RU2488905C1 - Method of moving opaque microobjects - Google Patents
Method of moving opaque microobjects Download PDFInfo
- Publication number
- RU2488905C1 RU2488905C1 RU2012101007/28A RU2012101007A RU2488905C1 RU 2488905 C1 RU2488905 C1 RU 2488905C1 RU 2012101007/28 A RU2012101007/28 A RU 2012101007/28A RU 2012101007 A RU2012101007 A RU 2012101007A RU 2488905 C1 RU2488905 C1 RU 2488905C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- beams
- opaque
- modes
- bessel
- microobjects
- Prior art date
Links
Images
Abstract
Description
Изобретение относится к области оптической микроскопии и оптической микроманипуляции.The invention relates to the field of optical microscopy and optical micromanipulation.
Одно из применений устройств, которые обычно называют "оптический пинцет" (optical tweezer), - перемещение и сборка элементов микромеханики специально сформированным световым пучком. Световой пучок за счет градиентных сил в пучке света перемещает одиночный или группу микрообъектов специальной формы (US патент 7622710, МПК G01B 21/06, опубл. 24.11.2009 г, US патент 6995351, МПК G01N 30/00, опубл. 11.08.2005 г., US патент 7678222, МПК G03H 1/00, опубл. 28.12.2006 г.).One of the applications of devices that are commonly called “optical tweezer” is the movement and assembly of micromechanical elements by a specially formed light beam. The light beam due to the gradient forces in the light beam moves a single or a group of micro-objects of a special shape (US patent 7622710, IPC G01B 21/06, published on November 24, 2009, US patent 6995351, IPC G01N 30/00, published on 08/11/2005 ., US patent 7678222, IPC
Недостатком всех указанных методов вращения является вихревой характер световых пучков для захвата непрозрачных микрообъектов. Это вызывает ненужное при перемещении вращение микрообъекта.The disadvantage of all these rotation methods is the vortex nature of the light beams for capturing opaque microobjects. This causes unnecessary rotation of the microobject when moving.
Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ перемещения микрообъектов, заключающийся в формировании вихревого светового пучка (US патент 6995351, МПК G01N 30/00, опубл. 11.08.2005 г.).The closest technical solution, selected as a prototype, is a method of moving microobjects, which consists in the formation of a vortex light beam (US patent 6995351, IPC G01N 30/00, published on 08/11/2005).
Главным недостатком этого способа является наличие вращающих микрообъект сил, что затрудняет сборку микромеханических систем этим методом и автоматизацию процесса сборки.The main disadvantage of this method is the presence of forces rotating the micro-object, which complicates the assembly of micromechanical systems by this method and the automation of the assembly process.
В основу изобретения поставлена задача - повысить производительность за счет возможности автоматизации процесса.The basis of the invention the task is to increase productivity due to the ability to automate the process.
Указанная задача достигается тем, что в способе перемещения группы непрозрачных микрообъектов, заключающимся в формировании светового пучка с замкнутыми областями нулевой интенсивности, согласно изобретению световой пучок формируют из нескольких пучков, сначала используют три соосных пучка Бесселя нулевого порядка с разными константами распространения, формируя устойчивый пучок в форме круглого пятна, затем эти пучки располагают в пространстве так, чтобы образовать одну или несколько замкнутых областей для захвата и перемещения непрозрачных микрочастиц.This problem is achieved by the fact that in the method of moving a group of opaque microobjects, which consists in forming a light beam with closed regions of zero intensity, according to the invention, the light beam is formed from several beams, first use three coaxial Bessel beams of zero order with different propagation constants, forming a stable beam in the shape of a round spot, then these beams are placed in space so as to form one or more closed areas for capture and movement not rozrachnyh microparticles.
Заявляемое техническое решение отличается от прототипа тем, что используется суперпозиция нескольких пучков Бесселя 0-го порядка, что позволяет формировать группу трехмерных оптических ловушек для непрозрачных микрообъектов без ограничения расстояния между ловушками и без полярного градиента фазы в каждой отдельной ловушке. Таким образом, убирается недостаток группы ловушек в виде обычных вихревых пучков, которые невозможно сближать на расстояние, меньшее их собственного диаметра, и которые вдобавок при захвате микрообъекта начинают его вращать.The claimed technical solution differs from the prototype in that a superposition of several 0-order Bessel beams is used, which allows one to form a group of three-dimensional optical traps for opaque microobjects without limiting the distance between the traps and without a polar phase gradient in each individual trap. Thus, the drawback of the group of traps in the form of ordinary vortex beams, which cannot be brought closer to a distance shorter than their own diameter, and which in addition, when capturing a micro-object begin to rotate it, is removed.
Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемых технических решений критерию "новизна". Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемым решениям соответствие критерию "существенные отличия".These differences allow us to conclude that the claimed technical solutions meet the criterion of "novelty." Signs that distinguish the claimed technical solution from the prototype are not identified in other technical solutions when studying this and related areas of technology and, therefore, provide the claimed solutions with the criterion of "significant differences".
На фиг.1 представлена оптическая схема устройства, реализующая способ.Figure 1 presents the optical circuit of the device that implements the method.
Устройство состоит из твердотельного лазера с длиной волны 532 нм и максимальной средней мощностью 500 мВт, поворотного зеркала 2 и полупрозрачного зеркала системы освещения, дифракционного оптического элемента 4, кюветы с микрообъектами 5, изображающего микрообъектива 6, поворотного зеркала 7 изображающей системы, CCD видеокамеры 8, управляющего компьютера 9, лампы осветителя 10, конденсатора осветителя 11, фокусирующего микрообъектива 12.The device consists of a solid-state laser with a wavelength of 532 nm and a maximum average power of 500 mW, a
Световая ловушка для непрозрачных микрообъектов в англоязычных научных статьях обычно называется optical "bootle" (оптическая «бутылка») или light "bootle" (световая «бутылка»). Предлагается для создания группы оптических «бутылок» использовать суперпозицию пучков (мод) Бесселя, имеющих разные параллельные друг другу оси распространения.The light trap for opaque micro-objects in English-language scientific articles is usually called optical "bootle" (optical "bottle") or light "bootle" (light "bottle"). It is proposed to create a group of optical “bottles” using a superposition of Bessel beams (modes) having different propagation axes parallel to each other.
Способ осуществляется следующим образом.The method is as follows.
На изготовленный дифракционный оптический элемент посылается пучок когерентного света с лазера. После дифракции на элементе формируется замкнутая по трем координатам двойная оптическая ловушка фиг.11.A laser beam is sent to the fabricated diffractive optical element. After diffraction on the element, a double optical trap closed in three coordinates of FIG. 11 is formed.
Как видно из фиг.11, двойная световая ловушка начинает формироваться на расстоянии 775 мм от элемента и замыкается на расстоянии 975 мм. При фокусировке указанным на фиг.1 микрообъективом продольная длина такой ловушки составляет всего 40 мкм.As can be seen from Fig. 11, a double light trap begins to form at a distance of 775 mm from the element and closes at a distance of 975 mm. When focusing with the micro-lens indicated in FIG. 1, the longitudinal length of such a trap is only 40 μm.
Для формирования группы оптических «бутылок» рассмотрим суперпозицию N пространственно разделенных мод Бесселя разных порядков с различными номерами корней функции Бесселя, т.е. различными значениями величин m, используемой при расчете фазовой функции ДОЭ, формирующего пучок Бесселя n-го порядкаTo form a group of optical “bottles”, we consider a superposition of N spatially separated Bessel modes of different orders with different numbers of the roots of the Bessel function, i.e. different values of m used in the calculation of the phase function of the DOE forming the n-th order Bessel beam
где αm=kρm,
Для вычисления суперпозиции N пространственно разделенных мод Бесселя использовалась следующая формула:To calculate the superposition of N spatially separated Bessel modes, the following formula was used:
с комплексными коэффициентами Ck для каждой отдельной моды.with complex coefficients C k for each individual mode.
Хотя для формирования одиночной оптической ловушки для непрозрачных микрообъектов существуют более простые способы, например использование составного аксикона, можно сформировать такую ловушку описанным выше методом, чтобы продемонстрировать универсальность предложенного подхода.Although there are simpler methods for forming a single optical trap for opaque microobjects, for example, using a composite axicon, you can create such a trap by the method described above to demonstrate the universality of the proposed approach.
Эти 27 мод расположены по схеме, представленной на фиг.2.These 27 modes are arranged according to the scheme shown in figure 2.
В данной и последующих схемах за единицу брался минимальный размер дифракционного пятна, формируемого заданным элементом на расстоянии z0 от входной плоскости при длине волны λ=532 нм.In this and subsequent schemes, the minimum size of the diffraction spot formed by a given element at a distance z 0 from the input plane at a wavelength of λ = 532 nm was taken as unity.
В каждой из позиций на схеме располагается суперпозиция из трех мод Бесселя 0-го порядка с одинаковыми значениями z0=800 мм, но с различными номерами корней функций Бесселя m=8, 9, 10. Для всех мод за исключением находящихся в центральной позиции коэффициенты Ck=1; для мод находящихся в центральной позиции Ck=1·eiπ.In each of the positions in the diagram, there is a superposition of three Bessel modes of the 0th order with the same values of z 0 = 800 mm, but with different numbers of the roots of the Bessel functions m = 8, 9, 10. For all modes except for the central position, the coefficients C k = 1; for modes located in the central position C k = 1 · e iπ .
На фиг.3 представлены амплитуда и фаза дифракционного оптического элемента, предназначенного для формирования одиночной ловушки.Figure 3 presents the amplitude and phase of a diffractive optical element designed to form a single trap.
Амплитудно-фазовое распределение элемента, формирующего такую суперпозицию, представлено на фиг.4.The amplitude-phase distribution of the element forming such a superposition is shown in Fig.4.
Если игнорировать амплитудную составляющую и рассматривать только фазу, то на расстояниях 780-880 мм при диаметре элемента 6 мм и диаметре освещающего пучка 4,4 мм получаются следующие распределения светового поля, представленные на фиг.4. Распределения получены через равные расстояния друг от друга (20 мм).If we ignore the amplitude component and consider only the phase, then at distances of 780-880 mm with an element diameter of 6 mm and a diameter of the illuminating beam of 4.4 mm, the following light field distributions are obtained, shown in Fig. 4. Distributions are obtained at equal distances from each other (20 mm).
Как видно из фиг.4, действительно формируется классическая оптическая «бутылка», закрытая по всем трем координатам. При этом относительно большой размер ловушки по оси распространения (100 мм) относится только к формированию ее в свободном пространстве. При фокусировке такого пучка микрообъективом 90× ее длина сокращается до 20 мкм. Эффективность ловушки составляет около 67%. Рассмотрим последовательно несколько все более сложных конфигураций оптических «бутылок». Будем последовательно увеличивать их количество.As can be seen from figure 4, really formed a classic optical "bottle", closed in all three coordinates. Moreover, the relatively large size of the trap along the propagation axis (100 mm) refers only to its formation in free space. When focusing such a beam with a 90 × micro lens, its length is reduced to 20 μm. Trap efficiency is about 67%. Let us examine successively several increasingly complex configurations of optical “bottles”. We will consistently increase their number.
Для формирования двойной световой «бутылки» потребуется суперпозиция большего количества мод Бесселя. В данном случае 45 мод Бесселя расположены по схеме, представленной на фиг.5.To form a double light “bottle”, a superposition of a larger number of Bessel modes is required. In this case, the 45 Bessel modes are arranged according to the scheme shown in Fig. 5.
В каждой из позиций на схеме располагается суперпозиция из тех же трех мод Бесселя 0-го порядка с одинаковыми значениями z0=800 мм, но с различными номерами корней функций Бесселя m=8, 9, 10 (как и для одиночной бутылки). Для всех мод коэффициенты Ck были действительными числами и равнялись:In each of the positions in the diagram, there is a superposition of the same three Bessel modes of the 0th order with the same values of z 0 = 800 mm, but with different numbers of the roots of the Bessel functions m = 8, 9, 10 (as for a single bottle). For all modes, the coefficients C k were real numbers and were equal to:
- для мод, находящихся в точках с координатами [1; -1], [1; 1], [-1; -1]; [-1; 1] Ck=2.75;- for modes located at points with coordinates [1; -eleven; eleven; -one]; [-one; 1] C k = 2.75;
- для мод, находящихся в точке с координатами [0; 0] Ck=2.25;- for modes located at a point with coordinates [0; 0] C k = 2.25;
- для остальных мод Ck=2.0;- for other modes C k = 2.0;
Амплитудно-фазовое распределение элемента, формирующего такую суперпозицию, представлено на фиг.6.The amplitude-phase distribution of the element forming such a superposition is shown in Fig.6.
Если игнорировать амплитудную составляющую и рассматривать только фазу, то на расстояниях 780-880 мм при диаметре элемента 6 мм и диаметре освещающего пучка 4,4 мм получаются следующие распределения светового поля (фиг.7). Распределения получены через равные расстояния друг от друга (20 мм).If we ignore the amplitude component and consider only the phase, then at distances of 780-880 mm with an element diameter of 6 mm and a diameter of the illuminating beam of 4.4 mm, the following light field distributions are obtained (Fig. 7). Distributions are obtained at equal distances from each other (20 mm).
Эффективность ловушки, по сравнению с одиночной, несколько снизилась и составила около 45%.The trap efficiency, in comparison with a single trap, decreased slightly and amounted to about 45%.
Для формирования трех соприкасающихся ловушек нужно 66 мод Бесселя расположить по схеме, представленной на фиг.8.To form three adjacent traps, 66 Bessel modes must be arranged according to the scheme shown in Fig. 8.
В каждой из позиций на схеме располагается суперпозиция из тех же трех мод Бесселя 0-го порядка с одинаковыми значениями z0=800 мм, но с различными номерами корней функций Бесселя m=8, 9, 10 (как и для одиночной бутылки). Для всех мод коэффициенты Ck были действительными числами и равнялись:In each of the positions in the diagram, there is a superposition of the same three Bessel modes of the 0th order with the same values of z 0 = 800 mm, but with different numbers of the roots of the Bessel functions m = 8, 9, 10 (as for a single bottle). For all modes, the coefficients C k were real numbers and were equal to:
- для мод, находящихся в точках с координатами [5; -1], [5; 1], [-5; -1]; [-5; 1] Ck=1.75;- for modes located at points with coordinates [5; -fifteen; fifteen; -one]; [-5; 1] C k = 1.75;
- для мод, находящихся в точке с координатами [3; -1]; [3; 1], [2; 0], [-2; -0]; [-3; -1], [-3; 1] Ck=2.25;- for modes located at a point with coordinates [3; -one]; [3; 12; 0], [-2; -0]; [-3; -13; 1] C k = 2.25;
- для мод, находящихся в точке с координатами [6; 0]; [-6; 0] Ck=1.5;- for modes located at a point with coordinates [6; 0]; [-6; 0] C k = 1.5;
- для мод, находящихся в точке с координатами [-1; -1]; [0; -2]; [1; -1]; [1; 1]; [-1; 1]; [0; 2] Ck=2.5;- for modes located at a point with coordinates [-1; -one]; [0; -2]; [one; -one]; [one; one]; [-one; one]; [0; 2] C k = 2.5;
- для остальных мод.- for the rest of the mod.
Амплитудно-фазовое распределение элемента, формирующего такую суперпозицию, представлено на фиг.9.The amplitude-phase distribution of the element forming such a superposition is shown in Fig.9.
Если игнорировать амплитудную составляющую и рассматривать только фазу, то на расстояниях 780-880 мм при диаметре элемента 6 мм и диаметре освещающего пучка 4,4 мм получаются следующие распределения светового поля (фиг.10). Распределения получены через равные расстояния друг от друга (20 мм). Эффективность данной световой ловушки 29%.If we ignore the amplitude component and consider only the phase, then at distances of 780-880 mm with an element diameter of 6 mm and a diameter of the illuminating beam of 4.4 mm, the following light field distributions are obtained (Fig. 10). Distributions are obtained at equal distances from each other (20 mm). The efficiency of this light trap is 29%.
Claims (1)
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012101007/28A RU2488905C1 (en) | 2012-01-11 | 2012-01-11 | Method of moving opaque microobjects |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
RU2012101007/28A RU2488905C1 (en) | 2012-01-11 | 2012-01-11 | Method of moving opaque microobjects |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2012101007A RU2012101007A (en) | 2013-07-20 |
RU2488905C1 true RU2488905C1 (en) | 2013-07-27 |
Family
ID=48791617
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
RU2012101007/28A RU2488905C1 (en) | 2012-01-11 | 2012-01-11 | Method of moving opaque microobjects |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
RU (1) | RU2488905C1 (en) |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2550990C1 (en) * | 2013-12-09 | 2015-05-20 | Государственное Научное Учреждение "Институт Физики Имени Б.И. Степанова Национальной Академии Наук Беларуси" | Method for optical capturing of particle in soft biological tissue |
RU167405U1 (en) * | 2016-06-08 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Mesoscale optical trap in a standing wave field based on two oncoming beams |
Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6995351B2 (en) * | 2002-01-16 | 2006-02-07 | The University Of Chicago | Multiple optical vortices for manipulating particles |
US7786432B2 (en) * | 2007-08-22 | 2010-08-31 | Raydium Semiconductor Corporation | Apparatus and method for changing optical tweezers |
-
2012
- 2012-01-11 RU RU2012101007/28A patent/RU2488905C1/en not_active IP Right Cessation
Patent Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
US6995351B2 (en) * | 2002-01-16 | 2006-02-07 | The University Of Chicago | Multiple optical vortices for manipulating particles |
US7786432B2 (en) * | 2007-08-22 | 2010-08-31 | Raydium Semiconductor Corporation | Apparatus and method for changing optical tweezers |
Cited By (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2550990C1 (en) * | 2013-12-09 | 2015-05-20 | Государственное Научное Учреждение "Институт Физики Имени Б.И. Степанова Национальной Академии Наук Беларуси" | Method for optical capturing of particle in soft biological tissue |
RU167405U1 (en) * | 2016-06-08 | 2017-01-10 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования "Сибирский государственный университет геосистем и технологий" (СГУГиТ) | Mesoscale optical trap in a standing wave field based on two oncoming beams |
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
RU2012101007A (en) | 2013-07-20 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
Komlenok et al. | Fabrication of a multilevel THz Fresnel lens by femtosecond laser ablation | |
Chen et al. | Holographic optical tweezers obtained by using the three-dimensional Gerchberg–Saxton algorithm | |
CN102385169A (en) | Three-dimensional dammann array generator | |
RU2488905C1 (en) | Method of moving opaque microobjects | |
CN202083830U (en) | Device for capturing high-refractive index particulate | |
RU161207U1 (en) | DEVICE FOR FORMING AN OPTICAL TRAP IN THE FORM OF A PHOTON HOOK | |
Zhou et al. | Backward flux re-deposition patterns during multi-spot laser ablation of stainless steel with picosecond and femtosecond pulses in air | |
RU195603U1 (en) | Device for forming an optical trap in the form of a photon hook | |
CN102116882A (en) | Novel cone lens generating single bottle beam | |
Louis et al. | Unravelling 3D dynamics and hydrodynamics during incorporation of dielectric particles to an optical trapping site | |
CN102122089A (en) | Liquid-crystal-optical-phased-array-based three-dimensional independent control methods for light beam focal points | |
Liu et al. | Optical transportation and accumulation of microparticles by self-accelerating cusp beams | |
Afanasiev et al. | Further development of the laser tweezers technique for biomedical applications | |
US9874502B2 (en) | Methods and device for trapping, moving and sorting particles contained in a fluid | |
RU160834U1 (en) | SUBWAVE OPTICAL TRAP IN THE STANDING WAVE FIELD | |
Skidanov et al. | Micromanipulation in higher-order Bessel beams | |
Gao et al. | Tunable gradient force of hyperbolic-cosine–Gaussian beam with vortices | |
RU182549U1 (en) | Subwavelength optical trap in the field of a standing wave based on a photon jet | |
Dharmavarapu et al. | Design and fabrication of holographic optical elements for the generation of tilted and accelerating Airy beams | |
CN104001692B (en) | A kind of device and method based on holographic optical tweezer principle cleaning material | |
RU156045U1 (en) | DEVICE FOR GRABING MICROPARTICLES IN AIR AND MANIPULATING THEIR POSITION IN SPACE | |
Ganchevskaya et al. | Vortex axicons for hypergeometric beams formation | |
RU2795383C1 (en) | Optical trap | |
Porfirev | Optical trapping of air-borne light-absorbing particles with various laser beams | |
Li et al. | High-resolution extraction of particle size via Fourier Ptychography |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20180112 |