RU2781504C1 - Apparatus for forming an optical trap with chiral symmetry - Google Patents
Apparatus for forming an optical trap with chiral symmetry Download PDFInfo
- Publication number
- RU2781504C1 RU2781504C1 RU2021133247A RU2021133247A RU2781504C1 RU 2781504 C1 RU2781504 C1 RU 2781504C1 RU 2021133247 A RU2021133247 A RU 2021133247A RU 2021133247 A RU2021133247 A RU 2021133247A RU 2781504 C1 RU2781504 C1 RU 2781504C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- radiation
- optical
- optical trap
- focusing
- forming
- Prior art date
Links
- 230000003287 optical Effects 0.000 title claims abstract description 47
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims abstract description 31
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 claims abstract description 20
- 239000000463 material Substances 0.000 claims abstract description 12
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract description 3
- 238000000386 microscopy Methods 0.000 abstract description 3
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 abstract description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 abstract description 2
- 210000001519 tissues Anatomy 0.000 abstract description 2
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 210000001624 Hip Anatomy 0.000 description 11
- 238000000651 laser trapping Methods 0.000 description 3
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 2
- 230000001427 coherent Effects 0.000 description 2
- 230000000875 corresponding Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 230000005653 Brownian motion process Effects 0.000 description 1
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 1
- 125000004429 atoms Chemical group 0.000 description 1
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 238000005537 brownian motion Methods 0.000 description 1
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 230000004907 flux Effects 0.000 description 1
- 238000005755 formation reaction Methods 0.000 description 1
- 230000001678 irradiating Effects 0.000 description 1
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 1
- 230000014759 maintenance of location Effects 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 230000001264 neutralization Effects 0.000 description 1
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 1
Images
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к области изучения свойств частиц биологической ткани и наночастиц, и предназначено для удерживания частиц или манипулирования ими путем создания оптической ловушки (лазерного пинцета) и может быть использовано для связи и оптической вихревой микроскопии.The present invention relates to the field of studying the properties of biological tissue particles and nanoparticles, and is intended for holding particles or manipulating them by creating an optical trap (laser tweezers) and can be used for communication and optical vortex microscopy.
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 the retention 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 capturing and cooling atoms using an optical trap.
Для «захвата» микрочастицы в технологии оптического пинцета (ловушки) используется сильно сфокусированный 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 x 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 x, 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).To "capture" a microparticle in the technology of optical tweezers (traps), a highly focused laser beam is used. So, it is known (B.M. Yavorsky, A.A. Detlaf. Handbook of Physics. M .: Nauka, 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 Fgrad is called gradient and is used in optical traps (laser tweezers) to capture, move and perform other non-contact operations with small particles.The radiation intensity gradient pulls the particle into the beam waist region, while the 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://thes aurus.rusnano.com/wiki/article1445).
Продольный градиент интенсивности поля создается за счет сильной фокусировки светового пучка, которая обеспечивается благодаря использованию микрообъектива (линзы) с высокой числовой апертурой.The longitudinal field intensity gradient is created due to the strong focusing of the light beam, which is ensured by using a microobjective (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 area of such a microobjective has the form of an ellipsoid of revolution. The minimum size of the transverse axis of the ellipsoid of revolution at half power level for an ideal aberration-free lens is 1.22 λF/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 semiaxis of the ellipsoid is 8 λ(F/D) 2 (Born M. Wolf E. Fundamentals of Optics. 2nd ed. Translation from English. The main edition of the physical and mathematical literature of the Nauka publishing house, 1973).
Так как фокус сфокусированного пучка является максимумом интенсивности в продольном распределении пучка (Борн М. Вольф Э. Основы оптики. Изд. 2-е. Перевод с английского. Главная редакция физико-математической литературы изд-ва «Наука», 1973), то частица притягивается в фокус, т.е. при отсутствии других сил микрообъект будет двигаться в сторону фокуса. Для этого пучок света должен быть как можно более сильно сфокусированным. Т.е. если прозрачная микрочастица находится в центре перетяжки пучка, то направление и величина суммарного импульса света после прохождения светового пучка через частицу не меняется, и 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).Since the focus of a focused beam is the intensity maximum in the longitudinal distribution of the beam (Born M. Wolf E. Fundamentals of Optics. 2nd ed. is attracted to the focus, i.e. in the absence of other forces, the micro-object will move towards the focus. To do this, the beam of light must be as strongly focused as possible. Those. if a transparent microparticle is located at the center of the beam waist, then the direction and magnitude of the total light momentum after the passage of the light beam through the particle does not change, and it is in the equilibrium position. If, for example, as a result of Brownian motion, the microparticle is displaced in any direction relative to the waist center, the direction of the total light momentum changes after refraction and scattering by the particle. As a result of the law of conservation of momentum, forces acting on the microparticle appear, returning it to the equilibrium position. In an equilibrium position, that is, when the microparticle is in the center of the laser beam waist, the resultant of these forces is equal to zero. If the micro-object has a lower refractive index than the environment, then under the action of a 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).
Известно устройство, 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 FP давления света на частицу, формируемыми одним или несколькими лазерными источниками. Эти силы действуют в направлении распространения излучения. Устройство состоит из источника излучения (лазер), генерирующего свет с фиксированной длиной волны, фокусирующего устройства в виде осесимметричной собирающей линзы с малым фокусным расстоянием, и микрочастицы, расположенной в области сфокусированного излучения (А. Эшкин. Давление лазерного излучения. УФН, Том 110, вып. 1, С. 101-116 (1973 г.)).A device is known that implements the known method (A. Ashkin. Apparatuses for trapping and accelerating neutral particles. US Patent No. 370279.
Известно устройство оптической ловушки (Ghislain L.P., Webb W.W. Scanning-force microscope based on an optical trap // Opt. Lett. Vol. 18, Issue 19, pp. 1678-1680 (1993) doi: 10.1364/OL.18.001678), включающее в себя источник излучения (лазер), генерирующего свет с фиксированной длиной волны, фокусирующего устройства 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 микрочастицу, расположенную в области сфокусированного излучения.An optical trap device is known (Ghislain LP, Webb WW Scanning-force microscope based on an optical trap // Opt. Lett. Vol. 18, Issue 19, pp. 1678-1680 (1993) doi: 10.1364/OL.18.001678), including a radiation source (laser) that generates light with a fixed wavelength, a focusing device in the form of an axisymmetric converging lens with a small focal length, in the focus area (beam waist) of which a large gradient of the light field and the corresponding force F grad and a microparticle located in areas of focused radiation.
Известна оптическая ловушка в поле стоячей волны (Zemanek P. et al. Optical trapping of Rayleigh particles using a Gaussian standing wave // Opt. Commun. 1998. V. 151. P. 273-285), включающая в себя источник излучения (лазер), генерирующий свет с фиксированной длиной волны, фокусирующее устройство в виде осесимметричной собирающей линзы с малым фокусным расстоянием, в области фокуса (перетяжки пучка) которой формируется большой градиент светового поля и соответствующая сила F grad, и микрочастицу, расположенную в области сфокусированного излучения, при этом со стороны, противоположной направлению падения излучения на микрочастицу, позади микрочастицы расположен плоский экран, отражающий падающее на нее излучение.Known optical trap in the field of a standing wave (Zemanek P. et al. Optical trapping of Rayleigh particles using a Gaussian standing wave // Opt. Commun. 1998. V. 151. P. 273-285), which includes a radiation source (laser ), which generates light with a fixed wavelength, a focusing device in the form of an axisymmetric converging lens with a small focal length, in the focus region (beam waist) of which a large gradient of the light field and the corresponding force F grad are formed, and a microparticle located in the region of focused radiation, at At the same time, from the side opposite to the direction of radiation incidence on the microparticle, behind the microparticle there is a flat screen reflecting the radiation incident on it.
Все известные технические решения оптических ловушек обладают существенными недостатками: с помощью классических линз и объективов невозможно получить сфокусированный пучок с размером перетяжки (в поперечном относительно направления распространения излучения) размером меньше дифракционного предела, большие габариты устройства, невозможностью получить сфокусированный пучок с хиральными боковыми лепестками.All known technical solutions of optical traps have significant drawbacks: using classical lenses and objectives, it is impossible to obtain a focused beam with a waist size (transverse relative to the direction of radiation propagation) smaller than the diffraction limit, large dimensions of the device, and the impossibility of obtaining a focused beam with chiral side lobes.
Известна оптическая ловушка по патенту РФ 160834, содержащая источник излучения (лазер), фокусирующее устройство обеспечивающее формирование фотонной струи в режиме на отражение, микрочастицу, расположенную в области фокуса сфокусированного падающего на нее излучения, а позади микрочастицы расположен плоский экран, отражающий падающее на него излучение.An optical trap is known according to RF patent 160834, containing a radiation source (laser), a focusing device that provides the formation of a photonic jet in the reflection mode, a microparticle located in the focus area of the focused radiation incident on it, and behind the microparticle there is a flat screen that reflects the radiation incident on it .
Известно устройство для формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка (Патент РФ 161207) 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 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 и микрочастицу, расположенную в области сфокусированного излучения.A device for forming an optical trap in the form of a photon hook (RF Patent 161207) is known, containing 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 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 an edge size coinciding with the size of the cuboid edge, 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 is incident on the hypotenuse of the prism and a microparticle located in the region of focused radiation.
Известно устройство для формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка по патенту РФ 195603, 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, 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.A device for forming an optical trap in the form of a photon hook according to RF patent 195603 is known, 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 microparticles, 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, conjugated diagonally and made of materials with different refractive indices, with optical contrast with respect to the environment of the first regular triangular prism, on the side surface of which radiation is incident, equal to approximately 1.4-1.75, and the refractive index of the material of the second regular triangular prism is less than the refractive index of the material of the first regular triangular prism by 0.8-1.2 times.
Известно устройство мезомасштабной оптической ловушки в поле стоячей волны на основе двух встречных пучков (Патент РФ 167405), состоящее из последовательно расположенных источника излучения, первого устройства формирования области фокусировки, регистрируемой частицы, второго устройства формирования области фокусировки, расположенного навстречу первому устройству формирования области фокусировки, и второго источника излучения, при этом оба устройства формирования области фокусировки выполнены в виде мезомасштабных диэлектрических частиц, формирующих фотонные струи, кроме того, как минимум один источник излучения выполнен с возможностью изменения длины волны излучения. Мезомасштабные диэлектрические частицы быть выполнены в виде диэлектрических частиц различной формы, например, сферы, кубоида, пирамиды, осесимметричной пирамиды, цилиндра и т.д., с характерным размером порядка длины волны используемого излучения, при этом параметры формируемой фотонной струи слабо зависят от формы мезоразмерной диэлектрической частицы.A device for a mesoscale optical trap in the field of a standing wave based on two colliding beams is known (RF Patent 167405), consisting of a radiation source located in series, a first device for forming a focusing region, a detected particle, a second device for forming a focusing region, located opposite the first device for forming a focusing region, and a second radiation source, both devices for forming the focusing area are made in the form of mesoscale dielectric particles that form photonic jets, in addition, at least one radiation source is configured to change the radiation wavelength. Mesoscale dielectric particles can be made in the form of dielectric particles of various shapes, for example, a sphere, a cuboid, a pyramid, an axisymmetric pyramid, a cylinder, etc., with a characteristic size of the order of the wavelength of the radiation used, while the parameters of the formed photonic jet weakly depend on the shape of the mesoscale dielectric particle.
Известна динамически управляемая оптическая ловушка (Патент РФ 195550), содержащая жидкокристаллический слой, обладающий эффектом двулучепреломления, расположенный между электродами и имеющий 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 N1 – показатель преломления материала однородной треугольной призмы на выходе устройства.A dynamically controlled optical trap is known (RF Patent 195550), containing a liquid crystal layer with a birefringence effect, located between the electrodes and having the shape of a cuboid, providing an optical contrast with respect to the environment, equal to 1.2-1.75 with an edge value 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 uniform triangular prisms connected along the cuboid diagonal, with a relative refractive indexa=N 2 /N one , ranging from about 0.8 to 1.2, whereN 2 -the refractive index of the material of a uniform triangular prism at the input of the device and None -refractive index of the material of a uniform triangular prism at the output of the device.
Достоинством всех известных устройств оптических ловушек являются получение сфокусированного пучка с размером перетяжки менее дифракционного предела, малые габариты.The advantage of all known optical trap devices is the production of a focused beam with a waist size less than the diffraction limit, small dimensions.
Недостатком известных устройств является невозможность получить сфокусированный пучок с боковыми лепестками с хиральной симметрией.The disadvantage of the known devices is the inability to obtain a focused beam with side lobes with chiral symmetry.
В качестве прототипа выбрано устройство для формирования оптической ловушки с хиральными боковыми лепестками, приведенное в работе Minin I.V., Minin O.V., and 4 more. Experimental demonstration of Square Fresnel zone plate with chiral side lobes // Applied Optics. 2017. Vol. 56, № 13. P. 128-133), содержащее источник излучения (лазер) с линейной поляризацей излучения и генерирующий свет с фиксированной длиной волны, фокусирующее устройство в виде киральной квадратной зонной пластиной Френеля, с границами зон полученных путем поворота зон полупериода относительно друг друга, и микрочастицы, расположенной в области сфокусированного излучения.A device for forming an optical trap with chiral side lobes, described in Minin I.V., Minin O.V., and 4 more, was chosen as a prototype. Experimental demonstration of Square Fresnel zone plate with chiral side lobes // Applied Optics. 2017 Vol. 56, No. 13. P. 128-133), containing a radiation source (laser) with a linear polarization of radiation and generating light with a fixed wavelength, a focusing device in the form of a chiral square Fresnel zone plate, with the boundaries of the zones obtained by rotating the half-period zones relative to each other friend, and microparticles located in the area of focused radiation.
Достоинством устройства является то, что поворот зон полупериода относительно друг друга в квадратной зонной пластине, в свою очередь, закручивает боковые лепестки дифракционной картины без изменения ее фокусирующих свойств. Как следствие, профиль сфокусированного пучка является гибридным, состоящим из сильного центрального гауссова фокального пятна с градиентной силой, аналогичной силе, создаваемой линзой, и скрученных боковых лепестков с орбитальным угловым моментом.The advantage of the device is that the rotation of the half-period zones relative to each other in the square zone plate, in turn, twists the side lobes of the diffraction pattern without changing its focusing properties. As a consequence, the focused beam profile is a hybrid, consisting of a strong central Gaussian focal spot with a gradient force similar to that produced by a lens, and twisted side lobes with orbital angular momentum.
Было обнаружено, что такая оптическая ловушка позволяет захватывать объекты в большей пространственной области, в отличие от обычного захвата, где пятно должно быть перекрыто частицей, по крайней мере частично, чтобы захватить ее. Кроме того, такие оптические ловушки могут быть полезны для связи и оптической вихревой микроскопии (Ł. Płocinniczak, A. Popiołek-Masajada, J. Masajada, and M. Szatkowski, Analytical model of the optical vortex microscope // Appl. Opt. 55, B20–B27 (2016)).It has been found that such an optical trap allows objects to be captured over a larger spatial area, as opposed to conventional capture, where the spot must be covered at least partially by the particle in order to capture it. In addition, such optical traps can be useful for communication and optical vortex microscopy (Ł. Płocinniczak, A. Popiołek-Masajada, J. Masajada, and M. Szatkowski, Analytical model of the optical vortex microscope // Appl. Opt. 55, B20–B27 (2016)).
Недостатком известного устройства формирования оптической ловушки с сфокусированным пучком с боковыми лепестками с хиральной симметрией является то, что с помощью классических линз невозможно получить сфокусированный пучок с размером перетяжки (в поперечном относительно направления распространения излучения) размером меньше дифракционного предела и большие габариты устройства, не менее (10-20)λ, где λ длина волны излучения, облучающего линзу, для обеспечения возможности фокусировки излучения, при этом область фокусировки излучения находится на расстоянии от поверхности линзы.A disadvantage of the known device for forming an optical trap with a focused beam with side lobes with chiral symmetry is that using classical lenses it is impossible to obtain a focused beam with a waist size (in the transverse direction of radiation propagation) smaller than the diffraction limit and large dimensions of the device, not less than (10-20)λ, where λ is the radiation wavelength, irradiating the lens, to enable focusing of the radiation, while the area of focusing of the radiation is at a distance from the surface of the lens.
Технической задачей изобретения является уменьшение габаритов устройства.The technical objective of the invention is to reduce the size of the device.
Поставленная задача решается тем, что устройство для формирования оптической ловушки с хиральной симметрией, состоящее из источника излучения (лазер) генерирующего свет, фокусирующего устройства и микрочастицы, расположенной в области сфокусированного излучения, согласно изобретения фокусирующее устройство выполнено в виде диэлектрической частицы из материала, обеспечивающего оптический контраст по отношению к окружающей среде не более примерно 2,1-2,2, имеющей форму правильного гексáэдра, с размерами ребра не менее λ/2 и не более примерно 5λ, где λ - длина волны излучения и облучаемое по нормали к ее грани излучением с круговой поляризацией.The problem is solved by the fact that the device for forming an optical trap with chiral symmetry, consisting of a radiation source (laser) generating light, a focusing device and a microparticle located in the area of focused radiation, according to the invention, the focusing device is made in the form of a dielectric particle from a material that provides optical contrast with the environment is not more than about 2.1-2.2, having the shape of a regular hexahedron, with edge sizes not less than λ / 2 and not more than about 5λ, where λ is the radiation wavelength and irradiated normal to its face by radiation with circular polarization.
Заявителем не выявлены какие-либо технические решения, идентичные заявленному, что позволяет сделать вывод о соответствии настоящей заявки на изобретение критерию «новизна».The Applicant has not identified any technical solutions identical to the claimed one, which allows us to conclude that the present application for the invention complies with the "novelty" criterion.
Заявителем не выявлены источники информации, в которых содержались бы сведения о влиянии отличительных признаков заявки на изобретение на достигаемый технический результат. Указанные новые свойства объекта обуславливают, по мнению заявителя, соответствие изобретения критерию «изобретательский уровень».The applicant has not identified sources of information that would contain information about the impact of the distinctive features of the application for the invention on the achieved technical result. These new properties of the object determine, according to the applicant, the compliance of the invention with the criterion of "inventive step".
На Фиг. 1 показана схема предлагаемого устройства.On FIG. 1 shows a diagram of the proposed device.
На Фиг. 2 представлен пример результатов вычислительного эксперимента по фокусировке излучения с различной поляризацией диэлектрическим правильным гексáэдром в воздухе с показателем преломления, примерно равным 2,1-2,2, и размером ребра 2λ, где λ – длина волны освещающего излучения: а – линейная поляризация (Е поле); б – линейная диагональная поляризация (Е поле); в – круговая поляризация (Е поле). Моделирование проводилось с помощью численного решения уравнений Максвелла.On FIG. Figure 2 shows an example of the results of a computational experiment on focusing radiation with different polarizations by a dielectric regular hexahedron in air with a refractive index approximately equal to 2.1-2.2 and an edge size of 2λ, where λ is the wavelength of the illuminating radiation: a is the linear polarization (E field); b – linear diagonal polarization (E field); c – circular polarization (E field). The simulation was carried out using the numerical solution of Maxwell's equations.
Обозначения: 1 – источник оптического излучения (лазер); 2 – оптическое излучение с круговой поляризацией; 3 – фокусирующее устройство в виде диэлектрического правильного гексáэдра с относительным показателем преломления примерно равным 2,1-2,2 и размером ребра (2-3)λ, где λ – длина волны освещающего излучения; 4 – область фокусировки; 5 – захватываемая микрочастица.Designations: 1 – source of optical radiation (laser); 2 – optical radiation with circular polarization; 3 - a focusing device in the form of a dielectric regular hexahedron with a relative refractive index of approximately 2.1-2.2 and an edge size (2-3)λ, where λ is the wavelength of the illuminating radiation; 4 - focus area; 5 – captured microparticle.
Устройство для формирования оптической ловушки с хиральной симметрией работает следующим образом. Источник оптического излучения 1 облучает фокусирующее устройство 3, выполненное в виде диэлектрической частицы в виде правильного гексáэдра из материала, обеспечивающего оптический контраст по отношению к окружающей среде не более примерно 2,1-2,2, с размерами ребра правильного гексáэдра не менее λ/2, где λ – длина волны излучения. Облучение излучением с круговой поляризацией 2 происходит по нормали к грани правильного гексáэдра. При этих условиях на выходе правильного гексáэдра, в результате дифракции и интерференции волн, непосредственно на теневой поверхности правильного гексáэдра формируется область фокусировки излучения 4 с размером перетяжки менее дифракционного предела, в которой находится захватываемая микрочастица 5. Уменьшение величины перетяжки области фокусировки по сравнению с размером перетяжки линзы (прототипа) приводит к увеличению плотности энергии в области фокусировки.A device for forming an optical trap with chiral symmetry operates as follows. The source of
При оптическом контрасте по отношению к окружающей среде более примерно 2,2 и величине ребра правильного гексáэдра более 5λ область фокусировки излучения формируется внутри правильного гексáэдра. При размере ребра правильного гексáэдра менее 0,5λ фокусировки излучения не происходит.When the optical contrast with respect to the environment is more than about 2.2 and the size of the edge of the regular hexahedron is more than 5λ, the radiation focusing region is formed inside the regular hexahedron. When the edge size of a regular hexahedron is less than 0.5λ, radiation is not focused.
В результате экспериментов было установлено, что область фокусировки имеет сложный характер и состоит из центрального гауссова фокального пятна с градиентной силой, с размером перетяжки менее дифракционного предела и скрученных боковых лепестков с орбитальным угловым моментом. Были рассчитаны оптические поля в фокальной плоскости, и было обнаружено, что они обладают профилем вихревой фазы и скрученным профилем интенсивности. Анализ изменения поля вдоль направления распространения выявил спиральное распределение фазы и амплитуды. Векторная диаграмма Пойнтинга полей выявила наличие углового момента в областях хиральных боковых лепестков.As a result of the experiments, it was found that the focusing area has a complex character and consists of a central Gaussian focal spot with a gradient force, with a waist size less than the diffraction limit, and twisted side lobes with an orbital angular momentum. The optical fields in the focal plane were calculated and found to have a vortex phase profile and a twisted intensity profile. An analysis of the change in the field along the direction of propagation revealed a helical distribution of the phase and amplitude. The Poynting vector diagram of the fields revealed the presence of angular momentum in the regions of chiral side lobes.
Максимальная интенсивность хиральных боковых лепестков вихря в плоскости изображения составляет около 25 % от максимальной интенсивности центрального лепестка.The maximum intensity of the chiral side lobes of the vortex in the image plane is about 25% of the maximum intensity of the central lobe.
Область фокусировки возникает непосредственно на теневой поверхности правильного гексáэдра.The focus area appears directly on the shadow surface of a regular hexahedron.
Положительный эффект устройства для формирования оптической ловушки с хиральной симметрией заключается в возможности уменьшения габаритов устройства не менее чем в 5-10 раз.A positive effect of the device for forming an optical trap with chiral symmetry is the possibility of reducing the dimensions of the device by at least 5-10 times.
Claims (1)
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2781504C1 true RU2781504C1 (en) | 2022-10-12 |
Family
ID=
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2807969C1 (en) * | 2023-09-06 | 2023-11-21 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" | Method for creating optical tweezers with configurable array of vortex laser beams |
Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7374298B2 (en) * | 2004-11-15 | 2008-05-20 | Northrop Grumman Corporation | Laser beam dump |
| KR101139776B1 (en) * | 2011-12-09 | 2012-04-26 | 국방과학연구소 | A beam dumper for a particle counter or a fluorescence detector |
| RU2602398C2 (en) * | 2015-01-12 | 2016-11-20 | Максим Яковлевич Афанасьев | Laser unit |
| 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 |
| 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 |
Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US7374298B2 (en) * | 2004-11-15 | 2008-05-20 | Northrop Grumman Corporation | Laser beam dump |
| KR101139776B1 (en) * | 2011-12-09 | 2012-04-26 | 국방과학연구소 | A beam dumper for a particle counter or a fluorescence detector |
| RU2602398C2 (en) * | 2015-01-12 | 2016-11-20 | Максим Яковлевич Афанасьев | Laser unit |
| 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 |
| 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 |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2807969C1 (en) * | 2023-09-06 | 2023-11-21 | Федеральное государственное бюджетное научное учреждение "Федеральный исследовательский центр "Красноярский научный центр Сибирского отделения Российской академии наук" | Method for creating optical tweezers with configurable array of vortex laser beams |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Minin et al. | Subwavelength, standing-wave optical trap based on photonic jets | |
| Grzegorczyk et al. | Optical mirror from laser-trapped mesoscopic particles | |
| Cizmar et al. | Optical trapping in counter-propagating Bessel beams | |
| Li et al. | Spinning of particles in optical double-vortex beams | |
| CN111816344A (en) | Device for simultaneously manipulating low-refractive-index particles in multiple Rayleigh regions and achieving high capture efficiency | |
| RU161207U1 (en) | DEVICE FOR FORMING AN OPTICAL TRAP IN THE FORM OF A PHOTON HOOK | |
| Miranda et al. | All-optical transport and compression of ytterbium atoms into the surface of a solid immersion lens | |
| RU195603U1 (en) | Device for forming an optical trap in the form of a photon hook | |
| RU2781504C1 (en) | Apparatus for forming an optical trap with chiral symmetry | |
| RU160834U1 (en) | SUBWAVE OPTICAL TRAP IN THE STANDING WAVE FIELD | |
| RU195550U1 (en) | Dynamically controlled optical trap | |
| CN113223744A (en) | Optical micro-control device and method for ultrafast regulation and control of vector vortex light field | |
| Novotny | Forces in optical near-fields | |
| Kotsifaki et al. | Efficient and low cost multiple optical trap, based on interference | |
| RU207824U1 (en) | DEVICE FOR FORMING AN OPTICAL TRAP IN THE SHAPE OF A PHOTON HOOK | |
| Prabakaran et al. | Creation of Multiple Subwavelength Focal Spot Segments Using Phase Modulated Radially Polarized Multi Gaussian Beam | |
| Han | Scattering of a high-order Bessel beam by a spheroidal particle | |
| RU181220U1 (en) | SUBWAVE OPTICAL PIPETER DEVICE | |
| Angelsky et al. | Controlling and manipulation of red blood cells by evanescent waves | |
| Hou et al. | Capture and sorting of multiple cells by polarization-controlled three-beam interference | |
| Shostka et al. | The method of polarization filtering for implementation of the optical manipulator | |
| Siler et al. | Submicron particle localization using evanescent field | |
| Nasalski | Optical beams at dielectric interfaces: fundamentals | |
| Zhu et al. | A vectorial model for the nonlinear gradient force exerted on metallic Rayleigh nanoparticles | |
| Geynts et al. | Features of photonic nanojet formation near surfaces of spherical microparticles illuminated by a focused laser beam |