RU2807969C1 - Способ создания оптического пинцета с конфигурируемым массивом вихревых лазерных пучков - Google Patents
Способ создания оптического пинцета с конфигурируемым массивом вихревых лазерных пучков Download PDFInfo
- Publication number
- RU2807969C1 RU2807969C1 RU2023123112A RU2023123112A RU2807969C1 RU 2807969 C1 RU2807969 C1 RU 2807969C1 RU 2023123112 A RU2023123112 A RU 2023123112A RU 2023123112 A RU2023123112 A RU 2023123112A RU 2807969 C1 RU2807969 C1 RU 2807969C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- vortex
- laser beams
- phase mask
- beams
- optical tweezers
- Prior art date
Links
- 238000012576 optical tweezer Methods 0.000 title claims abstract description 37
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 25
- 230000008859 change Effects 0.000 claims abstract description 15
- 239000013598 vector Substances 0.000 claims abstract description 12
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims abstract description 6
- 230000003993 interaction Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000009467 reduction Effects 0.000 abstract description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 abstract 1
- 230000008707 rearrangement Effects 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 14
- 239000011859 microparticle Substances 0.000 description 10
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 9
- 239000004816 latex Substances 0.000 description 7
- 229920000126 latex Polymers 0.000 description 7
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 description 5
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 4
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 description 4
- 239000004005 microsphere Substances 0.000 description 4
- 239000002245 particle Substances 0.000 description 4
- 239000007787 solid Substances 0.000 description 3
- 238000004422 calculation algorithm Methods 0.000 description 2
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 2
- 239000004973 liquid crystal related substance Substances 0.000 description 2
- 230000008569 process Effects 0.000 description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 2
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 2
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 1
- 230000002301 combined effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 description 1
- 239000003814 drug Substances 0.000 description 1
- 230000010363 phase shift Effects 0.000 description 1
- 230000022558 protein metabolic process Effects 0.000 description 1
- 102000004169 proteins and genes Human genes 0.000 description 1
- 108090000623 proteins and genes Proteins 0.000 description 1
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 1
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к оптике и предназначено для создания оптического пинцета на основе фазовых масок. Способ создания оптического пинцета с конфигурируемым массивом вихревых лазерных пучков включает взаимодействие лазерного луча с пространственным модулятором света, на который загружена фазовая маска, проектируемая с помощью компьютера, лазерный луч приобретает желаемое распределение светового поля, формируя оптический пинцет с возможностью изменения конфигурации массива вихревых лазерных пучков путем перестройки и загрузки на пространственный модулятор другой фазовой маски, при дифракции на которой формируется оптический пинцет с заданными положениями вихревых лазерных пучков и их орбитальными угловыми моментами, при этом вид фазовой маски проектируется на основе следующей формулы: , для проектирования фазовой маски, формирующей оптический пинцет с измененной конфигурацией вихревых лазерных пучков, достаточно изменить значения векторов обратной решетки для изменения положений соответствующих вихревых пучков и значения топологических зарядов для изменения их орбитальных угловых моментов. Технический результат – сокращение времени переключения между конфигурациями вихревых пучков. 3 ил.
Description
Настоящее изобретение относится к оптике и предназначено для формирования оптических пинцетов (оптических ловушек) в виде массива вихревых лазерных пучков для захвата и оптического манипулирования ансамблями микрообъектов. Предложенный способ дает возможность независимого управления положением вихревых пучков в фокальной плоскости ловушки и их орбитальным угловым моментом.
Идея оптического захвата микрочастиц лазерным пучком впервые была предложена в 1970 г. в работе [1] и с тех пор нашла широкое применение в различных областях знаний, включая медицину и биологию, атомную физику и химию. Наибольший интерес оптические ловушки представляют для биологических наук ввиду их неинвазивности и малой травматичности. Оптические ловушки используются в клеточной биологии и эмбриологии благодаря возможности фиксации и перемещения живых клеток в естественных условиях, а также в биофизике и микробиологии для исследования структуры белков и процессов белкового обмена.
Использование вихревых лазерных пучков [2,3] в устройстве оптических пинцетов [4] позволяет захватывать ансамбль микрочастиц в кольцевую пространственную конфигурацию, в которой микрочастицы совершают орбитальное движение с определенной угловой скоростью и направлением. Основными характеристиками вихревых лазерных пучков являются орбитальный угловой момент и величина топологического заряда (ТЗ), показывающая количество скачков фазы на 2π радиан при полном обходе по азимутальному углу.
Наиболее близким к предложенному способу является способ формирования произвольных оптических ловушек (оптических пинцетов) [5]. В данном способе лазерный луч при взаимодействии (отражении/прохождении) с дифракционным оптическим элементом (ДОЭ) в результате дифракции приобретает желаемое распределение светового поля. В качестве дифракционного элемента в данном способе использовался пространственный модулятор света, на который загружена фазовая маска (голограмма), проектируемая с помощью компьютера посредством использования итеративного алгоритма вычисления с применением прямого и обратного Фурье-преобразования.
Недостатком этого способа является необходимость проведения многократных, сложных и ресурсоемких вычислений для формирования фазовой маски, что замедляет скорость перестройки оптического пинцета, поскольку скорость расчета фазовой маски в представленном аналоге существенно зависит от выбора входных условий и в определенных случаях алгоритм может не сходиться.
Технический результат изобретения заключается в том, что уменьшается время необходимое для проектирования фазовой маски, что приводит к сокращению времени переключения между последовательными (отдельными) конфигурациями вихревых пучков в устройстве оптического пинцета.
Технический результат достигается тем, что в способе создания оптического пинцета с конфигурируемым массивом вихревых лазерных пучков лазерный луч при взаимодействии с дифракционным оптическим элементом, на который загружена фазовая маска, проектируемая с помощью компьютера, приобретает желаемое распределение светового поля, тем самым формируя оптический пинцет с возможностью изменения конфигурации вихревых лазерных пучков, осуществляемой путем перестройки и загрузки на пространственный модулятор света другой фазовой маски, при дифракции на которой формируется оптический пинцет с заданными положениями вихревых лазерных пучков и их орбитальными угловыми моментами, новым является то, что вид фазовой маски проектируется на основе следующей формулы , где – среднее значение фазы, – максимальное отклонение фазы от её среднего значения, , , – амплитуда, вектор обратной решетки и топологический заряд n-ой пространственной гармоники, sign(ψ)=|ψ|/ψ – функция знака от аргумента ψ, при этом для проектирования фазовой маски, формирующей требуемую конфигурацию вихревых лазерных пучков в оптическом пинцете, достаточно изменить значения векторов обратной решетки для изменения положений соответствующих вихревых пучков и значения топологических зарядов для изменения их орбитальных угловых моментов.
Время, требуемое на изменение конфигурации оптического пинцета, напрямую зависит от времени, затрачиваемого на перестройку фазовой маски. Поскольку отсутствует необходимость сложных, ресурсоемких и продолжительных вычислений, данный способ позволяет осуществлять перестройку конфигурации вихревых пучков в устройстве оптического пинцета за меньшее время.
В предложенном способе источником лазерного излучения формируется лазерный пучок, который падает на пространственный модулятор света. Пространственный модулятор света представляет собой массив ячеек, состоящий из двух стеклянных подложек с прозрачными электродами, на внутренние поверхности которых нанесены ориентирующие покрытия. Полость между стеклянными подложками заполнена жидкими кристаллами. Генерируемые на компьютере фазовые маски определяют напряжения, подаваемые на ячейки пространственного модулятора света, и тем самым, задают требуемые конфигурации направлений директоров (преимущественного направления ориентации молекул) жидких кристаллов в ячейках. В зависимости от направления директора свет, падающий на соответствующую ячейку, приобретает определенный набег фазы в пределах указанной области, что позволяет осуществлять пространственную модуляцию фазы в поперечном сечении пучка света и как результат формировать оптический пинцет с конфигурируемым массивом вихревых лазерных пучков (заданными положениями вихревых лазерных пучков и их орбитальными угловыми моментами). В данном способе фазовые маски имеют вид , где – среднее значение фазы, – максимальное отклонение фазы от ее среднего значения ; ,, – амплитуда, вектор обратной решетки и топологический заряд n-ой пространственной гармоники; sign(ψ)=|ψ|/ψ – функция знака от аргумента ψ. Вихревые пучки, приобретающие в результате взаимодействия с пространственным модулятором света желаемые положения и орбитальные угловые моменты, попадают в кювету, содержащую микрочастицы. Совокупное воздействие градиентных сил и сил светового давления заставляет частицы устремляться в области с наибольшей интенсивностью света, благодаря чему осуществляется оптический захват частиц, т.е. пучок света действует как оптический пинцет.
Предложенный способ позволяет формировать оптический пинцет, содержащий как один вихревой пучок, так и набор вихревых пучков. Микрочастицы, захваченные оптическим пинцетом, будут перемещаться вслед за перемещением вихревого пучка/пинцета. Перемещение оптического пинцета в предложенном способе осуществляется путем перестройки и загрузки на пространственный модулятор света другой фазовой маски, такой, что в результате дифракции на ней лазерного пучка в области кюветы будет формироваться оптический пинцет, смещенный по сравнению с исходным. Таким образом скорость смещения оптического пинцета в предложенном способе напрямую зависит от времени, затрачиваемого на перестройку фазовой маски.
Таким образом, предложенный способ проектирования фазовых масок для формирования конфигурируемых массивов вихревых лазерных пучков в устройстве оптического пинцета отличается от прототипа тем, что в нем фазовые маски представляют собой суперпозицию модуляций (гармонических функций), описывающих распределения фазы с заданными параметрами, в результате чего отсутствует необходимость в выполнении многократных, ресурсоемких вычислений, возникающих, например, при решении обратной задачи дифракции. В заявленном способе картина дифрагированного светового поля определяется параметрами, входящими в спроектированную фазовую маску, в результате чего параметры сформированных вихревых пучков варьируются независимо друг от друга.
Изобретение поясняется чертежами:
На фиг. 1 представлены примеры сгенерированных предлагаемым способом бинарных фазовых масок с фиксированными параметрами рад/мкм и значениями : (а) 0.0849, (б) 0.0873, (в) 0.0924, (г) 0.0982, а также соответствующие им рассчитанные распределения интенсивности (д,е,ж,з), формируемые при дифракции на расстоянии 1 м за маской.
На фиг. 2 представлена оптическая схема оптического пинцета с конфигурируемым массивом вихревых лазерных пучков для демонстрации заявленного способа. Коллимированный пучок лазера (2) испытывает дифракцию на пространственном модуляторе света (3) и первый порядок дифракции направляется через светоделитель (4) и микрообъектив (5) в рабочую область, находящуюся внутри кюветы с раствором микрочастиц латекса (6), положения которых регистрируются камерой (1).
На фиг. 3 представлены снимки, демонстрирующие формирование вихревых лазерных пучков и захват микрочастиц с помощью сформированного массива ловушек с фиксированными параметрами рад/мкм и значениями : (а, д) 0.0849, (б, е) 0.0873, (в, ж) 0.0924, (г, з) 0.0982.
Фазовые маски, сформированные предложенным способом, представляют собой суперпозицию нескольких гармонических функций (пространственных гармоник). При прохождении света через маску или отражении от нее в первом порядке дифракции формируется набор дифракционных максимумов, положение которых определяется векторами обратной решетки, соответствующих пространственных гармоник.
Для демонстрации возможности использования фазовых масок, сформированных предложенным способом, для оптического захвата и манипулирования микрообъектами в устройстве оптического пинцета был рассчитан набор из 4 масок (фиг. 1 а-г). На фиг. 2 представлена оптическая схема для формирования оптического пинцета с конфигурируемым массивом вихревых лазерных пучков.
Пример 1. Сформированный источником лазерный пучок падает на пространственный модулятор света, на котором загружена фазовая маска, представляющая собой суперпозицию двух гармонических функций. Формируется набор из двух вихревых пучков в первом дифракционном порядке. Топологические заряды вихревых пучков и равны соответственно 10 и 20, а векторы обратной решетки рад/мкм и рад/мкм. Вид фазовой маски и соответствующая ей рассчитанная картина дифракции, демонстрирующая формирование вихревых пучков, показаны на фиг. 1 а, 1 д. Сгенерированная фазовая маска загружается на пространственный модулятор света и используется в устройстве оптотермической ловушки на основе непрерывного твердотельного лазера с длиной волны 532 нм для захвата латексных микросфер со средним размером 2 мкм в водном растворе, как показано на фиг. 3 а, 3 д.
Пример 2. Сформированный источником лазерный пучок падает на пространственный модулятор света, на котором загружена фазовая маска, представляющая собой суперпозицию двух гармонических функций. Формируется набор из двух вихревых пучков в первом дифракционном порядке. Топологические заряды вихревых пучков и равны соответственно 10 и 20, а векторы обратной решетки рад/мкм и рад/мкм. Вид фазовой маски и соответствующая ей рассчитанная картина дифракции, демонстрирующая формирование вихревых пучков, показаны на фиг. 1 б, 1 е. Сгенерированная фазовая маска загружается на пространственный модулятор света и используется в устройстве оптотермической ловушки на основе непрерывного твердотельного лазера с длиной волны 532 нм для захвата латексных микросфер со средним размером 2 мкм в водном растворе, как показано на фиг. 3 б, 3 е.
Пример 3. Сформированный источником лазерный пучок падает на пространственный модулятор света, на котором загружена фазовая маска, представляющая собой суперпозицию двух гармонических функций. Формировался набор из двух вихревых пучков в первом дифракционном порядке. Топологические заряды вихревых пучков и равны соответственно 10 и 20, а векторы обратной решетки 0.0523 рад/мкм и 0.0924 рад/мкм. Вид фазовой маски и соответствующая ей рассчитанная картина дифракции демонстрирующая формирование вихревых пучков показаны на фиг. 1 в, 1 ж. Сгенерированная фазовая маска загружается на пространственный модулятор света и используется в устройстве оптотермической ловушки на основе непрерывного твердотельного лазера с длиной волны 532 нм для захвата латексных микросфер со средним размером 2 мкм в водном растворе, как показано на фиг. 3 в, 3 ж.
Пример 4. Сформированный источником лазерный пучок падает на пространственный модулятор света, на котором загружена фазовая маска, представляющая собой суперпозицию двух гармонических функций. Формируется набор из двух вихревых пучков в первом дифракционном порядке. Топологические заряды вихревых пучков и равны соответственно 10 и 20, а векторы обратной решетки рад/мкм и рад/мкм. Вид фазовой маски и соответствующая ей рассчитанная картина дифракции демонстрирующая формирование вихревых пучков показаны на фиг. 1 г, 1 з. Сгенерированная фазовая маска загружается на пространственный модулятор света и используется в устройстве оптотермической ловушки на основе непрерывного твердотельного лазера с длиной волны 532 нм для захвата латексных микросфер со средним размером 2 мкм в водном растворе, как показано на фиг. 3 г, 3 з.
Из фиг. 3 а-г видно, что в рабочей области оптического пинцета образуются пары вихревых пучков, отличающиеся набором . Изменение значения приводит к перемещению одного из вихревых пучков (соответствует ), при этом другой пучок (соответствует ) сохраняет свое положение, что свидетельствует о возможности независимого манипулирования вихревыми пучками в массиве.
На фиг. 3 д-з представлены снимки, демонстрирующие захват микрочастиц латекса с помощью сформированного набора вихревых лазерных пучков в устройстве оптического пинцета. Ансамбли микрочастиц захватываются в максимумы интенсивности света с образованием устойчивых кольцеобразных структур. При рассмотрении процесса в динамике, микрочастицы латекса испытывают орбитальное движение, связанное с наличием орбитального углового момента вихревого пучка.
Таким образом, способ создания оптического пинцета с конфигурируемым массивом вихревых лазерных пучков позволяет проектировать фазовые маски для дифракционного формирования набора вихревых пучков с заданными положениями в фокальной плоскости оптического пинцета и значениями орбитальных угловых моментов (топологических зарядов) за счет изменения значений векторов обратной решетки для изменения положений соответствующих вихревых пучков и значений топологических зарядов для изменения их орбитальных угловых моментов. В результате отсутствует необходимость в выполнении сложных, ресурсоемких и продолжительных вычислений, что в свою очередь позволяет осуществлять перестройку конфигурации вихревых пучков в устройстве оптического пинцета за меньшее время.
Источники информации
1. A. Ashkin Acceleration and trapping of particles by radiation pressure // Physical Review Letters, – 1970. – 24 – 156–159.DOI:10.1103/PhysRevLett.24.156.
2. L. Allen, M.W. Beijersbergen, R.J.C. Spreeuw, J.P. Woerdman Orbital angular momentum of light and the transformation of Laguerre Gaussian laser modes // Phys Rev A,–1992. – 45 – 8185–8189. DOI: 10.1103/PhysRevA.45.8185.
3. M.S. Soskin, V.N. Gorshkov, M.V. Vasnetsov, J.T. Malos, N.R. Heckenberg Topological charge and angular momentum of light beams carrying optical vortices // Phys Rev A,–1997. – 56 – 4064–4075. DOI: 10.1103/PhysRevA.56.4064.
4. V.G. Shvedov, A.S. Desyatnikov, A.V. Rode, Y.V. Izdebskaya, W.Z. Krolikowski, Y.S. Kivshar Optical vortex beams for trapping and transport of particles in air // Applied Physics A, – 2010. – 100(2) – 327–331. DOI: 10.1007/s00339-010-5860-4.
5. Jennifer E. Curtis, Brian A. Koss, David G. Grier MULTIPLE OPTICAL VORTICES FOR MANIPULATING PARTICLES // United States Patent – 2005. – Patent No.: US6,995,351 B2.
Claims (3)
- Способ создания оптического пинцета с конфигурируемым массивом вихревых лазерных пучков, включающий взаимодействие лазерного луча с пространственным модулятором света, на который загружена фазовая маска, проектируемая с помощью компьютера, при этом лазерный луч приобретает желаемое распределение светового поля, тем самым формируя оптический пинцет с возможностью изменения конфигурации массива вихревых лазерных пучков путем перестройки и загрузки на пространственный модулятор света другой фазовой маски, при дифракции на которой формируется оптический пинцет с заданными положениями вихревых лазерных пучков и их орбитальными угловыми моментами, отличающийся тем, что вид фазовой маски проектируется на основе следующей формулы:
- ,
- где – среднее значение фазы, – максимальное отклонение фазы от её среднего значения, – амплитуда, вектор обратной решетки и топологический заряд n-й пространственной гармоники, sign(ψ)=|ψ|/ψ – функция знака от аргумента ψ, при этом для проектирования фазовой маски, формирующей оптический пинцет с измененной конфигурацией вихревых лазерных пучков, достаточно изменить значения векторов обратной решетки для изменения положений соответствующих вихревых пучков и значения топологических зарядов для изменения их орбитальных угловых моментов.
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
RU2807969C1 true RU2807969C1 (ru) | 2023-11-21 |
Family
ID=
Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2010199308A (ja) * | 2009-02-25 | 2010-09-09 | Chiba Univ | 光渦発生装置と方法 |
RU2458367C2 (ru) * | 2007-07-20 | 2012-08-10 | Медицинише Универзитет Иннсбрук | Оптическое устройство с парой дифракционных оптических элементов |
CN108375836A (zh) * | 2018-01-16 | 2018-08-07 | 深圳大学 | 一种表面等离激元光镊装置 |
RU2781504C1 (ru) * | 2021-11-16 | 2022-10-12 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет геосистем и технологий» | Устройство для формирования оптической ловушки с хиральной симметрией |
Patent Citations (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU2458367C2 (ru) * | 2007-07-20 | 2012-08-10 | Медицинише Универзитет Иннсбрук | Оптическое устройство с парой дифракционных оптических элементов |
JP2010199308A (ja) * | 2009-02-25 | 2010-09-09 | Chiba Univ | 光渦発生装置と方法 |
CN108375836A (zh) * | 2018-01-16 | 2018-08-07 | 深圳大学 | 一种表面等离激元光镊装置 |
RU2781504C1 (ru) * | 2021-11-16 | 2022-10-12 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего образования «Сибирский государственный университет геосистем и технологий» | Устройство для формирования оптической ловушки с хиральной симметрией |
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
Котова С.П. и др. МАНИПУЛЯЦИЯ МИКРОСКОПИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ ДВУХЛЕПЕСТКОВЫМИ СВЕТОВЫМИ ПОЛЯМИ // Краткие сообщения по физике Физического института им. П.Н. Лебедева Российской Академии Наук. - 2022. - Т. 49. - N 11. - С. 9-14. * |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
US5939716A (en) | Three-dimensional light trap for reflective particles | |
Dholakia et al. | Optical tweezers: the next generation | |
Schlosser et al. | Scalable architecture for quantum information processing with atoms in optical micro-structures | |
KR100641722B1 (ko) | 옵티컬 그래디언트 포스 인가장치 | |
CN111816344A (zh) | 同时操纵多个瑞利区低折射率微粒且高捕获效率的装置 | |
CN114019690A (zh) | 产生任意阶光学涡旋阵列和带缺陷有限光晶格的光学系统 | |
RU2807969C1 (ru) | Способ создания оптического пинцета с конфигурируемым массивом вихревых лазерных пучков | |
Afanasiev et al. | Further development of the laser tweezers technique for biomedical applications | |
Liu et al. | Optical transportation and accumulation of microparticles by self-accelerating cusp beams | |
Lizana et al. | Shaping light with split lens configurations | |
Niu et al. | Long distance and direction-controllable conveyor for automatic particle transportation based on optical tweezers | |
EP4250187A1 (en) | Method for scheduling control signals for a neutral atom quantum computer | |
US8859950B2 (en) | Complete optical encapsulation of particulates | |
Arai et al. | Synchronized laser micromanipulation of microtools for assembly of microbeads and indirect manipulation of microbe | |
Tang et al. | Simultaneously shaping the intensity and phase of light for optical nanomanipulation | |
Onda et al. | Robotic approach to multi-beam optical tweezers with computer generated hologram | |
Abramochkin et al. | Formation of vortex light fields of specified intensity for laser micromanipulation | |
Bu et al. | Optimization of computer-generated holograms for dynamic optical manipulation with uniform structured light spots | |
Sokolenko et al. | Optical trapping and manipulation of biological micro particles with digital holographic visualization | |
Tang et al. | Controllable asymmetrical potential wells created by phase profiles of light | |
Zheng et al. | Three-dimensional dynamic optical manipulation by combining a diffractive optical element and a spatial light modulator | |
Chen et al. | Trapping and Sorting Micro-Nano Particles in a Dynamic Optical Sieve | |
Sui et al. | Self-accelerating fan-shaped beams along arbitrary trajectories: a new tool for optical manipulation | |
Jákl et al. | Particles dynamics in travelling optical lattices | |
Palima et al. | Counter-propagating patterns in the BioPhotonics Workstation: getting more out of light for trapping and manipulation |