RU202241U1 - Subwavelength optical trap in a standing wave field based on a photonic jet - Google Patents

Abstract

Полезная модель относится к области изучения свойств частиц биологической ткани и предназначена для удерживания частиц или манипулирования ими путем создания оптической ловушки (лазерного пинцета) сложной пространственной формы - фотонного крюка. Она может быть использована при изучении структурных, биофизических, морфологических и оптических свойств частиц биологической ткани в условиях in vivo и их взаимодействия с окружающей средой для удерживания частиц в определенном месте биоткани или манипулирования ими. Субволновая оптическая ловушка содержит лазерный источник излучения, фокусирующее устройство, отражающий экран, облучающее устройство формирования фотонной струи, выполненное в виде диэлектрической пластины, толщиной прямоугольной пластины по нормали к отражающему экрану, равной (0,3-1,5)*λ, с показателем преломления материала пластины, равным 1,2÷1,95, где λ - длина волны излучения в среде. Отражающий экран выполнен в виде вогнутого цилиндрического зеркала, состоящего из двух равных частей, смещенных одна относительно другой вдоль оптической оси. Диэлектрическая пластина выполнена вогнутой и расположена непосредственно на одной из половин цилиндрического зеркала и заполняет впадину цилиндрического зеркала, образуя общую цилиндрическую поверхность из двух половин. Технический результат: обеспечение возможности субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме фотонного крюка в режиме работы на отражение излучения. 2 ил.The utility 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. It can be used to study the structural, biophysical, morphological, and optical properties of biological tissue particles in vivo and their interaction with the environment to hold particles in a certain place in biological tissue or manipulate them. The subwavelength optical trap contains a laser radiation source, a focusing device, a reflecting screen, an irradiating device for forming a photon jet made in the form of a dielectric plate, with a rectangular plate thickness along the normal to the reflecting screen equal to (0.3-1.5) * λ, with an index refraction of the plate material, equal to 1.2 ÷ 1.95, where λ is the radiation wavelength in the medium. The reflecting screen is made in the form of a concave cylindrical mirror, consisting of two equal parts, offset from one another along the optical axis. The dielectric plate is made concave and is located directly on one of the halves of the cylindrical mirror and fills the cavity of the cylindrical mirror, forming a common cylindrical surface of two halves. EFFECT: provision of the possibility of subwavelength focusing of radiation into a curved region in the form of a photonic hook in the mode of operation for reflection of radiation. 2 ill.

Description

Настоящая полезная модель относится к области изучения свойств частиц биологической ткани и предназначена для удерживания частиц или манипулирования ими путем создания оптической ловушки (лазерного пинцета) сложной пространственной формы - фотонного крюка.The present utility model relates to the field of studying the properties of biological tissue particles and is intended for holding particles or manipulating 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 invivo и их взаимодействия с окружающей средой для удерживания частиц в определенном месте биоткани или манипулирования ими. 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 biological tissue particles in vivo and their interaction with the environment to hold particles in a certain place in biological tissue or manipulate them. 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.

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 the indicated 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 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]. 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. 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. Main editorial office 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 geometric optics approximation, the phenomenon of an optical trap can be explained as follows. An 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 hits 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 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. Due to 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 waist of the laser beam, the resultant of these forces is zero. If a micro-object has a lower refractive index than the surrounding medium, 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].

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 towards 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 light beam 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 остро сфокусированного 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 the automatic movement of micro-objects along any 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 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, 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 F_P давления света на частицу, формируемыми одним или несколькими лазерными источниками. Эти силы действуют в направлении распространения излучения.You know a device for forming an optical trap that implements the known method [A. Ashkin. Apparatuses for trapping and accelerating neutral particles. US Patent No. 370279. H01S 3/06, 3/09. 01/09/1973] the capture of a dielectric particle in an optical trap, created by the forces F _{P of the} pressure of light on the particle, formed by one or more laser sources. These forces act in the direction of radiation propagation.

Однако ему присущи недостатки. Во-первых, для классических линз, чем сильнее стянут пучок в фокус, тем быстрее он расходится после него. Это означает, что сила, удерживающая частицу, очень быстро падает по мере удаления от зоны захвата, и уже на расстоянии нескольких десятков микрон от фокуса оказывается недостаточной, чтобы снова захватить частицу. Однопучковая ловушка реально полезна лишь для захвата одиночной частицы и только в области фокуса, размер которой не меньше дифракционного предела.However, it has disadvantages. First, for classical lenses, the more the beam is pulled into focus, the faster it diverges after it. This means that the force holding the particle decreases very rapidly with distance from the capture zone, and already at a distance of several tens of microns from the focus is insufficient to capture the particle again. A single-beam trap is really useful only for capturing a single particle and only in the focal region, the size of which is not less than the diffraction limit.

Во-вторых, вследствие дифракционной расходимости сфокусированного классической линзой излучения, чем сильнее он расходится, тем хуже его фокусирует оптическая система, но получить идеально параллельный пучок принципиально невозможно из-за дифракции.Second, due to the diffraction divergence of radiation focused by a classical lens, the more it diverges, the worse the optical system focuses it, but it is fundamentally impossible to obtain an ideally parallel beam due to diffraction.

Более того, такое устройство принципиально не позволяет обеспечить фокусировку излучения в криволинейную область, что необходимо, например, для перемещения частицы «за преграду».Moreover, such a device, in principle, does not allow focusing radiation into a curved region, which is necessary, for example, to move a particle "beyond the obstacle".

Известно устройство для формирования оптической ловушки, реализующее известный способ [A. Ashkin. Non-destructive optical trap for biological particles and method of doing same. US Patent No. 4893886. G02B 27/00. 16.01.1990.] захвата биологической частицы в оптическую ловушку, включающее в себя источник излучения (лазер), генерирующий свет с фиксированной длиной волны в интервале от 800 до 1800 нм, фокусирующее устройство в виде осесимметричной собирающей линзы с малым фокусным расстоянием, в области фокуса (перетяжки пучка) которой формируется большой градиент светового поля и соответствующая сила F_grad и микрочастицу, расположенную в области сфокусированного излучения. В известном устройстве для формирования оптической ловушки, сходящийся пучок лазера направляется в кювету, содержащую частицу, которая захватывается вблизи указанной фокальной точки собирающей линзы.A device for forming an optical trap is known, which implements the known method [A. Ashkin. Non-destructive optical trap for biological particles and method of doing same. US Patent No. 4893886. G02B 27/00. 01.16.1990.] Capture of a biological particle in an optical trap, which includes a radiation source (laser), generating light with a fixed wavelength in the range from 800 to 1800 nm, a focusing device in the form of an axisymmetric collecting lens with a short 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 the region of focused radiation are formed. In the known device for forming an optical trap, a converging laser beam is directed into a cuvette containing a particle that is captured near the specified focal point of the collecting lens.

Для такого устройства также имеются недостатки. Во-первых, для классических линз, чем сильнее стянут пучок в фокус, тем быстрее он расходится после него. Это означает, что сила, удерживающая частицу, очень быстро падает по мере удаления от зоны захвата, и уже на расстоянии нескольких десятков микрон от фокуса оказывается недостаточной, чтобы снова захватить частицу. Однопучковая ловушка реально полезна лишь для захвата одиночной частицы и только в области фокуса, размер которого всегда не меньше дифракционного предела.There are also disadvantages to such a device. First, for classical lenses, the more the beam is pulled into focus, the faster it diverges after it. This means that the force holding the particle decreases very rapidly with distance from the capture zone, and already at a distance of several tens of microns from the focus is insufficient to capture the particle again. A single-beam trap is really useful only for capturing a single particle and only in the focal region, the size of which is always not less than the diffraction limit.

Во-вторых, вследствие дифракционной расходимости сфокусированного классической линзой излучения, чем сильнее он расходится, тем хуже его фокусирует оптическая система, но получить идеально параллельный пучок принципиально невозможно из-за дифракции.Second, due to the diffraction divergence of radiation focused by a classical lens, the more it diverges, the worse the optical system focuses it, but it is fundamentally impossible to obtain an ideally parallel beam due to diffraction.

Более того, такое устройство принципиально не позволяет обеспечить фокусировку излучения в криволинейную область, что необходимо, например, для перемещения частицы «за преграду».Moreover, such a device, in principle, does not allow focusing radiation into a curved region, which is necessary, for example, to move a particle "beyond the obstacle".

Известно устройство для формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка по патенту РФ 161207, устройство для формирования оптической ловушки в форме фотонного крюка, 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.Known is a device for forming an optical trap in the form of a photonic hook according to RF patent 161207, 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 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 a material that provides an optical contrast with respect to the environment equal to 1.2-1.75 and has 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 воздействия на периферию объекта (микрочастицы) и уменьшения негативного воздействия лазерной ловушки на объекты биологического происхождения, а также возможность субволновой фокусировки в криволинейную область (фотонный крюк) для перемещения микрочастицы «за преграду».The advantage of the device is the possibility of affecting the periphery of the object (microparticles) and reducing the negative impact of the laser trap on objects of biological origin, as well as the possibility of subwave focusing into a curved region (photonic hook) to move the microparticle "behind the obstacle".

Недостатком устройства является невозможность его работы в режиме на отражение падающего излучения.The disadvantage of the device is the impossibility of its operation in the mode of reflection of incident 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. There is a known device for forming an optical trap in the form of a photonic hook according to RF patent 195603, 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 region 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 is incident, equal to about 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.

Недостатком устройства является невозможность его работы в режиме на отражение падающего излучения.The disadvantage of the device is the impossibility of its operation in the mode of reflection of incident radiation.

Известно устройство динамически управляемой оптической ловушки позволяющей изменять форму области фокусировки излучения и ее положение в пространстве для оперативного манипулирования микро- и нано- частицами по патенту РФ 195550, содержащее жидкокристаллический слой, обладающий эффектом двулучепреломления и расположенный между электродами, при этом 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 is a dynamically controlled optical trap that allows you to change the shape of the focusing area of radiation and its position in space for the operative manipulation of micro- and nanoparticles according to RF patent 195550, containing a liquid crystal layer having a birefringence effect and located between the electrodes, while 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 an edge size equal to (0.9-1.3) nλ, where n is an integer, λ is the wavelength of the radiation used in the medium, and 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 material of a homogeneous triangular prism at the device input and N ₁ is the refractive index of the homogeneous triangular prism material at the output of the device.

Недостатком устройства является невозможность его работы в режиме на отражение падающего излучения.The disadvantage of the device is the impossibility of its operation in the mode of reflection of incident radiation.

Известно устройство «Субволновая оптическая ловушка в поле стоячей волны на основе фотонной струи» [Патент РФ 160834, Субволновая оптическая ловушка в поле стоячей волны], принятое за прототип и включающее в себя лазерный источник излучения, фокусирующее устройство, облучающее устройство формирования фотонной струи, расположенное на плоском экране, отражающем падающее на него излучение и микрочастицу, расположенную в области сформированной фотонной струи, при этом устройство формирования фотонной струи выполнено в виде диэлектрической пластины, с сечением прямоугольной пластины не менее диаметра падающего пучка излучения, толщиной прямоугольной пластины по нормали к отражающему экрану равной (0,3-1,5)λN, оптический контраст материала диэлектрика пластины составляет (1,2-1,95), где N - целое число, λ - длина волны излучения в среде.The known device "Subwave optical trap in a standing wave field based on a photon jet" [RF Patent 160834, Subwave optical trap in a standing wave field], taken as a prototype and including a laser radiation source, a focusing device, an irradiating device for the formation of a photonic jet located on a flat screen reflecting the incident radiation and a microparticle located in the region of the formed photon jet, while the device for forming the photon jet is made in the form of a dielectric plate, with a rectangular plate section not less than the diameter of the incident radiation beam, the thickness of the rectangular plate along the normal to the reflecting screen equal to (0.3-1.5) λN, the optical contrast of the dielectric material of the plate is (1.2-1.95), where N is an integer, λ is the radiation wavelength in the medium.

Технической задачей полезной модели является обеспечение возможности субволновой фокусировки излучения в криволинейную область в форме фотонного крюка в режиме работы на отражение излучения.The technical task of the utility model is to provide the possibility of subwavelength focusing of radiation into a curved region in the form of a photonic hook in the mode of operation for radiation reflection.

Поставленная задача решается тем, что cубволновая оптическая ловушка в поле стоячей волны на основе фотонной струи, содержащая лазерный источник излучения, фокусирующее устройство, отражающий экран, облучающее устройство формирования фотонной струи, выполненное в виде диэлектрической пластины, толщиной прямоугольной пластины по нормали к отражающему экрану равному (0,3-1,5)*λ, с показателем преломления материала пластины равному 1,2-1,95, где λ - длина волны излучения в среде, отличающаяся тем, что отражающий экран выполнен в виде вогнутого цилиндрического зеркала, состоящего из двух равных частей, смещенных одна относительно другой вдоль оптической оси, диэлектрическая пластина выполнена вогнутой, расположенной непосредственно на одной из половин цилиндрического зеркала и заполняющей впадину цилиндрического зеркала, образуя общую цилиндрическую поверхность из двух половин.The problem is solved by the fact that a subwavelength optical trap in a standing wave field based on a photonic jet, containing a laser radiation source, a focusing device, a reflecting screen, irradiating a photonic jet formation device made in the form of a dielectric plate, with a rectangular plate thickness along the normal to the reflecting screen equal to (0.3-1.5) * λ, with the refractive index of the plate material equal to 1.2-1.95, where λ is the radiation wavelength in the medium, characterized in that the reflecting screen is made in the form of a concave cylindrical mirror, consisting of two equal parts displaced relative to one another along the optical axis, the dielectric plate is made concave, located directly on one of the halves of the cylindrical mirror and filling the cavity of the cylindrical mirror, forming a common cylindrical surface of the two halves.

На Фиг. 1 показана схема заявляемого устройства: 1 - лазерное излучение, 2 - линза, 3 - первая часть цилиндрического зеркала, смещенная вдоль оптической оси относительно второй части цилиндрического зеркала 4, 5 – диэлектрическая пластина, 6 - фотонный крюк.FIG. 1 shows a diagram of the claimed device: 1 - laser radiation, 2 - lens, 3 - the first part of the cylindrical mirror, offset along the optical axis relative to the second part of the cylindrical mirror 4, 5 - dielectric plate, 6 - photon hook.

На Фиг. 2 приведены результаты математического моделирования формирования фотонного крюка в режиме на отражение излучения. Фотонный крюк моделировался с помощью численного решения уравнений Максвелла при падении электромагнитного излучения с длиной волны 671 нм на цилиндрическое составное зеркало из золота и диэлектрик с показателем преломления 1,61. Величина смещения половины цилиндрического зеркала вдоль оптической оси равнялась примерно 0,45λ. FIG. 2 shows the results of mathematical modeling of the formation of a photonic hook in the mode of radiation reflection. The photonic hook was simulated by numerically solving Maxwell's equations when electromagnetic radiation with a wavelength of 671 nm was incident on a cylindrical composite mirror made of gold and a dielectric with a refractive index of 1.61. The displacement of half of the cylindrical mirror along the optical axis was approximately 0.45λ.

Излучение 1, преимущественно от лазерного источника, с помощью классической линзы 2 направляется на цилиндрическое зеркало, состоящее из двух половин 3, 4. Первая часть цилиндрического зеркала 3, смещенная вдоль оптической оси относительно второй части цилиндрического зеркала 4. Первая часть цилиндрического зеркала 3 заполнена диэлектрической пластиной 5. Излучение 1 освещает диэлектрическую пластину 5, находящуюся на части цилиндрического зеркала 3. Излучение 1 отражаясь от части цилиндрического зеркала 3 формирует фотонную струю. Излучение 1 отражаясь от второй части цилиндрического зеркала 4 интерферирует с излучением отраженным от первой части цилиндрического зеркала и диэлектрической пластины 5, формирует фотонный крюк 6 (фиг.2). При этом падающее на диэлектрическую пластину 5 и цилиндрическое зеркало 4 излучение 1 с помощью линзы 2 является либо слабо сфокусированным, либо с плоским волновым фронтом, то есть острая фокусировка излучения 1 с помощью линзы 2 не требуется. В силу особенным образом подобранных параметров материала диэлектрической пластины 5 (оптического контраста материала диэлектрика пластины 5, равного отношению показателей преломления материала диэлектрика пластины к показателю преломления среды, в которой находится эта пластина) и ее размеров, в отраженном от металлического зеркала 3-4 излучении формируется фотонный крюк 5. При этом поперечные размеры области локализации электромагнитного поля (поперек фотонной струи) значительно меньше дифракционного предела и составляют величину порядка 0,35 длины волны излучения в среде, а сам фотонный крюк 6 оказывается промодулированной вдоль направления излучения фотонной струи стоячей волной. Radiation 1, mainly from a laser source, with the help of a classical lens 2 is directed to a cylindrical mirror consisting of two halves 3, 4. The first part of the cylindrical mirror 3, offset along the optical axis relative to the second part of the cylindrical mirror 4. The first part of the cylindrical mirror 3 is filled with a dielectric plate 5. Radiation 1 illuminates the dielectric plate 5 located on the part of the cylindrical mirror 3. The radiation 1 is reflected from the part of the cylindrical mirror 3 and forms a photon jet. Radiation 1 reflected from the second part of the cylindrical mirror 4 interferes with the radiation reflected from the first part of the cylindrical mirror and the dielectric plate 5, forms a photonic hook 6 (figure 2). In this case, the radiation 1 incident on the dielectric plate 5 and the cylindrical mirror 4 with the help of the lens 2 is either weakly focused or with a flat wavefront, that is, sharp focusing of the radiation 1 with the lens 2 is not required. Due to the specially selected parameters of the material of the dielectric plate 5 (the optical contrast of the dielectric material of the plate 5, equal to the ratio of the refractive indices of the dielectric material of the plate to the refractive index of the medium in which this plate is located) and its dimensions, 3-4 radiation reflected from the metal mirror is formed photon hook 5. In this case, the transverse dimensions of the region of localization of the electromagnetic field (across the photon jet) are much less than the diffraction limit and amount to about 0.35 of the radiation wavelength in the medium, and the photon hook 6 itself turns out to be modulated along the direction of radiation of the photon jet by a standing wave.

Таким образом, сущность достигаемого положительного эффекта заключается в том, что фокусировка фактически осуществляется не линзой, а отражающим излучение цилиндрическим зеркалом с диэлектрической пластиной, выполняющей функции короткофокусной линзы с малым размером области фокусировки (фотонная струя). При этом у такой фотонной струи ширина перетяжки меньше классического дифракционного предела. В данном случае линза 2 играет роль не собственно фокусирующего устройства, а фазового корректора, обеспечивающего облучение диэлектрической пластины плоским, либо слабо сфокусированным пучком.Thus, the essence of the achieved positive effect lies in the fact that focusing is actually carried out not by a lens, but by a cylindrical mirror reflecting radiation with a dielectric plate that acts as a short-focus lens with a small focusing area (photonic jet). Moreover, for such a photonic jet, the waist width is less than the classical diffraction limit. In this case, lens 2 does not play the role of a focusing device itself, but a phase corrector that provides irradiation of a dielectric plate with a flat or weakly focused beam.

Проведенные исследования показали, что при толщине пластины по нормали к отражающему экрану (0,3-1,5)λ, оптическом контрасте материала диэлектрика пластины (1,2-1,95), где λ - длина волны излучения в среде, формируется фотонный крюк (криволинейная область локализации электромагнитного поля вдоль распространения излучения). Причем, с увеличением оптического контраста материала кривизна крюка увеличивается, при субволновом разрешении. Протяженность фотонного крюка порядка длины волны используемого излучения.The studies have shown that when the thickness of the plate is normal to the reflecting screen (0.3-1.5) λ, the optical contrast of the dielectric material of the plate is (1.2-1.95), where λ is the radiation wavelength in the medium, a photonic hook (curvilinear region of localization of the electromagnetic field along the propagation of radiation). Moreover, with an increase in the optical contrast of the material, the curvature of the hook increases at subwavelength resolution. The length of the photonic hook is of the order of the wavelength of the radiation used.

Claims (1)

Субволновая оптическая ловушка в поле стоячей волны на основе фотонной струи, содержащая лазерный источник излучения, фокусирующее устройство, отражающий экран, облучающее устройство формирования фотонной струи, выполненное в виде диэлектрической пластины, толщиной прямоугольной пластины по нормали к отражающему экрану, равной (0,3-1,5)*λ, с показателем преломления материала пластины равным 1,2÷1,95, где λ - длина волны излучения в среде, отличающаяся тем, что отражающий экран выполнен в виде вогнутого цилиндрического зеркала, состоящего из двух равных частей, смещенных одна относительно другой вдоль оптической оси, диэлектрическая пластина выполнена вогнутой, расположенной непосредственно на одной из половин цилиндрического зеркала и заполняющей впадину цилиндрического зеркала, образуя общую цилиндрическую поверхность из двух половин.A subwavelength optical trap in a standing wave field based on a photonic jet, containing a laser radiation source, a focusing device, a reflecting screen, an irradiating device for forming a photonic jet made in the form of a dielectric plate, with a rectangular plate thickness along the normal to the reflecting screen equal to (0.3- 1.5) * λ, with the refractive index of the plate material equal to 1.2 ÷ 1.95, where λ is the radiation wavelength in the medium, characterized in that the reflecting screen is made in the form of a concave cylindrical mirror, consisting of two equal parts, offset one relative to the other along the optical axis, the dielectric plate is made concave, located directly on one of the halves of the cylindrical mirror and filling the cavity of the cylindrical mirror, forming a common cylindrical surface of two halves.

Images