RU207824U1 - DEVICE FOR FORMING AN OPTICAL TRAP IN THE SHAPE OF A PHOTON HOOK - Google Patents
DEVICE FOR FORMING AN OPTICAL TRAP IN THE SHAPE OF A PHOTON HOOK Download PDFInfo
- Publication number
- RU207824U1 RU207824U1 RU2021122163U RU2021122163U RU207824U1 RU 207824 U1 RU207824 U1 RU 207824U1 RU 2021122163 U RU2021122163 U RU 2021122163U RU 2021122163 U RU2021122163 U RU 2021122163U RU 207824 U1 RU207824 U1 RU 207824U1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- hook
- radiation
- optical
- environment
- edge
- Prior art date
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B82—NANOTECHNOLOGY
- B82Y—SPECIFIC USES OR APPLICATIONS OF NANOSTRUCTURES; MEASUREMENT OR ANALYSIS OF NANOSTRUCTURES; MANUFACTURE OR TREATMENT OF NANOSTRUCTURES
- B82Y20/00—Nanooptics, e.g. quantum optics or photonic crystals
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.В заявляемой полезной модели достигается технический эффект, заключающийся в осуществлении возможности субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме фотонного крюка устройства с каналом для микрофлюидных устройств.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 выполненное в форме прямоугольного параллелепипеда и микрочастицы, расположенной в области сфокусированного излучения. Фокусирующее устройство состоит из двух диэлектрических прямоугольных параллелепипедов, каждый из которых выполнен из материалов, обеспечивающих разный оптический контраст по отношению к окружающей среде и друг другу, расположенных параллельно друг другу большими боковыми поверхностями, разнесенными между собой на расстояние D и облучаемых по нормали со стороны их меньшей боковой поверхности электромагнитной волной с плоским фронтом, причем величина ребра меньшей стороны параллелепипеда выбирается не менее λ/2, величина ребра большей стороны каждого прямоугольного параллелепипеда выбирается в диапазоне примерно равного от 0,5λ до 5λ и расстояние D выбирается в диапазоне примерно равного от 0,1λ до 5λ, где λ - длина волны излучения в свободном пространстве. 1 з.п. ф-лы; 4 ил.The present utility model relates to the field of studying the properties of biological tissue particles and is intended to hold particles or manipulate them by creating an optical trap (laser tweezers) of a complex spatial shape - a photon hook. a curvilinear region in the form of a photonic hook of a device with a channel for microfluidic devices. to the environment and made in the form of a rectangular parallelepiped and a microparticle located in the area of focused radiation. The focusing device consists of two dielectric rectangular parallelepipeds, each of which is made of materials that provide a different optical contrast with respect to the environment and to each other, located parallel to each other by large side surfaces spaced apart by a distance D and irradiated along the normal from their side a smaller lateral surface by an electromagnetic wave with a flat front, and the size of the edge of the smaller side of the parallelepiped is chosen not less than λ / 2, the size of the edge of the larger side of each rectangular parallelepiped is selected in the range approximately equal from 0.5λ to 5λ and the distance D is selected in the range approximately equal to 0 , 1λ to 5λ, where λ is the radiation wavelength in free space. 1 wp f-ly; 4 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.This useful model relates to the field of studying the properties of biological tissue particles and is designed to hold particles or manipulate them by creating an optical trap (laser tweezers) of a complex spatial shape - a photonic hook.
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, а также во флюидных системах. 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.It can be used to study the structural, biophysical, morphological and optical properties of particles of biological tissue in vivo and their interaction with the environment to hold particles in a certain place of biological tissue or manipulate them, as well as in fluid systems. Methods of laser manipulation of microscopic and nanoscale objects are of great interest for biology, medicine, micromechanical technologies and are one of the rapidly developing areas of photonics. In this case, the functionality of optical tweezers is largely determined by the spatial structure of optical traps and the degree of focusing of radiation.
Ловушки в виде фотонного крюка полезны с точки зрения возможности воздействия на периферию объекта и уменьшения негативного воздействия лазерной ловушки на объекты биологического происхождения.Traps in the form of a photonic hook are useful in terms of the possibility of affecting the periphery of an object and reducing the negative impact 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]. 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 confinement of microscopic particles in a laser beam was first described in 1970 in the 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 evidenced 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.], 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.To "capture" a microparticle in optical tweezers (trap) technology, a highly focused laser beam is used. So, it is known [B.M. Yavorsky, A.A. Detlaf. Physics Handbook. M .: Science, 3rd edition. 1965. S. 347-348.] That when the flux density I of the light field changes along an arbitrary axis x, a force F grad of an electromagnetic nature arises, which acts on a dielectric particle falling into the spatial region of the specified 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 non-contact operations with small particles. The radiation intensity gradient pulls the particle into the beam waist, while the light pressure pushes it out along the optical axis. When the gradient force dominates, the particle is "caught" in the area of the focal point; otherwise, the particle moves along the optical axis ["optical tweezers" http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article1445]. Moreover, usually the longitudinal gradient of the field intensity is created due to the strong focusing of the light beam, which is provided due to the use of a microlens 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 focusing area of radiation for such a microlens has the form of an ellipsoid of rotation. The minimum size of the transverse axis of the ellipsoid of revolution at the half power level for an ideal aberration-free lens is 1.22λF / D, where λ is the wavelength of the radiation used, F is the distance from the lens to the focusing area, and D is the size of the lens aperture. The size of the longitudinal semiaxis of the ellipsoid is 8λ (F / D) 2 [Born M. Wolf E. Fundamentals of optics. Ed. 2nd. Translation from English. The main edition of physical and mathematical literature of the publishing house "Nauka", 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 the geometrical optics approximation, the phenomenon of an optical trap can be explained as follows. The inhomogeneous distribution of the electromagnetic field in the waist of a highly focused laser beam forms an effective potential well for particles located near the waist. A microparticle whose refractive index exceeds the refractive index of the environment and has dimensions greater than the wavelength of the incident light (for example, polystyrene and latex beads with a diameter of about 1 micron, 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 it enters the waist region of the laser beam, it refracts and scatters the incident radiation.
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 a transparent microparticle is located 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 the equilibrium position. If, as a result, for example, of 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. As a result of the law of conservation of momentum, forces acting on the microparticle arise and return it to the equilibrium position. In the equilibrium position, that is, when the microparticle is in the center of the laser beam waist, the resultant of these forces is zero. If the micro-object has a lower refractive index than the surrounding medium, 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 the 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 in the art to construct optical "tweezers" using the optical gradient forces of a single beam of light to control the location of a small dielectric particle immersed in a fluid whose refractive index is less than that of the particle.
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.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 caused by 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 with 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.For automatic movement of micro-objects along a trajectory, special focusing elements are used, which 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 the work [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. in fact, the focusators considered in this work formed a vortex field with a given intensity. In a number of works, focusing devices were used 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, in principle, it is no longer possible to form optical traps, the intensity distribution in the section of which will have a shape different from that of a ring. In addition, the manufacture of such elements is rather difficult, and manufacturing errors lead to a violation of the wavefront structure.
Известно устройство для формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка по патенту РФ 161207, содержащее один или несколько источников когерентного излучения, фокусирующее устройство с малым фокусным расстоянием и микрочастицу, расположенную в области сфокусированного излучения, при этом фокусирующее устройство выполнено в виде диэлектрической частицы из материала, обеспечивающего оптический контраст по отношению к окружающей среде равный 1,2-1,75 и имеющей 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.A device for forming an optical trap in the form of a photon hook is known according to RF patent 161207, containing one or more sources of coherent radiation, a focusing device with a small focal length and a microparticle located in the region of focused radiation, while the focusing device is made in the form of a dielectric particle made of material, providing an optical contrast with respect to the environment equal to 1.2-1.75 and having the shape of a cuboid, one edge of which is aligned 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 radiation used in the medium, while the radiation falls on the hypotenuse of the prism.
Достоинством устройства является возможность субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме фотонного крюка.The advantage of the device is the possibility of subwavelength focusing of radiation into a curved region in the form of a photonic hook.
Известна динамически управляемая оптическая ловушка по патенту РФ 195550, содержащая жидкокристаллический слой, обладающий эффектом двулучепреломления и расположенный между электродами, согласно полезной модели жидкокристаллический слой имеет форму кубоида, обеспечивающего оптический контраст по отношению к окружающей среде, равный 1,2-1,75 с величиной ребра, равного (0,9-1,3)Nλ, где N - целое число, λ - длина волны используемого излучения в среде и составлен из двух однородных треугольных призм, соединенных вдоль диагонали кубоида, c относительным показателем преломления а = N 2 /N 1 , находящимся в диапазоне примерно от 0,8 до 1,2, где N 2 - показатель преломления материала однородной треугольной призмы на входе устройства и N 1 - показатель преломления материала однородной треугольной призмы на выходе устройства.Known dynamically controlled optical trap according to RF patent 195550, containing a liquid crystal layer having the effect of birefringence and located between the electrodes, according to the utility model, the liquid crystal layer has the shape of a cuboid, providing an optical contrast with respect to the environment, equal to 1.2-1.75 with a value an edge equal to (0.9-1.3) Nλ, where N is an integer, λ is the wavelength of the radiation used in the medium and is composed of two homogeneous triangular prisms connected along the diagonal of the cuboid, with a relative refractive index a = N 2 / N 1 ranging from about 0.8 to 1.2, where N 2 is the refractive index of the homogeneous triangular prism material at the device inlet and N 1 is the refractive index of the homogeneous triangular prism material at the device outlet.
Достоинством устройства является возможность немеханическим способом изменять форму области фокусировки излучения и ее положение в пространстве для оперативного манипулирования микро- и наночастицами и возможность субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме фотонного крюка.The advantage of the device is the ability to non-mechanically change the shape of the radiation focusing region and its position in space for the operative manipulation of micro- and nanoparticles and the possibility of subwavelength focusing of radiation into a curved region in the form of a photonic hook.
Недостатком известных устройств является отсутствие канала для пропуска жидкости или газа через него и, как следствие, невозможность его применения в микрофлюидных системах [Б. Г. Беленький, Н. И. Комяк, В. Е. Курочкин, А. А. Евстрапов, В. Л. Суханов. Микрофлидные аналитические системы // Научное приборостроение, 2000, том 10, № 2, c. 3-13; Научное приборостроение, 2000, том 10, № 3, c. 3-16].The disadvantage of the known devices is the lack of a channel for passing a liquid or gas through it and, as a consequence, the impossibility of its use in microfluidic systems [B. G. Belenky, N. I. Komyak, V. E. Kurochkin, A. A. Evstrapov, V. L. Sukhanov. Microfleed analytical systems // Scientific Instrument Engineering, 2000, volume 10, no. 2, p. 3-13; Scientific instrument making, 2000, volume 10, no. 3, p. 3-16].
Известно устройство для формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка по патенту РФ 195603 и принятое за прототип, содержащее 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, при этом 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 равное 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.A device for forming an optical trap in the form of a photon hook is known according to RF patent 195603 and taken as a prototype, containing one or more sources of coherent radiation, a focusing device with a short 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 area of focused radiation, while the focusing device is made in the form of a cuboid, consisting of two parts in the form of regular triangular prisms mated diagonally and made of materials with different refractive indices, with an optical contrast with respect to the environment of the first regular triangular prism on the side surface of which radiation equal to about 1.4-1.75 falls and the refractive index of the material of the second regular triangular prism is 0.8-1.2 times less than the refractive index of the material of the first regular triangular prism.
Кубоид или прямоугольный параллелепипед - многогранник с шестью гранями, каждая из которых является в общем случае прямоугольником. Правильным или квадратным параллелепипедом называют параллелепипед, у которого два измерения равны, у такого параллелепипеда две (из шести) противолежащие грани представляют собой квадраты (https://ru.wikipedia.org/wiki/Прямоугольный_параллелепипед).Cuboid or rectangular parallelepiped - a polyhedron with six faces, each of which is generally a rectangle. A regular or square parallelepiped is a parallelepiped in which two dimensions are equal; in such a parallelepiped, two (out of six) opposite faces are squares (https://ru.wikipedia.org/wiki/Rectangular parallelepiped).
Достоинством устройства является возможность субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме фотонного крюка.The advantage of the device is the possibility of subwavelength focusing of radiation into a curved region in the form of a photonic hook.
Недостатком известных устройств является отсутствие канала для пропуска жидкости или газа через него и, как следствие, невозможность его применения в микрофлюидных системах.The disadvantage of the known devices is the absence of a channel for passing a liquid or gas through it and, as a consequence, the impossibility of its use in microfluidic systems.
Технической задачей полезной модели является создание простого устройства формирования фотонного крюка с каналом.The technical problem of the utility model is to create a simple device for the formation of a photonic hook with a channel.
Поставленная задача достигается тем, что устройство для формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка, содержащее 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 выполненное в форме прямоугольного параллепипеда и микрочастицы, расположенной в области сфокусированного излучения, новым является то, что фокусирующее устройство состоит из двух диэлектрических прямоугольных параллелепипедов каждый из которых выполнен из материалов, обеспечивающих разный оптический контраст по отношению к окружающей среде и к друг другу, расположенных параллельно друг другу большими боковыми поверхностями, разнесенными между собой на расстояние D и облучаемых по нормали со стороны их меньшей боковой поверхности электромагнитной волной с плоским фронтом, причем величина ребра меньшей стороны параллепипеда выбирается не менее λ/2, величина ребра большей стороны каждого прямоугольного параллепипеда выбирается в диапазоне примерно равном от 0,5λ до 5λ и расстояние D выбирается в диапазоне примерно равном от 0,1λ до 5λ, где λ - длина волны излучения в свободном пространстве. Кроме того, фокусирующее устройство расположено на прозрачной диэлектрической подложке.The task is achieved by the fact that a device for forming an optical trap in the form of a photonic hook, containing one or more sources of coherent radiation, a focusing device with a short focal length, made in the form of a dielectric particle made of a material that provides optical contrast with respect to the environment and made in the shape of a rectangular parallelepiped and a microparticle located in the area of focused radiation, the new one is that the focusing device consists of two dielectric rectangular parallelepipeds, each of which is made of materials that provide a different optical contrast with respect to the environment and to each other, located parallel to each other large lateral surfaces separated by a distance D and irradiated along the normal from the side of their smaller lateral surface by an electromagnetic wave with a flat front, and the size of the edge of the smaller side of the parallelepiped is chosen not less than λ / 2, the size of the edge of the larger side of each rectangular parallelepiped is selected in the range approximately equal to 0.5λ to 5λ and the distance D is selected in the range approximately equal to 0.1λ to 5λ, where λ is the radiation wavelength in free space. In addition, the focusing device is located on a transparent dielectric substrate.
На Фиг. 1 приведена схема предлагаемого устройства. FIG. 1 shows a diagram of the proposed device.
На Фиг. 2 приведена схема предложенного устройства, расположенного на прозрачной для излучения подложке. FIG. 2 shows a diagram of the proposed device located on a substrate transparent for radiation.
На Фиг. 3 приведено распределение интенсивности электромагнитного поля на фокусирующем устройстве состоящего из двух прямоугольных параллелепипедов с одинаковыми размерами и показателем преломления N1=N2=1,3 и, величина ребра большей стороны каждого прямоугольного параллепипеда равного примерно 2,8λ, расстояние между параллелепипедами 3λ. Формируется симметричная фотонная струя.FIG. 3 shows the distribution of the intensity of the electromagnetic field on a focusing device consisting of two rectangular parallelepipeds with the same dimensions and refractive index N 1 = N 2 = 1.3 and, the value of the edge of the larger side of each rectangular parallelepiped is approximately 2.8λ, the distance between the parallelepipeds is 3λ. A symmetric photonic jet is formed.
На Фиг. 4 приведено распределение интенсивности электромагнитного поля на фокусирующем устройстве состоящего из двух прямоугольных параллелепипедов с одинаковыми размерами и показателем преломления N1= 1,8, N2=1,4, величина ребра большей стороны каждого прямоугольного параллепипеда равного примерно 2λ, величина ребра меньшей стороны каждого прямоугольного параллепипеда равного примерно λ, расстояние между параллелепипедами равны соответственно (4, 3, 2) λ. Формируется несимметричная фотонная струя - фотонный крюк.FIG. 4 shows the distribution of the intensity of the electromagnetic field on a focusing device consisting of two rectangular parallelepipeds with the same dimensions and refractive index N 1 = 1.8, N 2 = 1.4, the value of the edge of the larger side of each rectangular parallelepiped equal to about 2λ, the value of the edge of the smaller side of each a rectangular parallelepiped equal to approximately λ, the distance between parallelepipeds is equal to (4, 3, 2) λ, respectively. An asymmetric photonic jet is formed - a photonic hook.
Обозначения: 1 - излучение освещающее фокусирующее устройство; 2, 3 - два прямоугольных параллелепипеда с одинаковыми размерами и показателями преломления N1 и N2; D - расстояние на которое разнесены прямоугольные параллелепипеды; 4 - «фотонный крюк»; 5 - прозрачная подложка.Designations: 1 - radiation illuminating focusing device; 2, 3 - two rectangular parallelepipeds with the same dimensions and refractive indices N 1 and N 2 ; D is the distance by which the rectangular parallelepipeds are spaced; 4 - "photonic hook"; 5 - transparent substrate.
Устройство формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка работает следующим образом. Источник когерентного излучения облучает электромагнитным излучением 1 фокусирующее устройство состоящее из двух прямоугольных параллелепипедов с одинаковыми размерами и показателями преломления материала N1 и N2 2, 3. Облучение электромагнитным излучением происходит по нормали со стороны меньшей боковой поверхности прямоугольных параллелепипедов 2, 3. Прямоугольные параллелепипеды 2, 3 расположены параллельно друг другу большими боковыми поверхностями и разнесены между собой на расстояние D, образуя щель или микроканал. The device for forming an optical trap in the form of a photonic hook works as follows. A source of coherent radiation irradiates with electromagnetic radiation 1 a focusing device consisting of two rectangular parallelepipeds with the same dimensions and refractive indices of material N 1 and
В результате дифракции и интерференции электромагнитного излучения на прямоугольных параллелепипедах 2, 3 формируется область фокусировки излучения. Формирование фотонной струи в форме фотонного крюка 4 возможно за счет явлений дифракции и интерференции волн на двух прямоугольных параллелепипедах 2, 3 каждый из которых выполнен из материалов, обеспечивающих разный оптический контраст по отношению к окружающей среде и к друг другу, разделенных между собой относительно большей боковой поверхности и размеров диэлектрических параллепипедов.As a result of diffraction and interference of electromagnetic radiation on
Установлено, что при величине ребра меньшей стороны параллепипеда 2, 3 не менее λ/2, величине ребра большей стороны каждого прямоугольного параллепипеда 2, 3 примерно равного от 0,5λ до 5λ и расстояния D в диапазоне примерно равного от 0,1λ до 5λ, где λ - длина волны излучения в свободном пространстве, возможно формирование фотонной струи в виде фотонного крюка.It was found that when the size of the edge of the smaller side of the
При величине ребра меньшей стороны параллепипеда 2, 3 менее λ, область фокусировки фокусирующего устройства не возникает.When the size of the edge of the smaller side of the
При величине ребра большей стороны каждого прямоугольного параллепипеда 2, 3 менее 0,5λ и более примерно 5λ, область фокусировки в виде фотонного крюка не формируется.When the size of the edge of the larger side of each
При расстоянии D менее примерно 0,1λ и более 5λ, область фокусировки в виде фотонного крюка не формируется.At a distance D less than about 0.1λ and more than 5λ, the focusing region in the form of a photonic hook is not formed.
Таким образом, сущность достигаемого положительного эффекта заключается в том, что фокусировка падающего излучения в криволинейную область, например, в виде фотонного крюка, достигается выбором величины оптического контраста материалов двух диэлектрических прямоугольников по отношению к окружающей среде и друг другу, их геометрических размеров и величины их разнесения друг относительно друга (размеров канала).Thus, the essence of the achieved positive effect lies in the fact that the focusing of the incident radiation into a curved region, for example, in the form of a photonic hook, is achieved by choosing the magnitude of the optical contrast of the materials of two dielectric rectangles with respect to the environment and each other, their geometric dimensions and their magnitude. spacing relative to each other (channel sizes).
Указанными факторами и достигается технический эффект заявляемой полезной модели, заключающийся в осуществлении возможности субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме фотонного крюка устройства с каналом для микрофлюидных устройств.These factors also achieve the technical effect of the claimed utility model, which consists in realizing the possibility of subwavelength focusing of radiation into a curved region in the form of a photonic hook of a device with a channel for microfluidic devices.
Особенностью такого устройства является его чрезвычайная простота и возможность динамического управления параметрами фотонного крюка, например, путем измерения расстояния между структурами.A feature of such a device is its extreme simplicity and the ability to dynamically control the parameters of the photonic hook, for example, by measuring the distance between structures.
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021122163U RU207824U1 (en) | 2021-07-27 | 2021-07-27 | DEVICE FOR FORMING AN OPTICAL TRAP IN THE SHAPE OF A PHOTON HOOK |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2021122163U RU207824U1 (en) | 2021-07-27 | 2021-07-27 | DEVICE FOR FORMING AN OPTICAL TRAP IN THE SHAPE OF A PHOTON HOOK |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU207824U1 true RU207824U1 (en) | 2021-11-18 |
Family
ID=78610858
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2021122163U RU207824U1 (en) | 2021-07-27 | 2021-07-27 | DEVICE FOR FORMING AN OPTICAL TRAP IN THE SHAPE OF A PHOTON HOOK |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU207824U1 (en) |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070114371A1 (en) * | 2005-10-19 | 2007-05-24 | Hamamatsu Photonics K.K. | Optical tweezers |
| UA32883U (en) * | 2007-11-30 | 2008-06-10 | Таврический Национальный Университет Им. В.И. Вернадского | Vortex optical trap for micro-particles |
| RU195550U1 (en) * | 2019-10-16 | 2020-01-31 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий (СГУГиТ) | Dynamically controlled optical trap |
| RU195603U1 (en) * | 2019-11-06 | 2020-02-03 | 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 |
| RU202241U1 (en) * | 2020-10-08 | 2021-02-08 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет геосистем и технологий» (СГУГиТ) | Subwavelength optical trap in a standing wave field based on a photonic jet |
-
2021
- 2021-07-27 RU RU2021122163U patent/RU207824U1/en active
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070114371A1 (en) * | 2005-10-19 | 2007-05-24 | Hamamatsu Photonics K.K. | Optical tweezers |
| UA32883U (en) * | 2007-11-30 | 2008-06-10 | Таврический Национальный Университет Им. В.И. Вернадского | Vortex optical trap for micro-particles |
| RU195550U1 (en) * | 2019-10-16 | 2020-01-31 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий (СГУГиТ) | Dynamically controlled optical trap |
| RU195603U1 (en) * | 2019-11-06 | 2020-02-03 | 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 |
| RU202241U1 (en) * | 2020-10-08 | 2021-02-08 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет геосистем и технологий» (СГУГиТ) | Subwavelength optical trap in a standing wave field based on a photonic jet |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Sukhov et al. | Non-conservative optical forces | |
| Čižmár et al. | The holographic optical micro-manipulation system based on counter-propagating beams | |
| Li et al. | Spinning of particles in optical double-vortex beams | |
| 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 | |
| RU202241U1 (en) | Subwavelength optical trap in a standing wave field based on a photonic jet | |
| Savelyev | The comparison of laser radiation focusing by diffractive axicons and annular gratings with variable height using high-performance computer systems | |
| Cheng et al. | Optical trapping of a dielectric-covered metallic microsphere | |
| RU207824U1 (en) | DEVICE FOR FORMING AN OPTICAL TRAP IN THE SHAPE OF A PHOTON HOOK | |
| RU195550U1 (en) | Dynamically controlled optical trap | |
| RU160834U1 (en) | SUBWAVE OPTICAL TRAP IN THE STANDING WAVE FIELD | |
| Kotsifaki et al. | Efficient and low cost multiple optical trap, based on interference | |
| US7718953B2 (en) | Electromagnetic/optical tweezers using a full 3D negative-refraction flat lens | |
| RU182549U1 (en) | Subwavelength optical trap in the field of a standing wave based on a photon jet | |
| RU181220U1 (en) | SUBWAVE OPTICAL PIPETER DEVICE | |
| Prabakaran et al. | Creation of Multiple Subwavelength Focal Spot Segments Using Phase Modulated Radially Polarized Multi Gaussian Beam | |
| RU2781504C1 (en) | Apparatus for forming an optical trap with chiral symmetry | |
| Han | Scattering of a high-order Bessel beam by a spheroidal particle | |
| Porfirev et al. | Investigation of properties of nonlinear spiral phase plates | |
| Shostka et al. | The method of polarization filtering for implementation of the optical manipulator | |
| Zhu et al. | A vectorial model for the nonlinear gradient force exerted on metallic Rayleigh nanoparticles | |
| Al-Awfi et al. | Generation of surface optical vortices by evanescent Bessel beams | |
| Yang et al. | A new method based on conservation momentum to calculate the trapping force using FDTD algorithm | |
| Suresh | Novel Beam Shaping | |
| Brzobohatý et al. | Advanced optical manipulation with tailored counter-propagating laser beams |