RU195603U1

RU195603U1 - Device for forming an optical trap in the form of a photon hook

Info

Publication number: RU195603U1
Application number: RU2019135762U
Authority: RU
Inventors: Игорь Владиленович Минин; Олег Владиленович Минин
Priority date: 2019-11-06
Filing date: 2019-11-06
Publication date: 2020-02-03

Abstract

Настоящая полезная модель относится к области изучения свойств частиц биологической ткани и предназначена для удерживания частиц или манипулирования ими путем создания оптической ловушки (лазерного пинцета) сложной пространственной формы - фотонного крюка. Она может быть использована при изучении структурных, биофизических, морфологических и оптических свойств частиц биологической ткани в условиях in vivo и их взаимодействия с окружающей средой для удерживания частиц в определенном месте биоткани или манипулирования ими.Технической задачей полезной модели является упрощение и уменьшение продольных габаритов устройства субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме фотонного крюка.Поставленная задача достигается тем, что устройство для формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка содержит один или несколько источников когерентного излучения, фокусирующее устройство с малым фокусным расстоянием, выполненное в виде диэлектрической частицы из материала, обеспечивающего оптический контраст по отношению к окружающей среде, и микрочастицы, расположенной в области сфокусированного излучения, новым является то, что фокусирующее устройство выполнено в форме кубоида, состоящего из двух частей в форме правильных треугольных призм, сопряженных по диагонали и выполненных из материалов с различными показателями преломления, с оптическим контрастом по отношению к окружающей среде первой правильной треугольной призмы, на боковую поверхность которой падает излучение, равным примерно 1,4-1,75, и показателем преломления материала второй правильной треугольной призмы меньше показателя преломления материала первой правильной треугольной призмы в 0,8-1,2 раза. 2 ил.This useful model relates to the field of studying the properties of particles of biological tissue and is designed to hold particles or manipulate them by creating an optical trap (laser tweezers) of complex spatial shape - a photon hook. It can be used to study the structural, biophysical, morphological, and optical properties of biological tissue particles under in vivo conditions and their interaction with the environment to hold particles in a specific place in biological tissue or to manipulate them. The technical task of this utility model is to simplify and reduce the longitudinal dimensions of a subwavelength device focusing radiation into a curved region in the form of a photon hook. The problem is achieved by the fact that the device for forming an optical trap and in the form of a photon hook contains one or more sources of coherent radiation, a focusing device with a small focal length, made in the form of a dielectric particle from a material that provides optical contrast with respect to the environment, and a microparticle located in the region of focused radiation, is new, that the focusing device is made in the form of a cuboid, consisting of two parts in the form of regular triangular prisms, connected diagonally and made of materials with different refractive indices, with optical contrast with respect to the environment of the first regular triangular prism, the radiation of which is equal to about 1.4-1.75, and the refractive index of the material of the second regular triangular prism is lower than the refractive index of the material of the first regular triangular prism 0.8-1.2 times. 2 ill.

Description

Настоящая полезная модель относится к области изучения свойств частиц биологической ткани и предназначена для удерживания частиц или манипулирования ими путем создания оптической ловушки (лазерного пинцета) сложной пространственной формы - фотонного крюка. Она может быть использована при изучении структурных, биофизических, морфологических и оптических свойств частиц биологической ткани в условиях in vivo и их взаимодействия с окружающей средой для удерживания частиц в определенном месте биоткани или манипулирования ими.This useful model relates to the field of studying the properties of particles of biological tissue and is designed to hold particles or manipulate them by creating an optical trap (laser tweezers) of complex spatial shape - a photon hook. It can be used to study the structural, biophysical, morphological, and optical properties of particles of biological tissue under in vivo conditions and their interaction with the environment to hold particles in a specific place in biological tissue or to manipulate them.

Методы лазерной манипуляции микроскопическими и наноразмерными объектами представляют большой интерес для биологии, медицины, микромеханических технологий и являются одним из бурно развивающихся направлений фотоники. При этом функциональные возможности оптических пинцетов во многом определяются пространственной структурой оптических ловушек и степенью фокусировки излучения. Ловушки в виде фотонного крюка полезны с точки зрения возможности воздействия на периферию объекта и уменьшению негативного воздействия лазерной ловушки на объекты биологического происхождения.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. Moreover, the functionality of optical tweezers is largely determined by the spatial structure of the optical traps and the degree of focusing of the radiation. Photon hook traps are useful in terms of the possibility of affecting the periphery of an object and reducing the negative effects of a laser trap on objects of biological origin.

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]. 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.], что при изменении плотности потока I светового поля вдоль произвольной оси х возникает сила F_grad электромагнитной природы, которая действует на диэлектрическую частицу, попадающую в пространственную область указанного изменения. Абсолютная величина силы F_grad зависит от градиента dI/dx в направлении оси х, а также от оптических и структурных параметров частицы и среды, в которой она находится. Силу F_grad 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.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 JM, Yamane T. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams // Nature. 1987. V. 330. P. 769-771]. 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. P. 347-348.], That when the flux density I of the light field changes along an arbitrary x axis, a force F _{grad of} electromagnetic nature arises, which acts on the dielectric particle falling into the spatial region of the indicated change. The absolute value of the force F _grad 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. The force F _grad is called gradient and is used in optical traps (laser tweezers) to capture, move and carry out 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].

Известно из уровня техники построение оптических “пинцетов”, использующих оптические градиентные силы одного пучка света для управления местоположением маленькой диэлектрической частицей, погруженной в текучую среду, показатель преломления которой меньше, чем таковой у частицы. Но 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. Для автоматического перемещения микрообъектов по какой-либо траектории используются специальные фокусирующие элементы, обеспечивающие формирование в области ловушки заданного амплитудно-фазового распределения.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. But 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. 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.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.

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].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 формировать только одиночные световые «бутылки» простой формы, и с их помощью принципиально уже нельзя сформировать оптические ловушки, распределение интенсивности в сечении которых будет иметь форму отличную от кольца. Кроме того, изготовление таких элементов достаточно сложно, а погрешности изготовления приводят к нарушению структуры волнового фронта.However, such focusing devices make it possible to form only single light "bottles" of a simple shape, and with their help it is fundamentally impossible to form optical traps, the intensity distribution in the cross section of which will have a shape different from the ring. In addition, the manufacture of such elements is quite difficult, and manufacturing errors lead to a violation of the wavefront structure.

Известно устройство для формирования оптической ловушки, реализующее известный 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 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 known method [A. Ashkin. Apparatuses for trapping and accelerating neutral particles. US Patent No. 370279. H01S 3/06, 3/09. 01/09/1973] capture of a dielectric particle into an optical trap created by the forces of light pressure on the particle formed by one or more laser sources. These forces act in the direction of radiation propagation.

Однако ему присущи недостатки. Во-первых, 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 несколько десятков микрон от фокуса оказывается недостаточной, чтобы снова захватить частицу. Однопучковая ловушка реально полезна лишь для захвата одиночной частицы и только в области фокуса, размер которой не меньше дифракционного предела. Во-вторых, вследствие дифракционной расходимости сфокусированного классической линзой излучения, чем сильнее он расходится, тем хуже его фокусирует оптическая система, но получить идеально параллельный пучок принципиально невозможно из-за дифракции. Более того, такое устройство принципиально не позволяет обеспечить фокусировку излучения в криволинейную область, что необходимо, например, для перемещения частицы «за преграду».However, it has inherent disadvantages. First, for classic lenses, the stronger the beam is pulled into focus, the faster it diverges after it. This means that the force holding 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. A single-beam trap is really useful only for capturing a single particle and only in the focus region, the size of which is not less than the diffraction limit. Secondly, due to the diffraction divergence of the radiation focused by a classical lens, the stronger it diverges, the worse the optical system focuses it, but it is fundamentally impossible to obtain a perfectly parallel beam due to diffraction. Moreover, such a device does not fundamentally make it possible to focus radiation in a curvilinear region, which is necessary, for example, for moving a particle “beyond the barrier”.

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 в интервале от 800 до 1800 нм, 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 F_grad и микрочастица, расположенная в области сфокусированного излучения. В известном устройстве для формирования оптической ловушки сходящийся пучок лазера направляется в кювету, содержащую частицу, которая захватывается вблизи указанной фокальной точки собирающей линзы.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 in an optical trap, including a radiation source (laser), generating light with a fixed wavelength in the range from 800 to 1800 nm, a focusing device in the form of an axisymmetric collecting lens with a small focal length, in the focus area (beam constriction) which forms a large gradient of the light field and the corresponding force F _grad and a microparticle located in the region of focused radiation. In a known device for forming an optical trap, a converging laser beam is directed into a cell containing a particle, which is captured near the specified focal point of the collecting lens.

В этом устройстве также имеются недостатки. Во-первых, 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 несколько десятков микрон от фокуса оказывается недостаточной, чтобы снова захватить частицу. Однопучковая ловушка реально полезна лишь для захвата одиночной частицы и только в области фокуса, размер которого всегда не меньше дифракционного предела. Во-вторых, вследствие дифракционной расходимости сфокусированного классической линзой излучения, чем сильнее он расходится, тем хуже его фокусирует оптическая система, но получить идеально параллельный пучок принципиально невозможно из-за дифракции. Более того, такое устройство принципиально не позволяет обеспечить фокусировку излучения в криволинейную область, что необходимо, например, для перемещения частицы «за преграду».This device also has disadvantages. First, for classic lenses, the stronger the beam is pulled into focus, the faster it diverges after it. This means that the force holding 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. A single-beam trap is really useful only for capturing a single particle and only in the focus region, the size of which is always no less than the diffraction limit. Secondly, due to the diffraction divergence of the radiation focused by a classical lens, the stronger it diverges, the worse the optical system focuses it, but it is fundamentally impossible to obtain a perfectly parallel beam due to diffraction. Moreover, such a device does not fundamentally make it possible to focus radiation in a curvilinear region, which is necessary, for example, for moving a particle “beyond the barrier”.

В качестве прототипа принято устройство для формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка по патенту РФ на полезную модель 161207. Устройство содержит один или несколько источников когерентного излучения, фокусирующее устройство с малым фокусным расстоянием, выполненное в виде диэлектрической частицы из материала, обеспечивающего оптический контраст по отношению к окружающей среде равный 1,2-1,75 и имеющее форму кубоида, одно ребро которого совмещено с одной боковой гранью прямой треугольной призмы, выполненной из того же материала и с размером ребра совпадающего с величиной ребра кубоида, равного (0,9-1,3)Nλ, где N - целое число, λ - длина волны используемого излучения в среде, при этом излучение падает на гипотенузу призмы и микрочастицы, расположенной в области сфокусированного излученияAs a prototype, a device for forming an optical trap in the form of a photon hook according to the patent of the Russian Federation for utility model 161207. The device contains one or more sources of coherent radiation, a focusing device with a small focal length, made in the form of a dielectric particle from a material that provides optical contrast with respect to to the environment equal to 1.2-1.75 and having the shape of a cuboid, one edge of which is combined with one side face of a straight triangular prism made of the same material and with the size of the edge coinciding with the size of the edge of the cuboid equal to (0.9-1.3) Nλ, where N is an integer, λ is the wavelength of the used radiation in the medium, while the radiation falls on the hypotenuse of the prism and microparticle located in areas of focused radiation

Достоинством устройства является возможность субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме фотонного крюка.An advantage of the device is the possibility of sub-wave focusing of radiation into a curved region in the form of a photon hook.

Недостатком устройства является большие продольные размеры фокусирующего устройства, достигающие примерно (1,9-2,3)Nλ, сложность расположения фокусирующего устройства на плоской подложке, сложность устройства.The disadvantage of this device is the large longitudinal dimensions of the focusing device, reaching approximately (1.9-2.3) Nλ, the complexity of the location of the focusing device on a flat substrate, the complexity of the device.

Технической задачей полезной модели является упрощение и уменьшение продольных габаритов устройства субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме фотонного крюка.The technical task of the utility model is to simplify and reduce the longitudinal dimensions of the device of sub-wave focusing of radiation into a curved region in the form of a photon hook.

Поставленная задача достигается тем, что устройство для формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка содержит один или несколько источников когерентного излучения, фокусирующее устройство с малым фокусным расстоянием, выполненное в виде диэлектрической частицы из материала, обеспечивающего оптический контраст по отношению к окружающей среде и микрочастицы, расположенной в области сфокусированного излучения, новым является то, что фокусирующее устройство выполнено в форме кубоида состоящего из двух частей в форме правильных треугольных призм сопряженных по диагонали и выполненных из материалов с различными показателями преломления, с оптическим контрастом по отношению к окружающей среде первой правильной треугольной призмы на боковую поверхность которой падает излучение равным примерно 1,4-1,75 и показателем преломления материала второй правильной треугольной призмы меньше показателя преломления материала первой правильной треугольной призмы в 0,8-1,2 раза.This object is achieved in that the device for forming an optical trap in the form of a photon hook contains one or more sources of coherent radiation, a focusing device with a small focal length, made in the form of a dielectric particle made of a material that provides optical contrast with respect to the environment and the microparticles located in the field of focused radiation, it is new that the focusing device is made in the form of a cuboid consisting of two parts in the form of rules diagonal triangular prisms conjugated diagonally and made of materials with different refractive indices, with optical contrast with respect to the environment of the first regular triangular prism onto the side surface of which radiation is equal to about 1.4-1.75 and the refractive index of the material of the second regular triangular prism 0.8-1.2 times less than the refractive index of the material of the first regular triangular prism.

На Фиг. 1 показана схема устройства формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка, на Фиг. 2 приведены результаты моделирования устройства, расположенного в воздухе, показатель преломления материала первой правильной треугольной призмы равен 1,50, второй призмы 1,30. Размер ребра кубоида 2λх2λх2λ, где λ длина волны используемого излучения.In FIG. 1 shows a diagram of a photon-hook optical trap forming apparatus; FIG. 2 shows the simulation results of a device located in the air, the refractive index of the material of the first regular triangular prism is 1.50, the second prism is 1.30. The size of the cuboid edge is 2λx2λx2λ, where λ is the wavelength of the radiation used.

Обозначения: 1 - источник когерентного излучения; 2 - фокусирующее устройство, состоящее из двух частей в форме правильных треугольных призм сопряженных по диагонали; 3 - первая правильная треугольная призма, на боковую поверхность которой падает излучение с оптическим контрастом по отношению к окружающей среде равным примерно n₁/n₀ = 1,4-1,75, где n₀ и n₁ - показатели преломления окружающей среды и материала первой призмы; 4 - вторая правильная треугольная призма с показателем преломления материала менее показателя преломления материала первой правильной треугольной призмы n₂/n₁ в 0,8-1,2 раза, где n₂ - показатель преломления материала второй призмы; 5 - «фотонный крюк».Designations: 1 - source of coherent radiation; 2 - a focusing device consisting of two parts in the form of regular triangular prisms conjugated diagonally; 3 - the first regular triangular prism, on the side surface of which radiation with an optical contrast with respect to the environment is approximately n ₁ / n ₀ = 1.4-1.75, where n ₀ and n ₁ are the refractive indices of the environment and material first prism; 4 - the second regular triangular prism with a refractive index of the material less than the refractive index of the material of the first regular triangular prism n ₂ / n ₁ 0.8-1.2 times, where n ₂ is the refractive index of the material of the second prism; 5 - “photon hook”.

Устройство формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка работает следующим образом. Источник когерентного излучения 1 (лазер, диод Ганна, лампа обратной волны) облучает фокусирующее диэлектрическое устройство 2. Фокусирующее устройство 2 выполнено в форме кубоида состоящего из двух частей в форме правильных треугольных призм 3, 4 сопряженных по диагонали и выполненных из материалов с различными показателями преломления. Оптический контраст по отношению к окружающей среде первой правильной треугольной призмы 3, на боковую поверхность которой падает излучение, равен примерно 1,4-1,75. Показатель преломления материала второй правильной треугольной призмы 4 меньше показателя преломления материала первой правильной треугольной призмы 3 в 0,8-1,2 раза. При взаимодействии падающего на фокусирующее устройство 2 когерентного излучения внутри диэлектрического материала фокусирующего устройства 2 вследствие разных фазовых скоростей волнового фронта в центре и в области граней кубика 2 падающий волновой фронт излучения искажается и становится вогнутым, что приводит к его последующей фокусировке.A device for forming an optical trap in the form of a photon hook works as follows. A coherent radiation source 1 (laser, Gunn diode, backward wave lamp) irradiates a focusing dielectric device 2. The focusing device 2 is made in the form of a cuboid consisting of two parts in the form of regular triangular prisms 3, 4 conjugated diagonally and made of materials with different refractive indices . The optical contrast with respect to the environment of the first regular triangular prism 3, on the side surface of which radiation is incident, is approximately 1.4-1.75. The refractive index of the material of the second regular triangular prism 4 is less than the refractive index of the material of the first regular triangular prism 3 in 0.8-1.2 times. During the interaction of coherent radiation incident on the focusing device 2 inside the dielectric material of the focusing device 2 due to different phase velocities of the wavefront in the center and in the region of the faces of the cube 2, the incident radiation wavefront is distorted and becomes concave, which leads to its subsequent focusing.

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. The main edition of the physical and mathematical literature of the Nauka publishing house, 1973].

Для диэлектрических мезоразмерных объектов с соблюдений требований на величину оптического контраста размеры формируемых фотонных струй в продольном направлении составляют от долей до нескольких длин волн излучения, в поперечном - до 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 nonspherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: Brief review // Ann. Phys. (Berlin) 527, No. 7-8, 491-497 (2015) / DOI 10.1002/andp.201500132], что делает их незаменимыми в ряде приложений, включая микроскопы.For dielectric mesoscale objects, observing the requirements for the optical contrast, the sizes of the generated photonic jets in the longitudinal direction range from fractions to several radiation wavelengths, in the transverse direction to the radiation wavelength, i.e. less than the classical diffraction limit [Igor V. Minin, Oleg V. Minin, and Yuri E. Geints. Localized EM and photonic jets from nonspherical and non-symmetrical dielectric mesoscale objects: Brief review // Ann. Phys. (Berlin) 527, No. 7-8, 491-497 (2015) / DOI 10.1002 / andp.201500132], which makes them indispensable in a number of applications, including microscopes.

Для того чтобы придать криволинейную форму локальной области фокусировки (фотонной струе) 5, нужно изменить параметры фазового волнового фронта внутри кубика 2. Это достигается выполнением диэлектрического кубоида 2 с величиной ребра кубоида, равного (0,9-1,3)Nλ, где N - целое число, λ - длина волны используемого излучения в среде из двух частей в форме правильных треугольных призм 3, 4 сопряженных по диагонали и выполненных из материалов с различными показателями преломления.In order to give a curvilinear shape to the local focusing region (photon stream) 5, it is necessary to change the parameters of the phase wavefront inside the cube 2. This is achieved by performing a dielectric cuboid 2 with the value of the edge of the cuboid equal to (0.9-1.3) Nλ, where N is an integer, λ is the wavelength of the used radiation in a two-part medium in the form of regular triangular prisms 3, 4 conjugated diagonally and made of materials with different refractive indices.

Исследования показали, что для обеспечения условия формирования фотонных струй величина оптического контраста первой правильной призмы 3 должна находиться в диапазоне от 1,4 до 1,75, а показатель преломления материала второй правильной треугольной призмы 4 должен быть меньше показателя преломления материала первой правильной треугольной призмы 3 в 0,8-1,2 раз. Вне этого диапазона фотонная струя либо перестает обладать фокусирующими свойствами, либо практически не искривляется.Studies have shown that to ensure the conditions for the formation of photonic jets, the optical contrast value of the first regular prism 3 should be in the range from 1.4 to 1.75, and the refractive index of the material of the second regular triangular prism 4 should be less than the refractive index of the material of the first regular triangular prism 3 0.8-1.2 times. Outside this range, the photon stream either ceases to have focusing properties or practically does not bend.

В качестве диэлектриков с различными величинами показателя преломления могут использоваться, в зависимости от используемого спектрального диапазона, с различные стекла, полимеры, например, полиэтилен, полипропилен, политетраметилпентен, полистирол, фторопласт и т.д., керамика, пенопласты, композиционные материалы, искусственные материалы, и т.д.Depending on the used spectral range, various glasses, polymers, for example, polyethylene, polypropylene, polytetramethylpentene, polystyrene, fluoroplast, etc., ceramics, foams, composite materials, artificial materials, can be used as dielectrics with different values of the refractive index , etc.

Техническим результатом полезной модели является уменьшение продольных размеров фокусирующего устройства примерно в 2 раза, с одновременным упрощением его.The technical result of the utility model is to reduce the longitudinal dimensions of the focusing device by about 2 times, while simplifying it.

Положительный эффект оптической ловушки в виде фотонного крюка заключается в возможности воздействия на периферию объекта (микрочастицы) и уменьшению негативного воздействия лазерной ловушки на объекты биологического происхождения, а также в возможности субволновой фокусировки в криволинейную область для перемещения микрочастицы «за преграду».The positive effect of an optical trap in the form of a photon hook lies in the possibility of influencing the periphery of an object (microparticles) and reducing the negative impact of a laser trap on objects of biological origin, as well as the possibility of sub-wave focusing in a curvilinear region to move the microparticle “beyond the barrier”.

Claims

A device for forming an optical trap in the form of a photon hook, containing one or more sources of coherent radiation, a focusing device with a small focal length, made in the form of a dielectric particle made of a material that provides optical contrast with respect to the environment, and a microparticle located in the region of focused radiation characterized in that the focusing device is made in the form of a cuboid, consisting of two parts in the form of regular triangular prisms, paired along diagonals and made of materials with different refractive indices, with optical contrast with respect to the environment of the first regular triangular prism, on the lateral surface of which radiation is equal to about 1.4-1.75, and the refractive index of the material of the second regular triangular prism is less than the indicator the refraction of the material of the first regular triangular prism is 0.8-1.2 times.