiva fibra ottica 11, 12, la maggior parte della potenza ottica associata alla prima e alla seconda componente della radiazione si concentra nel rispettivo nucleo 111, 121, come mostrato in Figura 3a.

In Figura 3a sono mostrati, tramite due frecce ri, r2, i due cammini ottici percorsi rispettivamente dalla prima e dalla seconda componente della radiazione.

In particolare, in un primo tratto r11, la prima componente della radiazione percorre il nucleo 111 della prima fibra 11 fino ad un punto A1, in cui la fibra 11 è tagliata obliquamente secondo il piano p1. In particolare, in corrispondenza del punto A1 la prima componente di radiazione viene almeno parzialmente riflessa. L’angolo di rastremazione 01 è preferibilmente scelto in modo che la porzione riflessa della prima componente di radiazione non intersechi l’asse z prima di uscire dalla sonda 2. Pertanto, nella forma di realizzazione mostrata in Figura 3a, l’angolo di rastremazione Θ1 è maggiore di 45°. In particolare, se l’angolo di rastremazione Θ1 è scelto maggiore di 45° e minore dell’angolo limite dell'interfaccia tra la fibra 11 e il fluido (non mostrato in Figura 3a) in cui è immersa la particella da intrappolare, nel punto A1 la prima componente della radiazione subisce riflessione e rifrazione (per semplicità, non è mostrata la rifrazione). Se invece l’angolo di rastremazione Θ1 è scelto maggiore di o uguale all’angolo limite dell'interfaccia tra la fibra 11 e il fluido (non mostrato in Figura 3a) in cui è immersa la particella da intrappolare, nel punto A1 la prima componente della radiazione incide sul piano p1 con un angolo maggiore dell'angolo Dott. Ing. Stefano Colombo

limite, e quindi subisce riflessione totale. Nelle forme di realizzazione in cui le superfici delle fibre 11 e 12 tagliate secondo i piani p1 e p2 sono metallizzate, la prima componente della radiazione subisce riflessione totale nel punto A1 per qualsiasi valore dell'angolo di rastremazione Θ1. Anche in quest’ultimo caso, l’angolo di rastremazione è comunque scelto maggiore di 45°, in modo che la porzione riflessa della prima componente di radiazione non intersechi l’asse z prima di uscire dalla sonda 2.

In seguito, in un secondo tratto r12, la prima componente di radiazione si propaga fino al punto B1 di interfaccia tra la prima fibra ottica 11 e il fluido (non mostrato in Figura 3a) in cui è immersa la particella da intrappolare. Nel punto B1, la prima componente di radiazione subisce rifrazione, pertanto viene emessa dalla sonda con un angolo di convergenza <p1 rispetto alla direzione z, come mostrato dal terzo tratto r13. L'angolo di convergenza φ1 dipende dall’angolo di rastremazione Θ1 secondo la seguente formula:

φ1 = arcsin

ove nF è l’indice di rifrazione medio della fibra 11 e nM è l’indice di rifrazione del mezzo in cui è immersa la particella da intrappolare. Gli angoli sono espressi in gradi.

La Figura 4 mostra un grafico dell’andamento dell’angolo di convergenza φ1 in funzione dell’angolo di rastremazione Θ1 , ipotizzando che nF sia pari circa a 1,45 (indice di rifrazione medio di una fibra ottica in silice) ed nM sia pari a circa 1,33 (indice di rifrazione dell'acqua) e che le superfici delle fibre 11 e 12 tagliate secondo i piani p1 e p2 non siano metallizzate. Nel grafico di Figura 4, sono evidenziati tre intervalli a, b, c di valori dell’angolo di Dott. Ing. Stefano Colombo

rastremazione Θ1.

Nell’intervallo a, ossia per angoli Θ1 compresi tra 45° ed un angolo 0lim\ la prima radiazione subisce riflessione in A1, ma quando giunge in B1 subisce riflessione totale, pertanto non viene emessa dalla sonda 2. L’angolo ΘΙι<'>ιτΓ dipende dagli indici di rifrazione nF ed nM secondo l'equazione:

Con i valori di indici di rifrazione sopra considerati, l’angolo limite ΘΙΐηΥ, assume valore pari a circa 56°. Tuttavia, secondo forme di realizzazione della presente invenzione non mostrate nelle Figure, è possibile avere radiazione uscente dalla sonda 2 anche con angoli di rastremazione 01 compresi tra 45° e 0lim’, se la superficie di interfaccia comprendente il punto B1 (che in Figura 3a è sostanzialmente perpendicolare rispetto all’asse z) è inclinata rispetto all’asse z di un angolo diverso da 90° ed atto ad impedire la riflessione totale nel punto B1. Il calcolo di tale angolo è alla portata del tecnico del ramo, pertanto una descrizione dettagliata è omessa.

Nel secondo intervallo b, l’angolo 01 assume valori compresi tra l’angolo 0lim’ e l’angolo limite 0lim dell'interfaccia tra la fibra 11 ed il fluido in cui è immersa la particella da intrappolare. Tale angolo limite 0!im è dato dalla seguente formula:

<'>ηΜλ

0lim = arcsin [31

nF

Quindi, con i valori di indici di rifrazione nM ed nF sopra considerati, l'angolo limite 0lim assume un valore di circa 66,5°. Nell'intervallo b, parte della prima componente della radiazione viene riflessa nel punto A1, e quando giunge Dott. Ing. Stefano Colombo

nel punto B1 subisce rifrazione ed esce dalla sonda 2 con un l’angolo di convergenza φ1 mostrato nell'intervallo b del grafico di Figura 4.

Nell’intervallo c, ossia per angoli di rastremazione 01 maggiori di 0lim, la prima componente della radiazione subisce riflessione totale in A1 e rifrazione in B1, ed è quindi emessa con l’angolo di convergenza φ1 mostrato nell'intervallo c del grafico di Figura 4. AH’aumentare dell’angolo di rastremazione 01, l’angolo di convergenza φ1 diminuisce in modo sostanzialmente lineare da un valore massimo (focalizzazione sostanzialmente a ridosso della sonda 2) ad un valore minimo di 0° (focalizzazione all'infinito).

Per quanto riguarda la seconda componente della radiazione guidata dalla seconda fibra 12, poiché sia la struttura della sonda sia il profilo di intensità della radiazione guidata hanno simmetria di rotazione rispetto alla direzione z, valgono le stesse considerazioni espresse in merito alla prima componente. Tali considerazioni verranno brevemente riassunte nel seguito. In un primo tratto r21, la seconda componente della radiazione percorre il nucleo 121 della seconda fibra 12 fino al punto A2 in cui la fibra 12 è tagliata obliquamente secondo il piano p2. Nel punto A2, la seconda componente viene riflessa almeno parzialmente.

In seguito, in un secondo tratto r22, la seconda componente di radiazione si propaga fino al punto B2 di interfaccia tra la seconda fibra ottica 12 e il fluido (non mostrato) in cui è immersa la particella da intrappolare. Nel punto B2, la seconda componente di radiazione subisce rifrazione, pertanto viene emessa dalla sonda con un angolo di convergenza <p2 rispetto alla direzione z, come mostrato dal terzo tratto r23. L’angolo di uscita φ2 dipende Doti. Ing. Stefano Colombo

dall’angolo Θ2 secondo la formula [1] sopra riportata, in cui l’indice “V è sostituito con l’indice “2”.

Pertanto, i due angoli di convergenza φ1 e <p2 delle due componenti di radiazione sono sostanzialmente uguali. Questo significa che le due componenti di radiazione sono fatte convergere in corrispondenza di un punto F, posto sostanzialmente sull'asse z ad una distanza di convergenza df dall’estremità 2” della sonda 2. In altre parole, la sonda 2 funge da elemento ottico con potere convergente, atto a far convergere la radiazione emessa dalla sorgente laser nel punto F. Pertanto, quando l’estremità 2" della sonda 2 viene immersa in un fluido in prossimità della particella, la radiazione emessa dalla sonda 2 attrae la particella verso il punto di equilibrio stabile F1, posto sull’asse z ad una distanza df1 dall’estremità della sonda, e sostanzialmente intrappola la particella nel punto di equilibrio stabile FI La distanza df e la distanza df1 aumentano al diminuire degli angoli di convergenza φ1 e <p2, ossia all'aumentare degli angoli di rastremazione Θ1 e Θ2. Inoltre, la distanza df e la distanza df1 aumentano sostanzialmente linearmente all'aumentare della distanza lungo la direzione x tra l'asse z della sonda e le posizioni dei nuclei 111 e 121 delle due fibre 11, 12.

Il dispositivo ottico della presente invenzione, comprendente la sonda 2, presenta numerosi vantaggi rispetto alle sonde note sopra descritte.

Innanzitutto, l’effetto convergente della sonda 2 viene ottenuto non tramite rifrazione come nei dispositivi noti, ma tramite la combinazione di due fattori: - la radiazione nella sonda ha un profilo di intensità con simmetria rotazionale rispetto all’asse z della sonda, in cui i massimi dì intensità hanno una distanza non nulla dall'asse z; e

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- la convergenza della radiazione guidata nella sonda viene implementata tramite la riflessione (parziale o totale) all'interfaccia tra le fibre comprese nella sonda ed il fluido in cui è immersa la particella.

Questo vantaggiosamente permette di ottenere angoli di convergenza maggiori rispetto agli angoli ottenuti con le sonde note, pur avendo nel contempo distanze di convergenza maggiori rispetto alle distanze ottenute con le sonde note.

Ad esempio, mentre le sonde note (in particolare quelle in fibra, basate sulla rifrazione) permettono di ottenere aperture numeriche massime di circa 0,5, la sonda del dispositivo secondo una forma di realizzazione della presente invenzione vantaggiosamente permette di ottenere aperture numeriche di circa 1,05, ossia almeno doppie, nel caso di nF=1,45 e nM=1,33. Questo permette quindi di ottenere trappole ottiche più stabili. D’altro canto, mentre le sonde note (in particolare quelle basate su microscopio) permettono di ottenere distanze di convergenza di pochi micron, la sonda appena descritta permette di ottenere distanze di convergenza da 10 pm a 200 pm.

Inoltre, vantaggiosamente, l’apertura numerica della sonda può essere ulteriormente aumentata effettuando una metallizzazione delle superfici inclinate di interfaccia tra fibre della sonda e il fluido. Questo permette vantaggiosamente di diminuire ulteriormente gli angoli Θ1 e Θ2, e di avere quindi angoli di convergenza più vicini a 90°, con un aumento della stabilità della trappola ottica.

Inoltre, vantaggiosamente, il presente dispositivo permette di rendere la forza di scattering sostanzialmente trascurabile rispetto alla massima forza di Dott. Ing. Stefano Colombo

gradiente, almeno in corrispondenza del punto di equilibrio stabile F1. Infatti,mentre nei dispositivi noti il maggior effetto convergente è applicato alle zone laterali del modo di propagazione della radiazione in fibra, nella sonda del presente dispositivo l’effetto convergente si ha in corrispondenza delle zone in cui si concentra la maggior parte della potenza ottica. Questo permette vantaggiosamente di minimizzare la porzione di radiazione uscente dalla sonda associata ai raggi collimati, e quindi di minimizzare l’effetto della forza di scattering.

La Figura 3b mostra una vista in sezione longitudinale di una variante 2”-b della sonda mostrata nelle Figure 2a, 2b e 3a. Tale variante 2”-b comprende due fibre ottiche 11, 12 aventi preferibilmente caratteristiche ottiche e geometriche sostanzialmente identiche. Inoltre, preferibilmente, almeno in corrispondenza della seconda estremità 2”-b, le fibre 11 e 12 hanno asse parallelo alla direzione z e gli assi delle fibre 11 e 12 giacciono sul piano individuato dalle direzioni x e z. Pertanto, anche secondo questa variante, almeno in corrispondenza dell’estremità 2”-b, la struttura di guida ottica della sonda presenta una simmetria rotazionale rispetto alla direzione z (l’angolo di rotazione è di 180°). Tuttavia, mentre nell’estremità 2" mostrata in Figura 3a l’intera sezione delle fibre 11 e 12 è tagliata secondo i piani p1, p2, nell'estremità 2”-b della Figura 3b i due piani p1, p2 tagliano rispettivamente la prima fibra 11 e la seconda fibra 12 sostanzialmente in corrispondenza dei rispettivi nuclei 111, 112, ossia delle regioni di massima intensità della radiazione. Anche in questo caso, preferibilmente, per preservare la simmetria rotazionale dell'estremità 2”-b rispetto alla direzione z, gli angoli di rastremazione Θ1 e Θ2 hanno sostanzialmente lo stesso valore.

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Preferibilmente, inoltre, il valore degli angoli di rastremazione Θ1 e Θ2 è maggiore di 45°, Il funzionamento della sonda con estremità 2’’-b è identico a quello della sonda con estremità 2”. Infatti, anche nell'estremità 2”-b la radiazione viene riflessa in corrispondenza dei punti A1 ed A2, che corrispondono alle zone in cui si concentra la maggior parte della potenza ottica della radiazione.

Questa variante permette vantaggiosamente di ridurre il tempo di fabbricazione della sonda, in quando il taglio delle fibre va eseguito solo in corrispondenza dei nuclei, e quindi su una superficie più ridotta.

Le Figure 5a e 5b mostrano una sonda 5 utilizzabile per realizzare il dispositivo 1 di Figura 1 secondo una seconda forma di realizzazione della presente invenzione. In particolare, la Figura 5a mostra una sezione trasversale della sonda 5, mentre la Figura 5b mostra una porzione della seconda estremità 5” della sonda 2 in prospettiva.

La sonda 2 comprende quattro fibre ottiche 11, 12, 13, 14 ed un elemento centrale allungato 10. L’elemento centrale allungato 10 può essere ad esempio un elemento di rinforzo in materiale dielettrico, oppure una fibra ottica, come verrà mostrato in seguito. Preferibilmente, le fibre ottiche 11, 12, 13, 14 hanno caratteristiche ottiche e geometriche (quali, ad esempio, profilo d’indice di rifrazione, diametro del nucleo e del mantello, assorbimento, lunghezza d’onda di taglio, etc.) sostanzialmente identiche.

Inoltre, preferibilmente, almeno in corrispondenza della seconda estremità 5”, l’elemento centrale 10 e le fibre 11, 12, 13 e 14 hanno asse parallelo alla direzione z in Figura 2b. Inoltre, preferibilmente, almeno in corrispondenza della seconda estremità 5”, gli assi dell’elemento centrale 10, della fibra 11 e Dott. Ing. Stefano Colombo

della fibra 12 giacciono su uno stesso piano individuato dalla direzione z e dalla direzione x. Inoltre, preferibilmente, almeno in corrispondenza della seconda estremità 5”, gli assi dell'elemento centrale 10, della fibra 13 e della fibra 14 giacciono su uno stesso piano individuato dalla direzione z e da una terza direzione y. La terza direzione y è perpendicolare alle direzioni x e z ed è visibile nelle Figure 5a e 5b. Pertanto, almeno in corrispondenza dell'estremità 5”, la struttura di guida della sonda 5” presenta una simmetria rotazionale rispetto alla direzione z (l’angolo di rotazione è di 90°).

Come mostrato in Figura 5b, l’estremità 5” della sonda 5 presenta una forma rastremata con simmetria rotazionale rispetto alla direzione z.

In particolare, le fibre 11, 12 sono tagliate obliquamente secondo piani perpendicolari al piano individuato dalle direzioni x e z, e che formano con il piano individuato dalle direzioni x e y rispettivi angoli di rastremazione. Analogamente, le fibre 13, 14 sono tagliate obliquamente secondo piani perpendicolari al piano individuato dalle direzioni y e z, e che formano con il piano individuato dalle direzioni x e y rispettivi angoli di rastremazione.

Preferibilmente, per preservare la simmetria rotazionale dell’estremità 5” della sonda 5 rispetto alla direzione z, gli angoli di rastremazione delle fibre 11, 12, 13 e 14 assumono uno stesso valore, chiamato nel seguito 0. L’angolo Θ è scelto con criteri analoghi a quelli descritti in merito alla Figura 3a.

Il funzionamento della sonda 5 è sostanzialmente identico a quello della sonda 2 sopra descritta. Pertanto, esso verrà solo brevemente riassunto nel seguito.

Quando la sorgente laser emette una radiazione luminosa, essa viene Dott. Ing. Stefano Colombo

accoppiata alla prima estremità della sonda 5, in modo che ciascuna fibra ottica 11, 12, 13, 14 guidi una rispettiva componente della radiazione.Preferibilmente, le quattro componenti di radiazione hanno potenze ottiche sostanzialmente identiche. In questo modo, il profilo di intensità della radiazione guidata nella sonda 5 ha anch’esso una simmetria rotazionale rispetto all’asse z.

Anche in questo caso, si ipotizza che, almeno in corrispondenza dell’estremità 5” della sonda 5, nelle fibre 11, 12, 13, 14 la radiazione si propaghi solo secondo i rispettivi modi fondamentali, in modo che la maggior parte della potenza ottica associata a ciascuna componente della radiazione si concentri nel rispettivo nucleo.

Quando ciascuna componente di radiazione arriva al punto in cui la rispettiva fibra (o il nucleo della fibra) è tagliata obliquamente (ossia all’interfaccia tra la fibre ed il fluido), essa subisce riflessione.

In seguito, la parte riflessa di ciascuna componente della radiazione si propaga all’interno della sonda fino a quando, all'interfaccia tra l’elemento centrale 10 ed il fluido, subisce rifrazione, e viene quindi emessa dalla sonda con un angolo di convergenza φ rispetto alla direzione z. L’angolo di convergenza φ assume sostanzialmente lo stesso valore per tutte e quattro le componenti della radiazione. L’angolo di convergenza φ dipende dall’angolo di rastremazione Θ secondo l’equazione [1] di cui sopra.

Data la simmetria rotazionale della struttura, quindi, le componenti di radiazione sono fatte convergere in corrispondenza di un punto di convergenza, posto sull’asse z ad una distanza df dall’estremità 5” della sonda 5. Pertanto, quando l’estremità 5” della sonda 5 viene immersa in un Doti. Ing. Stefano Colombo

fluido in prossimità di una particella, la radiazione emessa dalla sonda 5 attrae la particella verso un punto di equilibrio posto sull’asse z, e sostanzialmente intrappola la particella nel punto di equilibrio. Anche in questo caso, la distanza tra il punto di equilibrio e l'estremità della sonda aumenta al diminuire dell’angolo di convergenza <p, ossia all’aumentare dell’angolo di rastremazione Θ. Inoltre, tale distanza aumenta all’aumentare della distanza delle fibre 11 , 12, 13, 14 dall’asse z della sonda.

Secondo altre forme di realizzazione, la sonda può essere realizzata utilizzando una sola fibra con almeno due nuclei a sezione convessa (ad esempio circolare) disposti secondo una simmetria sostanzialmente rotazionale rispetto all’asse della fibra.

Ad esempio, le Figure 6a ed 6b mostrano una terza forma di realizzazione di una sonda comprendente una fibra con quattro nuclei circolari. In particolare, la Figura 6a mostra una sezione trasversale della sonda 6, mentre la Figura 6b mostra una porzione della seconda estremità 6” della sonda 6 in prospettiva.

La sonda 6 comprende una fibra ottica 60, avente un mantello 65 e quattro nuclei circolari 61, 62, 63, 64 disposti secondo una simmetria rotazionale attorno all’asse z della fibra. Vantaggiosamente, i nuclei 61, 62, 63, 64 hanno caratteristiche ottiche e geometriche (quali, ad esempio, profilo d’indice di rifrazione, diametro, etc.) sostanzialmente identiche.

Come mostrato in Figura 6b, in corrispondenza dell’estremità 6”, la fibra ottica 60 è rastremata, in modo da assumere una forma tronco-conica con asse sostanzialmente corrispondente alla direzione z. In questo modo, i nuclei 61, 62, 63, 64 risultano tagliati lungo rispettivi piani che formano con il Dott. Ing. Stefano Colombo

piano individuato dalle direzioni x e y uno stesso angolo, che nel seguito sarà chiamato Θ. In alternativa, vantaggiosamente, l’estremità 6” è a forma di tronco di piramide retta a base quadrata.

Il funzionamento della sonda 6 è sostanzialmente identico a quello della sonda 2 sopra descritta. Pertanto, esso non verrà ripetuto e per una descrizione più dettagliata si può fare riferimento alla descrizione della Figura 3a.

Secondo altre forme di realizzazione, la sonda può essere realizzata utilizzando una sola fibra con un unico nucleo anulare avente simmetria sostanzialmente rotazionale rispetto all’asse z della fibra.

Ad esempio, le Figure 7a e 7b mostrano una quarta forma di realizzazione dì una sonda comprendente una fibra con un nucleo anulare. In particolare, la Figura 7a mostra una sezione trasversale della sonda 7, mentre la Figura 7b mostra una porzione della seconda estremità 7” della sonda 7 in prospettiva.

La sonda 7 comprende una fibra ottica 70, avente un mantello 72 ed un nucleo anulare 71 avente simmetria rotazionale attorno all’asse z della fibra. Vantaggiosamente, le caratteristiche ottiche e geometriche del nucleo (quali profilo d’indice di rifrazione, diametro interno ed esterno, etc.) sono sostanzialmente costanti lungo l'intero perimetro del nucleo 71.

Secondo la presente invenzione, e come mostrato in Figura 7b, in corrispondenza dell’estremità 7”, la fibra ottica 70 è rastremata, in modo da avere una forma tronco-conica con asse sostanzialmente corrispondente alla direzione z. In questo modo, il nucleo 71 in ciascun punto lungo il suo perimetro è tagliato secondo un rispettivo piano che forma un angolo di Dott. Ing. Stefano Colombo

rastremazione Θ con il piano individuato dalle direzioni x e y. Tale angolo di rastremazione Θ ha valore sostanzialmente costante lungo l’intero perimetro de! nucleo 71. In alternativa, vantaggiosamente, l'estremità 7” è a forma di tronco di piramide retta avente come base un poligono regolare.

Il funzionamento della sonda 7 è sostanzialmente identico a quello della sonda 2 sopra descritta. Pertanto, esso non verrà ripetuto e per una descrizione più dettagliata si può fare riferimento alla descrizione della Figura 3a.

Le Figure 8a e 8b mostrano una quinta forma di realizzazione di una sonda comprendente sette fibre ottiche. In particolare, la Figura 8a mostra una sezione trasversale della sonda 8, mentre la Figura 8b mostra una porzione della seconda estremità 8" della sonda 8 in prospettiva.

La sonda 8 comprende sette fibre ottiche 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16. Una prima fibra ottica 10 è posta con asse sostanzialmente coincidente con l’asse della sonda z. Le restanti sei fibre ottiche 11, 12, 13, 14, 15, 16 sono poste con asse parallelo all’asse z, e sono posizionate ai vertici di un esagono regolare appartenente al piano xy. In questo modo, si ottiene ancora una disposizione dei nuclei con simmetria rotazionale attorno all’asse z della sonda 8.

Preferibilmente, le fibre ottiche 10, 11, 12, 13, 14, 15, 16 sono fibre con mantello a diametro ridotto, in modo da ridurre il più possibile il diametro della sonda 8. Esempi di tali fibre sono le fibre ottiche RC HI 1060 Specialty Fibers, prodotte dalla ditta Corning con sede a New York (USA). Tali fibre tipicamente hanno un diametro esterno del mantello di 80 pm circa, un’attenuazione massima a 1060 nm di 1.5 dB/km circa, una lunghezza Dott. Ing. Stefano Colombo

d’onda di taglio di 920 nm circa ed un diametro del campo modale a 1060 nm di 6.2 μΐτι circa.

La fibra centrale 10 può essere dello stesso tipo delle fibre circostanti, oppure può essere differente.

Le fibre sono preferibilmente inserite in un capillare 17 in materiale plastico. Ad esempio, la Richiedente ha ottenuto risultati positivi utilizzando un capillare del tipo TSP 250350 prodotto dalla ditta Polymicro Technologies LLC, con sede a Phoenix, Arizona (USA). Preferibilmente, lo spazio vuoto tra le fibre ottiche e la parete interna del capillare 17 può essere riempito con un materiale di riempimento che blocchi le fibre all’interno del capillare. Ad esempio, la Richiedente ha effettuato prove utilizzando la resina epossidica EpoFix prodotta dalla ditta Struers, con sede a Copenaghen (Danimarca). Come mostrato in Figura 8b, l’estremità 8” della sonda 8 presenta una forma rastremata con simmetria rotazionale rispetto alla direzione z. In particolare, ciascuna fibra 11, 12, 13, 14, 15, 16 (o ciascun nucleo) è tagliata obliquamente rispetto ad un rispettivo piano che forma un angolo di rastremazione Θ con il piano individuato dalle direzioni x e y. Preferìbilmente, per preservare la simmetria rotazionale dell’estremità 6” della sonda 6 rispetto alla direzione z, gli angoli di rastremazione Θ hanno tutti sostanzialmente lo stesso valore.

Il funzionamento della sonda 8 è sostanzialmente identico a quello della sonda 2 sopra descritta. Pertanto, esso verrà solo brevemente riassunto nel seguito.

Quando la sorgente laser (non mostrata in Figura 3) emette una radiazione luminosa, essa viene accoppiata alla prima estremità della sonda Dott. Ing. Stefano Colombo

8, in modo che ciascuna fibra ottica 11, 12, 13, 14, 15, 16 guidi una rispettiva componente della radiazione. Preferibilmente, le sei componenti di radiazione hanno potenze ottiche sostanzialmente identiche. In questo modo, il profilo di intensità della radiazione guidata nella sonda 8 ha anch’esso una simmetria rotazionale rispetto all’asse z.

Anche in questo caso, si ipotizza che, almeno in corrispondenza dell’estremità 7" della sonda 7, nelle fibre 11, 12, 13, 14, 15, 16 la radiazione si propaghi sostanzialmente solo secondo i rispettivi modi fondamentali, in modo che la maggior parte della potenza ottica associata a ciascuna componente della radiazione si concentri nel rispettivo nucleo.

Quando ciascuna componente di radiazione arriva al punto in cui la rispettiva fibra (o almeno la zona in cui la radiazione ha intensità massima) è tagliata obliquamente (ossia all'interfaccia tra la fibre ed il fluido), essa subisce riflessione.

In seguito, ciascuna componente della radiazione si propaga all'interno della sonda fino a quando, all'interfaccia tra ciascuna fibra ed il fluido, subisce rifrazione, e viene quindi emessa dalia sonda con un angolo di convergenza φ rispetto alla direzione z. L’angolo di convergenza φ assume sostanzialmente lo stesso valore per tutte e sei le componenti della radiazione. L’angolo di convergenza φ dipende dall’angolo di rastremazione Θ secondo l’equazione [1] di cui sopra.

Data la simmetria rotazionale della struttura, quindi, le componenti di radiazione sono fatte convergere in corrispondenza di un punto di convergenza, posto sull’asse z ad una data distanza dall’estremità 8” della sonda 8. Pertanto, quando l'estremità 8” della sonda 8 viene immersa in un Dott. Ing. Stefano Colombo

fluido in prossimità di una particella, la radiazione emessa dalla sonda 8 attrae la particella verso un punto di equilibrio anch’esso posto sull'asse z, e sostanzialmente intrappola la particella nei punto di equilibrio. Anche in questo caso, la distanza df aumenta al diminuire dell’angolo di convergenza <p, ossia all’aumentare dell’angolo di rastremazione Θ. Inoltre, la distanza df aumenta aH’aumentare della distanza delle fibre 11, 12, 13, 14, 15, 16 dall’asse z della sonda.

La fibra centrale 10 può essere utilizzata per diversi scopi. Ad esempio, tale fibra può emettere una luce ad una lunghezza d’onda diversa da quella della sorgente laser che alimenta le fibre circostanti. Tale lunghezza d’onda può essere scelta in modo da effettuare un’analisi (ad esempio, una spettroscopia) della particella.

Quindi, secondo la presente invenzione è fornito un dispositivo ottico di intrappolamento di una particella, tipicamente una particella microscopica, che vantaggiosamente permette di creare trappole stabili in un qualsiasi punto del fluido in cui è immersa la particella, ad una distanza dell'ordine di decine di pm dalla punta della sonda. In questo modo, la particella può essere agevolmente osservata ed analizzata. Il dispositivo secondo l'invenzione risulta inoltre particolarmente compatto ed economico da realizzare.

Claims (17)

1. Dott. Ing. Stefano Colombo RIVENDICAZIONI 1. Dispositivo ottico (1) per l’intrappolamento di una particella immersa in un fluido, comprendente una sorgente luminosa (3) ed una sonda (2) avente una prima estremità {2’), una seconda estremità (2") ed un asse longitudinale (z), la sonda (2) essendo atta a ricevere una radiazione dalla sorgente luminosa (3) in corrispondenza della prima estremità (2’) e ad emettere la radiazione attraverso la seconda estremità (2”), il dispositivo ottico essendo caratterizzato dal fatto che: - in corrispondenza della seconda estremità (2”), la radiazione ha distribuzione di intensità ottica con massimo di intensità (M1, M2) posto ad una distanza non nulla dall’asse longitudinale (z) della sonda e con simmetria rotazionale rispetto all'asse longitudinale (z); e - detta seconda estremità (2”) è configurata in modo che in corrispondenza di detto massimo di intensità (M1, M2), la radiazione è riflessa all'Interfaccia tra detta seconda estremità (2”) e detto fluido, e la radiazione riflessa è emessa dalla seconda estremità (2”) in modo che converga in un punto di convergenza (F), creando un punto di equilibrio stabile (F1) in cui intrappola detta particella.
2. 2. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che, almeno in corrispondenza di detto massimo di intensità (M1, M2), detta seconda estremità (2”) ha forma rastremata avente simmetria rotazionale rispetto all’asse longitudinale (z) ed avente un dato angolo di rastremazione (Θ1).
3. 3. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto angolo dì rastremazione (Θ1) è maggiore di o uguale ad un angolo Dott. Ing. Stefano Colombo limite (9lim) dell’interfaccia tra detta seconda estremità (2”) e detto fluido.
4. 4. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 2, caratterizzato dal fatto che detto angolo di rastremazione (D1) è maggiore di o uguale a 45°.
5. 5. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la sonda (2) comprende almeno due fibre ottiche (11, 12) ciascuna delle quali comprende un rispettivo nucleo (11, 112), configurate in modo da avere le stesse caratteristiche ottiche e geometriche, dette almeno due fibre ottiche (11, 12), in corrispondenza della seconda estremità (2") della sonda (2), essendo poste parallelamente all'asse longitudinale (z) con una sostanziale simmetria rotazionale rispetto al detto asse longitudinale (z).
6. 6. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 5, caratterizzato dal fatto che ciascuna di dette almeno due fibre ottiche (11, 12), in corrispondenza della seconda estremità (2”) della sonda (2), è tagliata almeno in corrispondenza del proprio nucleo (111, 112) secondo un piano (p1, p2) che forma un angolo (Θ1, Θ2) con un piano perpendicolare all’asse longitudinale (z) della sonda (2), detto angolo (Θ1, Θ2) essendo uguale a detto angolo dì rastremazione (Θ),
7. 7. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che la sonda (2) comprende un elemento centrale (10) avente un asse longitudinale sostanzialmente coincidente con detto asse longitudinale (z) della sonda.
8. 8. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che l’elemento centrale (10) comprende un elemento di rinforzo Doti. Ing. Stefano Colombo comprendente materiale dielettrico,
9. 9. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 7, caratterizzato dal fatto che l’elemento centrale comprende una fibra ottica.
10. 10. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che la sonda (6) comprende una fibra ottica (60) avente almeno due nuclei (61 , 62, 63, 64) configurati in modo da avere le stesse caratteristiche ottiche e geometriche, detti almeno due nuclei (61, 62, 63, 64), in corrispondenza della seconda estremità (6”) della sonda (6), essendo posti parallelamente all’asse longitudinale (z) della sonda (6) con simmetria rotazionale rispetto all'asse longitudinale (z) della sonda (6).
11. 11. Dispositivo (1) secondo una qualsiasi delle rivendicazioni da 1 a 4, caratterizzato dal fatto che la sonda (7) comprende una fibra ottica (70) avente un nucleo anulare (71) avente caratteristiche ottiche e geometriche sostanzialmente costanti lungo il perimetro di detto nucleo anulare (71).
12. 12. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 10 o 11, caratterizzato dal fatto che detta forma rastremata è un tronco di cono.
13. 13. Dispositivo (1) secondo la rivendicazione 10 o 11, caratterizzato dal fatto che detta forma rastremata è una piramide retta avente come base un poligono regolare.
14. 14. Metodo per intrappolare una particella immersa in un fluido, comprendente le fasi di: - emettere una radiazione tramite una sorgente laser (3); Dott. Ing. Stefano Colombo - guidare la radiazione da una prima estremità (2’) ad una seconda estremità (2”) di una sonda (2); ed - emettere detta radiazione tramite detta seconda estremità (2”), caratterizzato dal fatto che: - in corrispondenza della seconda estremità (2”) della sonda (2), la radiazione ha una distribuzione di intensità ottica con massimo di intensità (M1, M2) posto ad una distanza non nulla da un asse longitudinale (z) della sonda (2) ed avente simmetria sostanzialmente rotazionale rispetto dall’asse longitudinale (z) della sonda (2); e - in corrispondenza della seconda estremità (2”) e in corrispondenza di detto massimo di intensità (M1, M2), la radiazione è riflessa all'interfaccia tra detta seconda estremità (2”) e detto fluido, ed è emessa dalla seconda estremità (2") in modo da convergere in un punto di convergenza (F), creando un punto di equilibrio stabile (F) in cui intrappola la particella.
15. 15. Metodo secondo la rivendicazione 14, caratterizzato dal fatto che la radiazione è riflessa all'interfaccia tra detta seconda estremità {2”) e detto fluido in modo da indurre riflessione totale di detta radiazione.
16. 16. Metodo secondo la rivendicazione 14 o 15, caratterizzato dal fatto che detta distribuzione dì intensità ottica comprende almeno due massimi di intensità (M1, M2) posti ad una distanza non nulla da un asse longitudinale (z) della sonda e disposti secondo una simmetria sostanzialmente rotazionale rispetto dall’asse longitudinale (z) della sonda (2). Dott. Ing. Stefano Colombo
17. 17. Metodo secondo la rivendicazione 14 o 15, caratterizzato dal fatto che detta distribuzione di intensità ottica comprende almeno un massimo di intensità (M1, M2) anulare.