RU181220U1 - SUBWAVE OPTICAL PIPETER DEVICE - Google Patents
SUBWAVE OPTICAL PIPETER DEVICE Download PDFInfo
- Publication number
- RU181220U1 RU181220U1 RU2018104603U RU2018104603U RU181220U1 RU 181220 U1 RU181220 U1 RU 181220U1 RU 2018104603 U RU2018104603 U RU 2018104603U RU 2018104603 U RU2018104603 U RU 2018104603U RU 181220 U1 RU181220 U1 RU 181220U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- optical
- particle
- focusing
- radiation
- shape
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 title claims abstract description 44
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 80
- 230000005855 radiation Effects 0.000 claims abstract description 35
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 claims abstract description 16
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 11
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 abstract description 9
- 239000003814 drug Substances 0.000 abstract description 3
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 abstract description 3
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 2
- 230000005672 electromagnetic field Effects 0.000 description 7
- 238000000034 method Methods 0.000 description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 3
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 3
- 238000000651 laser trapping Methods 0.000 description 3
- 238000012576 optical tweezer Methods 0.000 description 3
- 241000894006 Bacteria Species 0.000 description 2
- 241000700605 Viruses Species 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 2
- 230000005670 electromagnetic radiation Effects 0.000 description 2
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 2
- 230000008092 positive effect Effects 0.000 description 2
- 238000013519 translation Methods 0.000 description 2
- 230000005653 Brownian motion process Effects 0.000 description 1
- 239000004793 Polystyrene Substances 0.000 description 1
- 238000005537 brownian motion Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 239000003989 dielectric material Substances 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 229920000126 latex Polymers 0.000 description 1
- 239000004816 latex Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 230000007935 neutral effect Effects 0.000 description 1
- 229920002223 polystyrene Polymers 0.000 description 1
- 238000012552 review Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B21/00—Microscopes
- G02B21/32—Micromanipulators structurally combined with microscopes
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82B—NANOSTRUCTURES FORMED BY MANIPULATION OF INDIVIDUAL ATOMS, MOLECULES, OR LIMITED COLLECTIONS OF ATOMS OR MOLECULES AS DISCRETE UNITS; MANUFACTURE OR TREATMENT THEREOF
- B82B1/00—Nanostructures formed by manipulation of individual atoms or molecules, or limited collections of atoms or molecules as discrete units
Landscapes
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Crystallography & Structural Chemistry (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Nanotechnology (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Microscoopes, Condenser (AREA)
Abstract
Полезная модель относится к устройствам оптических ловушек и может быть использована в устройствах всасывания и удержания нано и микрочастиц, применяемых в современной биологии, медицине и биоинженерии. Заявленное устройство субволновой оптической пипетки содержит лазерный источник излучения, фокусирующее устройство и микрочастицу, расположенную в области фокуса сфокусированного падающего на нее излучения. Фокусирующее устройство выполнено в виде диэлектрической частицы из материала, обеспечивающего оптический контраст по отношению к окружающей среде, равный 1,4-2,0 с характерным размером не менее λ, где λ длина волны падающего излучения, а по оптической оси фокусирующего устройства выполнено субволновое отверстие постоянного сечения с характерным поперечным размером не более 0,25λ. Фокусирующее устройство имеет форму шара или форму куба. Субволновое отверстие в поперечном сечении имеет форму кольца. Технический результат - обеспечение возможности субволновой фокусировки излучения на внешней границе поверхности линзы и внутри тела линзы. 3 з.п. ф-лы, 5 ил.The utility model relates to optical trap devices and can be used in the absorption and retention devices of nano and microparticles used in modern biology, medicine, and bioengineering. The claimed device subwavelength optical pipette contains a laser radiation source, a focusing device and a microparticle located in the focus area of the focused incident radiation. The focusing device is made in the form of a dielectric particle from a material that provides optical contrast with respect to the environment, equal to 1.4-2.0 with a characteristic size of at least λ, where λ is the wavelength of the incident radiation, and a sub-wave hole is made along the optical axis of the focusing device constant cross-section with a characteristic transverse dimension of not more than 0.25λ. The focusing device is in the shape of a ball or a shape of a cube. The subwave opening in the cross section has the shape of a ring. EFFECT: provision of the possibility of subwavelength focusing of radiation on the outer boundary of the lens surface and inside the lens body. 3 s.p. f-ly, 5 ill.
Description
Настоящая полезная модель относится к устройствам оптических ловушек и может быть использована в устройствах всасывания и удержания нано и микрочастиц, применяемых в современной биологии, медицине и биоинженерии.This utility model relates to optical trap devices and can be used in the suction and retention devices of nano and microparticles used in modern biology, medicine and bioengineering.
Методы лазерной манипуляции микроскопическими и наноразмерными объектами представляют большой интерес для биологии, медицины, микромеханических технологий и являются одним из бурно развивающихся направлений фотоники.Laser manipulation methods for microscopic and nanoscale objects are of great interest for biology, medicine, micromechanical technologies and are one of the rapidly developing areas of photonics.
Феномен удержания микроскопических частиц в луче лазера был впервые описан в 1970 г. в статьях [Ashkin A. Acceleration and trapping of particles by radiation pressure // Phys. Rev. Lett. 1970. V. 24. P. 156-159; Ashkin A., Dziedzic J.M., Yamane T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams // Nature. 1987. V. 330. P. 769-771]. О важности этой проблемы говорит тот факт, что один из соавторов открытия указанного феномена Steven Chu был удостоен Нобелевской премии по физике в 1997 г. за работы по захвату и охлаждению атомов с помощью оптической ловушки.The phenomenon of retention of microscopic particles in a laser beam was first described in 1970 in articles [Ashkin A. Acceleration and trapping of particles by radiation pressure // Phys. Rev. Lett. 1970. V. 24. P. 156-159; Ashkin A., Dziedzic J.M., Yamane T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams // Nature. 1987. V. 330. P. 769-771]. The importance of this problem is indicated by the fact that one of the co-authors of the discovery of this phenomenon Steven Chu was awarded the Nobel Prize in Physics in 1997 for his work on the capture and cooling of atoms using an optical trap.
Для «захвата» микрочастицы в технологии оптического пинцета (ловушки) используется сильно фокусированный лазерный пучок. Так, известно [Б.М. Яворский, А.А. Детлаф. Справочник по физике. М.: Наука, 3-е издание. 1965. С. 347-348, патенты РФ №№ 160834, 167405], что при изменении плотности потока I светового поля вдоль произвольной оси х возникает сила Fgrad электромагнитной природы, которая действует на диэлектрическую частицу, попадающую в пространственную область указанного изменения. Абсолютная величина силы Fgrad зависит от градиента dI/dx в направлении оси х, а также от оптических и структурных параметров частицы и среды, в которой она находится. Силу Fgrad называют градиентной и используют в оптических ловушках (лазерных пинцетах) для захвата, перемещения и проведения иных бесконтактных операций с малыми частицами. Градиент интенсивности излучения затягивает частицу в область перетяжки пучка, тогда как давление света выталкивает ее по направлению оптической оси. Когда градиентная сила доминирует - частица «поймана» в области точки фокуса; в противном случае частица движется вдоль оптической оси [«оптический пинцет» http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article1445]. Причем обычно продольный градиент интенсивности поля создается за счет сильной фокусировки светового пучка, которая обеспечивается благодаря использованию микрообъектива с высокой числовой апертурой.In the technology of optical tweezers (traps), a highly focused laser beam is used to “capture” the microparticle. So, it is known [B.M. Yavorsky, A.A. Detlaf. Handbook of Physics. M .: Science, 3rd edition. 1965. S. 347-348, patents of the Russian Federation No. 160834, 167405], that when the flux density I of the light field changes along an arbitrary x axis, a force Fgrad electromagnetic nature, which acts on a dielectric particle falling into the spatial region of the specified change. The absolute value of the force Fgrad depends on the gradient dI / dx in the direction of the x axis, as well as on the optical and structural parameters of the particle and the medium in which it is located. Force Fgrad called gradient and used in optical traps (laser tweezers) to capture, move and conduct other contactless operations with small particles. A radiation intensity gradient draws a particle into the beam waist region, while light pressure pushes it in the direction of the optical axis. When the gradient force dominates, the particle is “caught” in the region of the focal point; otherwise, the particle moves along the optical axis ["optical tweezers" http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article1445]. Moreover, usually a longitudinal field intensity gradient is created due to the strong focusing of the light beam, which is ensured through the use of a micro lens with a high numerical aperture.
Область фокусировки излучения у такого микрообъектива имеет вид эллипсоида вращения. Минимальный размер поперечной оси эллипсоида вращения на уровне половинной мощности для идеальной безаберрационной линзы равен 1.22λF/D, где λ - длина волны используемого излучения, F - расстояние от линзы до области фокусировки и D - размер апертуры линзы. Размер продольной полуоси эллипсоида 8λ(F/D)2 [Борн М. Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973].The radiation focusing region of such a micro lens has the form of an ellipsoid of revolution. The minimum size of the transverse axis of an ellipsoid of revolution at half power for an ideal non-aberrational lens is 1.22λF / D, where λ is the wavelength of the radiation used, F is the distance from the lens to the focus area, and D is the size of the lens aperture. The size of the longitudinal axis of the ellipsoid is 8λ (F / D) 2 [Born M. Wolf E. Fundamentals of Optics. Ed. 2nd. Translation from English. The main edition of the physical and mathematical literature of the Nauka publishing house, 1973].
С точки зрения приближения геометрической оптики, феномен оптической ловушки можно объяснить следующим образом. Неоднородное распределение электромагнитного поля в перетяжке сильно сфокусированного лазерного пучка формирует эффективную потенциальную яму для частиц, находящихся вблизи перетяжки. Микрочастица, показатель преломления которой превышает показатель преломления окружающей среды, и имеющая размеры больше длины волны падающего света (например, полистирольные и латексные шарики диаметром около 1 мкм, живые клетки, живые бактерии и вирусы [Ashkin and Dziedzic. Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria // Science. 1987 Mar 20; 235(4795):1517-20]), при попадании в область перетяжки лазерного пучка преломляет и рассеивает падающее на нее излучение.From the point of view of approximation of geometric optics, the phenomenon of optical trap can be explained as follows. The inhomogeneous distribution of the electromagnetic field in the constriction of a highly focused laser beam forms an effective potential well for particles near the constriction. A microparticle whose refractive index exceeds the refractive index of the environment, and having a size greater than the wavelength of the incident light (for example, polystyrene and latex balls with a diameter of about 1 μm, living cells, living bacteria and viruses [Ashkin and Dziedzic. Optical trapping and manipulation of viruses and bacteria // Science. 1987 Mar 20; 235 (4795): 1517-20]), when a laser beam enters the waist region, it refracts and scatters the radiation incident on it.
Если прозрачная микрочастица находится в центре перетяжки пучка, то направление и величина суммарного импульса света после прохождения светового пучка через частицу не меняется, она находится в положении равновесия. Если же в результате, например, броуновского движения микрочастица смещается в любом направлении относительно центра перетяжки, происходит изменение направления суммарного импульса света после преломления и рассеяния на частице. Вследствие закона сохранения импульса возникают действующие на микрочастицу силы, возвращающие ее в положение равновесия. В равновесном положении, то есть когда микрочастица находится в центре перетяжки лазерного пучка, равнодействующая этих сил равна нулю. Если же микрообъект имеет меньший по сравнению с окружающей средой показатель преломления, то под действием лазерного пучка он будет выталкиваться из перетяжки [Ashkin A. Acceleration and trapping of particles by radiation pressure // Phys. Rev. Lett. 1970. V. 24. P. 156-159; Ashkin A., Dziedzic J.M., Yamane T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams // Nature. 1987. V. 330. P. 769-771].If the transparent microparticle is in the center of the beam waist, then the direction and magnitude of the total light pulse after the passage of the light beam through the particle does not change, it is in equilibrium. If, as a result of, for example, Brownian motion, the microparticle is displaced in any direction relative to the center of the waist, the direction of the total light pulse changes after refraction and scattering by the particle. Due to the law of conservation of momentum, forces acting on the microparticle arise, returning it to the equilibrium position. In the equilibrium position, that is, when the microparticle is in the center of the waist of the laser beam, the resultant of these forces is zero. If the micro-object has a lower refractive index than the environment, then under the action of the laser beam it will be pushed out of the waist [Ashkin A. Acceleration and trapping of particles by radiation pressure // Phys. Rev. Lett. 1970. V. 24. P. 156-159; Ashkin A., Dziedzic J.M., Yamane T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams // Nature. 1987. V. 330. P. 769-771].
Диэлектрические частицы размером меньше длины волны лазерного излучения также захватываются хорошо сфокусированным лазерным лучом. Их поведение объясняется с точки зрения теории электромагнетизма - диэлектрические частицы поляризуются в негомогенном электрическом поле лазерного луча и смещаются к оси луча, где напряженность поля максимальна.Dielectric particles smaller than the laser wavelength are also captured by a well-focused laser beam. Their behavior is explained from the point of view of the theory of electromagnetism - dielectric particles are polarized in the inhomogeneous electric field of the laser beam and are shifted to the axis of the beam, where the field strength is maximum.
Известно из уровня техники построение оптических "пинцетов", использующих оптические градиентные силы одного пучка света для управления местоположением маленькой диэлектрической частицы, погруженной в текучую среду, показатель преломления которой меньше, чем таковой у частицы.It is known from the prior art to construct optical “tweezers” using the optical gradient forces of a single light beam to control the location of a small dielectric particle immersed in a fluid medium whose refractive index is less than that of a particle.
Развитие науки и техники в последние десятилетия потребовало расширения функциональных возможностей лазерных пинцетов (ловушек) и манипуляторов и создания новых модификаций оптического пинцета. Необходимость использования различных типов оптических ловушек вызвана тем, что частицы с показателем преломления выше, чем у окружающей среды притягиваются в область максимума интенсивности, в то время как частицы с показателем преломления ниже, чем у окружающей среды, выталкиваются из этих областей, и таким образом, их стабильный захват с помощью остросфокусированного пучка становится невозможным.The development of science and technology in recent decades has required the expansion of the functionality of laser tweezers (traps) and manipulators and the creation of new modifications of optical tweezers. The need to use different types of optical traps is due to the fact that particles with a refractive index higher than that of the environment are attracted to the region of maximum intensity, while particles with a refractive index lower than that of the environment are pushed out of these areas, and thus their stable capture using a sharply focused beam becomes impossible.
Для автоматического перемещения микрообъектов по какой-либо траектории используются специальные фокусирующие элементы, обеспечивающие формирование в области ловушки заданного амплитудно-фазового распределения.To automatically move microobjects along any trajectory, special focusing elements are used to ensure the formation of a given amplitude-phase distribution in the trap region.
Так, в работе [Wu, F. Generation of self-imaged optical bottle beam by using axicons Текст. / F. Wu, W. Lu, B. Liu // Proc. of SPIE. 2010. V. 7721(1). - P. 77211C-1 - 77211C-6] описано устройство, где формируемый световой пучок имел вихревую фазу с заданным угловым орбитальным моментом, т.е. фактически рассматриваемые в работе фокусаторы формировали вихревое поле с заданной интенсивностью. В ряде работ использовались устройства фокусировки, в которых световые «бутылки» формировались за счет комбинации аксикона с двояковыпуклой линзой [Wang, X. Laser cavity for generation of variable-radius rings of light Текст. / X. Wang, M.G. Littman // Optics Letters. 1993. - Vol. 18(10). - P. 767-768; Tikhonenko, V. Excitation of vortex solitons in a Gaussian beam configuration Текст. / V. Tikhonenko, N.N. Akhmediev // Optics Communications. 1996. - Vol. 126(1). - P. 108-112], аксикона с двумя собирающими линзами [Mamaev, A.V. Vortex evolution and bound pair formation in anisotropic nonlinear optical media Текст. / A.V. Mamaev, M. Saffman, A.A. Zozulya // Phys. Rev. Lett. 1996. - Vol. 77(22). - P. 4544-4547], двух аксиконов с бинарным фазовым элементом [Herman, R.M. Production and uses of diffraction less beams Текст. / R.M. Herman, T.A. Wiggins // J. Opt. Soc. Am. 1991. - Vol. 8(6). - P. 932-942].So, in [Wu, F. Generation of self-imaged optical bottle beam by using axicons Text. / F. Wu, W. Lu, B. Liu // Proc. of SPIE. 2010.V. 7721 (1). - P. 77211C-1 - 77211C-6] describes a device where the generated light beam had a vortex phase with a given angular orbital momentum, ie the focusers actually considered in the work formed a vortex field with a given intensity. A number of works used focusing devices in which light “bottles” were formed by combining an axicon with a biconvex lens [Wang, X. Laser cavity for generation of variable-radius rings of light Text. / X. Wang, M.G. Littman // Optics Letters. 1993. - Vol. 18 (10). - P. 767-768; Tikhonenko, V. Excitation of vortex solitons in a Gaussian beam configuration Text. / V. Tikhonenko, N.N. Akhmediev // Optics Communications. 1996. - Vol. 126 (1). - P. 108-112], axicon with two collecting lenses [Mamaev, A.V. Vortex evolution and bound pair formation in anisotropic nonlinear optical media Text. / A.V. Mamaev, M. Saffman, A.A. Zozulya // Phys. Rev. Lett. 1996. - Vol. 77 (22). - P. 4544-4547], two axicons with a binary phase element [Herman, R.M. Production and uses of diffraction less beams Text. / R.M. Herman, T.A. Wiggins // J. Opt. Soc. Am. 1991. - Vol. 8 (6). - P. 932-942].
Однако такие устройства фокусировки позволяют только захватить нано и микро частицу и с их помощью принципиально нельзя сформировать оптические ловушки позволяющие захватить и переместить нано или микро частицу в материальное тело «контейнер» и сохранить их там.However, such focusing devices only allow capturing a nano and micro particle, and with their help it is fundamentally impossible to form optical traps that allow capturing and moving a nano or micro particle into a “container” material body and storing them there.
Известно устройство для формирования оптической ловушки, реализующее способ [A. Ashkin. Apparatuses for trapping and accelerating neutral particles. US Patent No. 370279. H01S 3/06, 3/09. 09.01.1973] захвата диэлектрической частицы в оптическую ловушку, создаваемую силами FP давления света на частицу, формируемыми одним или несколькими лазерными источниками. Эти силы действуют в направлении распространения излучения.A device for forming an optical trap that implements the method [A. Ashkin. Apparatuses for trapping and accelerating neutral particles. US Patent No. 370279.
Однако ему присущи недостатки. Для классических линз чем сильнее стянут пучок в фокус, тем быстрее он расходится после него. Это означает, что сила, удерживающая частицу, очень быстро падает по мере удаления от зоны захвата, и уже на расстоянии нескольких десятков микрон от фокуса оказывается недостаточной, чтобы снова захватить частицу. Большой пространственный размер области фокуса не менее дифракционного предела уменьшает возможную интенсивность электромагнитного поля в области фокуса, а фокус находится на значительном расстоянии от внешней поверхности линзы.However, it has inherent disadvantages. For classic lenses, the stronger the beam is pulled into focus, the faster it diverges after it. This means that the force retaining the particle decreases very quickly as it moves away from the capture zone, and already at a distance of several tens of microns from the focus is insufficient to again capture the particle. The large spatial size of the focus region of at least the diffraction limit reduces the possible intensity of the electromagnetic field in the focus region, and the focus is at a considerable distance from the outer surface of the lens.
Известно устройство для формирования оптической ловушки, реализующее известный способ [A. Ashkin. Non-destructive optical trap for biological particles and method of doing same. US Patent No. 4893886. G02B 27/00. 16.01.1990.] захвата биологической частицы в оптическую ловушку, включающее в себя источник излучения (лазер), генерирующий свет с фиксированной длиной волны, фокусирующее устройство в виде осесимметричной собирающей линзы с малым фокусным расстоянием, в области фокуса (перетяжки пучка) которой формируется большой градиент светового поля и соответствующая сила Fgrad и микрочастицу, расположенную в области сфокусированного излучения. Данное устройство принято за прототип.A device for forming an optical trap that implements the known method [A. Ashkin. Non-destructive optical trap for biological particles and method of doing same. US Patent No. 4893886. G02B 27/00. 01/16/1990.] Capture of a biological particle into an optical trap, which includes a radiation source (laser) that generates light with a fixed wavelength, a focusing device in the form of an axisymmetric collecting lens with a small focal length, in which a large focal region (beam constriction) is formed the light field gradient and the corresponding force F grad and a microparticle located in the region of focused radiation. This device is taken as a prototype.
У такого устройства также имеются недостатки. Для классических линз чем сильнее стянут пучок в фокус, тем быстрее он расходится после него. Это означает, что сила, удерживающая частицу, очень быстро падает по мере удаления от зоны захвата, и уже на расстоянии нескольких десятков микрон от фокуса оказывается недостаточной, чтобы снова захватить частицу. Большой пространственный размер области фокуса не менее дифракционного предела уменьшает возможную интенсивность электромагнитного поля в области фокуса, а фокус находится на значительном расстоянии от внешней поверхности линзы.This device also has disadvantages. For classic lenses, the stronger the beam is pulled into focus, the faster it diverges after it. This means that the force retaining the particle decreases very quickly as it moves away from the capture zone, and already at a distance of several tens of microns from the focus is insufficient to again capture the particle. The large spatial size of the focus region of at least the diffraction limit reduces the possible intensity of the electromagnetic field in the focus region, and the focus is at a considerable distance from the outer surface of the lens.
Более того, такое устройство принципиально не позволяет обеспечить фокусировку излучения на внешнюю границу линзы с субдифракционным пределом разрешения, что необходимо, например, для (всасывания) перемещения частицы внутрь линзы.Moreover, such a device does not fundamentally make it possible to focus radiation on the outer boundary of the lens with a subdiffraction limit of resolution, which is necessary, for example, for (suction) of moving a particle inside the lens.
Задачей полезной модели является обеспечение возможности субволновой фокусировки излучения на внешней границе поверхности линзы и внутри тела линзы.The objective of the utility model is to provide the possibility of sub-wave focusing of radiation on the outer boundary of the lens surface and inside the lens body.
Поставленная задача достигается тем, что устройство субволновой оптической пипетки содержит лазерный источник излучения, фокусирующее устройство, микрочастицу, расположенную в области фокуса сфокусированного падающего на нее излучения, согласно полезной модели, фокусирующее устройство выполнено в виде диэлектрической частицы из материала, обеспечивающего оптический контраст по отношению к окружающей среде, равный 1,4-2,0 с характерным размером не менее λ, где λ длина волны падающего излучения, а по оптической оси фокусирующего устройства выполнено субволновое отверстие постоянного сечения с характерным поперечным размером не более 0,25λ.This object is achieved in that the device of the subwavelength optical pipette contains a laser radiation source, a focusing device, a microparticle located in the focus region of the focused radiation incident on it, according to a utility model, the focusing device is made in the form of a dielectric particle made of a material providing optical contrast with respect to environment equal to 1.4-2.0 with a characteristic size of at least λ, where λ is the wavelength of the incident radiation, and along the optical axis of the focusing device va performed subwavelength aperture of constant cross section with a characteristic transverse dimension of no more 0,25λ.
Кроме того фокусирующее устройство имеет форму шара.In addition, the focusing device has the shape of a ball.
Кроме того фокусирующее устройство имеет форму куба.In addition, the focusing device has a cube shape.
Кроме того, субволновое отверстие в поперечном сечении имеет форму кольца.In addition, the subwave opening in the cross section has the shape of a ring.
На Фиг. 1 показана заявляемая полезная модель, где 1 – падающее излучение, 2 - диэлектрическая частица в форме шара или куба с оптическим контрастом по отношению к окружающей среде, равным 1,4-2,0 и с характерным размером не менее λ, где λ длина волны падающего излучения, 3 - субволновое отверстие постоянного сечения с характерным поперечным размером не более 0,25λ, 4 - область фокусировки диэлектрической частицы в форме шара или куба, 5 - нано или микрочастица.In FIG. 1 shows the claimed utility model, where 1 is the incident radiation, 2 is a dielectric particle in the form of a ball or cube with an optical contrast in relation to the environment equal to 1.4-2.0 and with a characteristic size of at least λ, where λ is the wavelength incident radiation, 3 — a sub-wave aperture of constant cross section with a characteristic transverse dimension of not more than 0.25λ, 4 — the focusing region of a dielectric particle in the form of a ball or a cube, 5 — a nano or microparticle.
На Фиг. 2 показано распределение интенсивности электромагнитного поля в диэлектрической частице в форме шара в двух плоскостях: диэлектрическая частица диаметром равным λ с относительным показателем преломления N=1,7 и диаметром круглого отверстия равного λ/20 (а-б); диэлектрическая частица диаметром равным 2λ с относительным показателем преломления N=1,79 и диаметром круглого отверстия, равного λ/25 (в-г); диэлектрическая частица диаметром равным 4λ с относительным показателем преломления N=1.5 и диаметром круглого отверстия равного λ/25 (д-е).In FIG. Figure 2 shows the intensity distribution of the electromagnetic field in a ball-shaped dielectric particle in two planes: a dielectric particle with a diameter equal to λ with a relative refractive index of N = 1.7 and a round hole diameter of λ / 20 (a-b); a dielectric particle with a diameter equal to 2λ with a relative refractive index of N = 1.79 and a diameter of a round hole equal to λ / 25 (v-g); a dielectric particle with a diameter equal to 4λ with a relative refractive index of N = 1.5 and a diameter of a round hole equal to λ / 25 (df).
В результате проведенных экспериментов было обнаружено, что для диэлектрической частицы в форме шара с относительным показателем преломления N=1,7 и диаметром, равным длине волны падающей волны максимум интенсивности электромагнитного излучения примерно в 14 раз больше падающей интенсивности электромагнитной волны. При выполнении по оси симметрии частицы отверстия диаметром λ/20 максимальная интенсивность в отверстии на внешней границе частицы примерно в 30 раз больше падающей интенсивности электромагнитной волны.As a result of the experiments, it was found that for a dielectric particle in the form of a ball with a relative refractive index of N = 1.7 and a diameter equal to the wavelength of the incident wave, the maximum intensity of electromagnetic radiation is approximately 14 times greater than the incident intensity of the electromagnetic wave. When performing a hole with a diameter of λ / 20 along the axis of symmetry of the particle, the maximum intensity in the hole at the outer boundary of the particle is approximately 30 times greater than the incident intensity of the electromagnetic wave.
При увеличения диаметра диэлектрической частицы в два раза с относительным показателем преломления равного N=1.79 и диаметром отверстия λ/25 максимальная интенсивность в отверстии на внешней границе частицы примерно в 194 раз больше падающей интенсивности электромагнитной волны.When the diameter of the dielectric particle is doubled with a relative refractive index equal to N = 1.79 and the hole diameter λ / 25, the maximum intensity in the hole at the outer particle boundary is approximately 194 times greater than the incident intensity of the electromagnetic wave.
При увеличения диаметра диэлектрической частицы до диаметра, равного 4 λ с относительным показателем преломления, равного N=1,5 и диаметром отверстия λ/25 максимальная интенсивность в отверстии на внешней границе частицы примерно в 297 раз больше падающей интенсивности электромагнитной волны.When the diameter of the dielectric particle is increased to a diameter of 4 λ with a relative refractive index of N = 1.5 and a hole diameter of λ / 25, the maximum intensity in the hole at the outer boundary of the particle is approximately 297 times greater than the incident intensity of the electromagnetic wave.
На Фиг. 3 показано распределение интенсивности электромагнитного поля в диэлектрической частице в форме куба для различных поляризаций падающей волны с величиной ребра куба, равного λ, с относительным показателем преломления N=2 и диаметром круглого центрального отверстия, равного λ/10.In FIG. Figure 3 shows the distribution of the intensity of the electromagnetic field in a cube-shaped dielectric particle for various polarizations of the incident wave with a cube edge value of λ, with a relative refractive index of N = 2 and a diameter of a round central hole of λ / 10.
На Фиг. 4 показано распределение интенсивности электромагнитного поля в диэлектрической частице в форме куба для различных поляризаций падающей волны с величиной ребра куба, равного λ, с относительным показателем преломления N=2 и диаметром круглого центрального отверстия, равного λ/20.In FIG. Figure 4 shows the intensity distribution of the electromagnetic field in a cube-shaped dielectric particle for various polarizations of the incident wave with a cube edge of λ equal to λ, with a relative refractive index of N = 2 and a circular center hole diameter of λ / 20.
На Фиг. 5 показаны диэлектрическая частица в форме куба и кольцевым отверстием и распределение интенсивности поля в нем. В данном случае ширина кольца составляла величину, равную λ/20 и относительный показатель преломления материала диэлектрической частицы N= 1,8.In FIG. 5 shows a dielectric particle in the form of a cube and an annular hole and the distribution of the field intensity in it. In this case, the ring width was equal to λ / 20 and the relative refractive index of the material of the dielectric particle was N = 1.8.
Для фокусирующих мезоразмерных диэлектрических частиц в форме куба и шара интенсивность поля в отверстии на внешней границе частицы больше интенсивности поля вне тела частицы, что позволяет захватить и переместить частицу в внутрь фокусирующей частицы.For focusing mesoscale dielectric particles in the form of a cube and a ball, the field intensity in the hole at the outer boundary of the particle is greater than the field intensity outside the particle’s body, which allows the particle to be captured and moved inside the focusing particle.
Устройство субволновой оптической пипетки работает следующим образом (Фиг. 1). При взаимодействии падающего на диэлектрическую частицу в форме шара или куба 2 оптического излучения 1, сформированного, например, лазером, внутри диэлектрического материала шара или куба 2 вследствие разных фазовых скоростей волнового фронта в центре и по периферии диэлектрической частицы 2 падающий волновой фронт излучения 1 искажается и становится вогнутым, что приводит к его последующей фокусировке. При соблюдении условий на величину оптического контраста (отношение показателей преломления материала диэлектрической частицы 2 и среды, где она располагается, и характерных размеров частицы непосредственно у «выходной» (теневой) поверхности частицы 2 формируется область фокусировки 4, т.н. фотонная струя.The device subwavelength optical pipette operates as follows (Fig. 1). When interacting incident on a dielectric particle in the form of a ball or
Известно, что для классических идеальных линз поперечный размер области фокусировки вследствие фундаментальных дифракционных ограничений не может быть меньше половины длины волны (Борн М. Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973).It is known that for classical ideal lenses, the transverse size of the focusing region due to fundamental diffraction restrictions cannot be less than half the wavelength (Born M. Wolf, E. Fundamentals of Optics. Ed. 2nd. Translation from English. Main editors of the physical and mathematical literature ed wa "Science", 1973).
Для диэлектрических мезоразмерных объектов с соблюдением требований на величину оптического контраста размеры формируемых фотонных струй в продольном направлении составляют от долей до нескольких длин волн излучения, в поперечном - до λ/4 длины волны излучения, т.е. меньше классического дифракционного предела (Igor V. Minin, Oleg V. Minin, and Yuri E. Geints. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: Brief review // Ann. Phys. (Berlin) 527, No. 7-8, 491-497 (2015) / DOI 10.1002/andp.201500132).For dielectric mesoscale objects with observance of the optical contrast requirements, the sizes of the generated photonic jets in the longitudinal direction are from fractions to several radiation wavelengths, in the transverse direction to λ / 4 radiation wavelengths, i.e. less than the classical diffraction limit (Igor V. Minin, Oleg V. Minin, and Yuri E. Geints. Localized EM and photonic jets from non-spherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: Brief review // Ann. Phys. (Berlin) 527 , No. 7-8, 491-497 (2015) / DOI 10.1002 / andp.201500132).
При выполнении субволнового отверстия постоянного сечения с характерным поперечным размером не более 0,25λ 3 вдоль оптической оси диэлектрической частицы 2, область фокусировки с максимальной интенсивностью излучения 4 формируется в субволновом отверстии 3 на внешней границе диэлектрической частицы 2. При расположении нано частицы 5 в область фокусировки 4 происходит ее захват и перемещение (всасывание) в область с максимальной интенсивностью излучения, расположенной в отверстии 3.When a sub-wave hole of constant cross section with a characteristic transverse dimension of not more than 0.25
Исследования показали, что для обеспечения условия формирования области фокусировки с максимальной интенсивностью излучения в субволновом отверстии на внешней границе диэлектрической частицы в форме шара или куба характерный размер частицы должен составлять не менее λ, где λ длина волны падающего излучения, а диэлектрическая частица выполнена из материала, обеспечивающего оптический контраст по отношению к окружающей среде, равный 1,4-2,0.Studies have shown that in order to ensure the formation of a focusing region with a maximum radiation intensity in a sub-wave hole at the outer boundary of a dielectric particle in the form of a ball or a cube, the characteristic particle size should be at least λ, where λ is the wavelength of the incident radiation and the dielectric particle is made of material providing optical contrast with respect to the environment, equal to 1.4-2.0.
При характерном размере частицы менее λ, диэлектрическая частица не производит фокусировку падающего излучения.When the characteristic particle size is less than λ, the dielectric particle does not focus the incident radiation.
При оптическом контрасте материала частицы менее 1,4 область фокусировки лежит вне внешней границы диэлектрической частицы. При оптическом контрасте материала частицы более 2,0 внутри диэлектрической частицы и захват нано частицы вне внешней границы диэлектрической частицы невозможен.When the optical contrast of the particle material is less than 1.4, the focusing area lies outside the outer boundary of the dielectric particle. With an optical contrast of the particle material of more than 2.0 inside the dielectric particle, capture of the nano particle outside the outer boundary of the dielectric particle is impossible.
Максимальный характерный поперечный размер субволнового отверстия постоянного сечения должен быть не более 0,25λ. При большей величине отверстия уменьшается максимальная интенсивность излучения в отверстие и перемещение наночастицы во внутрь диэлектрической частицы не возможно. Длина субволнового отверстия должна быть не более характерного размера диэлектрической частицы. Выбором длины отверстия возможна оптимизация максимальной величины интенсивности электромагнитного поля внутри отверстия.The maximum characteristic transverse dimension of a sub-wave hole of constant cross section should be no more than 0.25λ. With a larger hole, the maximum radiation intensity in the hole decreases, and the movement of the nanoparticle into the inside of the dielectric particle is not possible. The length of the sub-wave hole should be no more than the characteristic size of the dielectric particle. By choosing the length of the hole, it is possible to optimize the maximum intensity of the electromagnetic field inside the hole.
Таким образом, сущность достигаемого положительного эффекта заключается в том, что фокусировка падающего излучения в субволновом отверстии на внешней границе диэлектрической частицы, выполненном в материале фокусирующей диэлектрической частицы в форме шара или куба, достигается выбором формы диэлектрической частицы в виде шара или куба, с определенными геометрическими размерами и оптическим контрастом, указанными выше.Thus, the essence of the positive effect achieved is that the focusing of the incident radiation in the subwave hole on the outer boundary of the dielectric particle made in the material of the focusing dielectric particle in the shape of a ball or cube is achieved by choosing the shape of the dielectric particle in the form of a ball or cube with certain geometric dimensions and optical contrast indicated above.
Положительный эффект субволновой оптической пипетки заключается в возможности воздействия на нано или микрочастицу в области фокуса, ее захвата и перемещения (всасывания) ее в отверстие расположенное по оптической оси диэлектрической частицы (контейнера).The positive effect of the subwavelength optical pipette is the possibility of exposure to the nano or microparticle in the focus area, its capture and movement (absorption) of it into the hole located along the optical axis of the dielectric particle (container).
Указанными факторами и достигается технический эффект заявляемой полезной модели, заключающийся в осуществлении возможности субволновой фокусировки излучения на внешней границе поверхности линзы и внутри тела линзы.By these factors, the technical effect of the claimed utility model is achieved, which consists in realizing the possibility of subwavelength radiation focusing on the outer boundary of the lens surface and inside the lens body.
Новизна заявляемой субволновой оптической пипетки заключается в том, что ранее не были известны устройства фокусировки электромагнитного излучения в субволновом отверстии, расположенном по оптической оси диэлектрической частицы в форме шара или куба и одновременно на внешней границе диэлектрической частицы, причем максимальная интенсивность поля максимальна в субволновом отверстии с определенными геометрическими размерами и оптическим контрастом, указанными в материалах заявляемой полезной модели.The novelty of the claimed subwavelength optical pipette consists in the fact that previously there were no known devices for focusing electromagnetic radiation in a subwavelength hole located on the optical axis of a dielectric particle in the form of a ball or a cube and at the same time on the outer boundary of the dielectric particle, and the maximum field intensity is maximum in the subwavelength hole with certain geometric dimensions and optical contrast specified in the materials of the claimed utility model.
Claims (4)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018104603U RU181220U1 (en) | 2018-02-06 | 2018-02-06 | SUBWAVE OPTICAL PIPETER DEVICE |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2018104603U RU181220U1 (en) | 2018-02-06 | 2018-02-06 | SUBWAVE OPTICAL PIPETER DEVICE |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU181220U1 true RU181220U1 (en) | 2018-07-06 |
Family
ID=62813708
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2018104603U RU181220U1 (en) | 2018-02-06 | 2018-02-06 | SUBWAVE OPTICAL PIPETER DEVICE |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU181220U1 (en) |
Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4893886A (en) * | 1987-09-17 | 1990-01-16 | American Telephone And Telegraph Company | Non-destructive optical trap for biological particles and method of doing same |
| WO2013172976A1 (en) * | 2012-05-14 | 2013-11-21 | Optofluidics, Inc. | Methods of using near field optical forces |
| RU161207U1 (en) * | 2015-10-27 | 2016-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | DEVICE FOR FORMING AN OPTICAL TRAP IN THE FORM OF A PHOTON HOOK |
| RU166253U1 (en) * | 2016-06-08 | 2016-11-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | DEVICE FOR REGISTRATION OF SUBWAVE PARTICLES |
-
2018
- 2018-02-06 RU RU2018104603U patent/RU181220U1/en active
Patent Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US4893886A (en) * | 1987-09-17 | 1990-01-16 | American Telephone And Telegraph Company | Non-destructive optical trap for biological particles and method of doing same |
| WO2013172976A1 (en) * | 2012-05-14 | 2013-11-21 | Optofluidics, Inc. | Methods of using near field optical forces |
| RU161207U1 (en) * | 2015-10-27 | 2016-04-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | DEVICE FOR FORMING AN OPTICAL TRAP IN THE FORM OF A PHOTON HOOK |
| RU166253U1 (en) * | 2016-06-08 | 2016-11-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | DEVICE FOR REGISTRATION OF SUBWAVE PARTICLES |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| Antonio Alvaro Ranha Neves ";Photonic nanojets in optical tweezers";, JOURNAL OF QUANTITATIVE SPECTROSCOPY & RADIATIVE TRANSFER, т.162, 2015 г., стр.122-132. * |
| Xu Li и др. "Optical analysis of nanoparticles via enhanced backscattering facilitated by 3-D photonic nanojets", OPTICS EXPRESS, т.13, No 2, 2005 г. стр. 526-533. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN108015410B (en) | Amorphous Ge based on femtosecond laser inductionmSbnTekMethod for preparing crystalline nano structure by thin film | |
| RU161207U1 (en) | DEVICE FOR FORMING AN OPTICAL TRAP IN THE FORM OF A PHOTON HOOK | |
| RU195603U1 (en) | Device for forming an optical trap in the form of a photon hook | |
| Quy et al. | Enhance of optical trapping efficiency by nonlinear optical tweezers | |
| Gao et al. | Focusing properties of concentric piecewise cylindrical vector beam | |
| RU202241U1 (en) | Subwavelength optical trap in a standing wave field based on a photonic jet | |
| RU181220U1 (en) | SUBWAVE OPTICAL PIPETER DEVICE | |
| RU160834U1 (en) | SUBWAVE OPTICAL TRAP IN THE STANDING WAVE FIELD | |
| RU195550U1 (en) | Dynamically controlled optical trap | |
| RU182549U1 (en) | Subwavelength optical trap in the field of a standing wave based on a photon jet | |
| CN102116882A (en) | Novel cone lens generating single bottle beam | |
| Afanasiev et al. | Further development of the laser tweezers technique for biomedical applications | |
| RU207824U1 (en) | DEVICE FOR FORMING AN OPTICAL TRAP IN THE SHAPE OF A PHOTON HOOK | |
| US9874502B2 (en) | Methods and device for trapping, moving and sorting particles contained in a fluid | |
| RU2781504C1 (en) | Apparatus for forming an optical trap with chiral symmetry | |
| Prabakaran et al. | Creation of Multiple Subwavelength Focal Spot Segments Using Phase Modulated Radially Polarized Multi Gaussian Beam | |
| CN202041669U (en) | Novel conical lens capable of generating single bottle beam | |
| RU167405U1 (en) | Mesoscale optical trap in a standing wave field based on two oncoming beams | |
| Ho | Influence of the Kerr effect on the optical force acting on the dielectric particle | |
| RU2813487C1 (en) | Method of controlling position and shape of photon jet | |
| Shostka et al. | The method of polarization filtering for implementation of the optical manipulator | |
| RU196429U1 (en) | Airy beam forming device | |
| Zhu et al. | A vectorial model for the nonlinear gradient force exerted on metallic Rayleigh nanoparticles | |
| Oldenburg et al. | Optical manipulation of silicon microparticles in biological environments | |
| Merola et al. | Optical trapping of micro-objects using polymeric microaxicons |