Формирование вихревых лазерных пучков, создающих вращающий момент движения микрообъектов сложной формы тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.05, кандидат наук Морозов, Андрей Андреевич

• Морозов, Андрей Андреевич
• кандидат наук
• 2013

Оглавление диссертации кандидат наук Морозов, Андрей Андреевич

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Вращение микрообъектов в гипергеометрических пучках

1.1 Расчет силы в гипергеометрических пучках

1.2 Вращение группы микрообъектов в вихревом пучке, сформированным ДОЭ с предыскажением рельефа

1.2.1 Изготовление многоуровневого ДОЭ

1.2.2 Оптическая схема эксперимента

1.2.3 Эксперимент

1.3 Основные результаты, полученные в главе 1

ГЛАВА 2. ДОЭ для формирования композиционных лазерных вихревых полей

2.1 Композиционные лазерные вихревые пучки

2.2 Моделирование вращения микрообъекта в композиционных лазерных вихревых пучках

2.3 Формирование композиционных лазерных вихревых пучков

2.3.1 Формирование суперпозиции оптических вихрей высоких порядков

2.3.2. Экспериментальное формирование суперпозиций вихревых пучков

2.4 Вращение агломераций микрочастиц в композиционных лазерных вихревых пучках

2.5 Основные результаты, полученные в главе 2

ГЛАВА 3. Вращение микрообъектов специальной формы

3.1 Изготовление микрообъектов специальной формы из хрома и из резиста

3.1.1 Процесс изготовления микротурбин для вращения в жидкости методом фотолитографии

3.2 Вращение микрообъектов специальной формы

3.2.1 Экспериментальная установка

3.2.2 Исследование передаваемого момента вращения для разных типов пучков

3.3 Изготовление микрообъектов специальной формы на установке трехмерного микроструктурирования МЗЭЗЗ

3.4 Вращение микрообъектов специальной формы, изготовленных на установке трехмерного наноструктурирования МЗЭББ

3.5 Основные результаты, полученные в главе 3

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Список литературы

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Формирование вихревых лазерных пучков, создающих вращающий момент движения микрообъектов сложной формы»

ВВЕДЕНИЕ

Со времен появления оптического пинцета[1-5], было предложено и разработано множество его модификаций, начиная с классических[6-10,11*] и заканчивая самыми необычными вариантами реализаций и применений[12,13,14*,15*,16*]. Одна из наиболее интересных задач, которую современное развитие науки и техники ставит перед оптическим пинцетом, это создание вращающего момента в микромеханических системах с помощью специальных пучков, которое имеет долгую историю [17-28]. Основное внимание в работах по этой теме уделяется как принципиальной возможности вращения элементов микромеханических систем [18-21], так и самой технологии изготовления таких дифракционных оптических элементов для формирования этих пучков [23,24]. Есть работы, посвященные теоретическим аспектам процесса вращения микрообъектов в лазерных пучках [17, 22]. Развитие этой тематики в настоящее время сводится в основном к практическому применению вращения микрообъектов в лазерных пучках к конкретным задачам [29-40]. В некоторых работах задача вращения рассматривается в совокупности с другими задачами: сортировки, перемещения, позиционирования и др [41-44].

Существует значительное количество работ, в которых рассматриваются лазерные пучки с особыми свойствами применительно к задаче оптического вращения микрообъектов. Наиболее удобны для оптического вращения микрочастиц пучки Бесселя и гипергеометрические пучки. Бесселевые пучки (БП) обладают рядом замечательных свойств: распространяются на конечном отрезке оптической оси без дифракции [45]; могут образовывать световую «трубку» или световую полость на оптической оси [46]; могут восстанавливаться через некоторое расстояние после препятствия, расположенного на оптической оси [47-49]; как правило, использование таких пучков строится на их обладании орбитальным угловым моментом [50-57,

58*,59*,60*]. В основном все эти свойства присущи и гипергеометрическим пучкам [61,62,63,64].

В разных ситуациях одни из перечисленных выше пучков могут иметь преимущество перед другими, но оптические схемы экспериментов по вращению микрообъектов такими пучками примерно одинаковы. Лазерный пучок пропускается через дифракционный оптический элемент или модулятор света, создающие соответствующее распределение задержки по фазе, в результате чего в фокусе линзы или микрообъектива формируется пучок, имеющий одно или несколько колец в распределение интенсивности и градиент фазы вдоль этих колец. За счет этого градиента фаз получается, что свет распространяется по спирали вокруг оси пучка и наклонно падает на плоскость перпендикулярную этой оси. В эту плоскость помещается водная суспензия с микрообъектами. В случае, когда размеры микрочастицы соизмеримы с шириной формируемых колец, они втягиваются в область наибольшей интенсивности, т.е. выстраиваются вдоль колец, и движутся по направлению градиента фазы. В случае, когда микрообъекты соизмеримы с диаметром формируемых колец, ось пучка совмещается с осью вращения объекта, и суперпозиция сил, действующих на микрообъект в точках пересечения с кольцами и направленных вдоль этих колец, создает вращающий момент, передаваемый микрообъекту.

Есть работы, в которых световое поле подводится к микромеханическому элементу напрямую через оптоволокно. В работе [65] вращают микротурбину, закрепленную на оси и имеющую прямые лопасти. Конец оптоволокна подводят к микротурбине на расстояние в несколько десятков микрон, таким образом, чтобы выходящий из него свет падал на лопасти перпендикулярно оси вращения турбины, и только с одной стороны по отношению к этой оси в плоскости падения. Таким образом микротурбина вращается под действием светового давления аналогично водяной мельнице.

В последнее время появляются работы, в которых форму вращаемого объекта согласуют с формой простого вихревого пучка, таким образом, чтобы

преломляясь через объект, пучок передавал максимальный вращающий момент. В [66] лопасти микротурбины изготавливаются таким образом, чтобы падающие под наклоном, за счет орбитального углового момента, лучи как можно больше изменяли направление импульса в плоскости вращения после прохождения через лопасти турбины. Расчет лучей в этом случае проводится в геометрическом приближении.

Есть работы по вращению микрообъектов изготовленных из двулучепреломляющих материалов [68,69]. При прохождении сфокусированного циркулярно-поляризованного пучка через такие объекты, лучи будут отклоняться таким образом, что объекту будет передаваться вращающий момент. В [68] на кусочке такого двулучепреломляющего кристалла закрепляют клетку дрожжей и, освещая кристалл сфокусированным циркулярно-поляризованным пучком, вращают его и закрепленную на нем клетку. В [69] двулучепреломление используется другим образом. Вращение массива микрообъектов осуществляют путем вращения дифракционной картины формируемой модами Лагерра-Гаусса, а линейная поляризация пучка приводит к сохранению ориентации в пространстве, каждого отдельно взятого микрообъекта, в следствии, двулучпреломляющих свойств этих объектов.

В работе [67] проводится анализ влияния аберраций на границе раздела сред стекло-вода на скорость вращения микрообъектов изготовленных из двулучепреломляющего материала. Показывается, что чем глубже в толще воды находится микрообъект, тем сильнее действие аберраций и меньше его скорость вращения, но также показывается, что, корректируя систему фокусировки лазерного луча, можно увеличить оптимальную глубину, на которой скорость вращения объекта максимальна.

В работе [70] осуществляется вращение трехлопастной турбинки в простом гауссовом пучке. Вращение достигается за счет того, что пучок сходящийся, а прямые лопасти смещены относительно оси вращения таким образом, что падающие под наклоном лучи, преломляясь и отражаясь на поверхностях этих лопастей, передают турбине вращающий момент.

В [71] проводится теоретический анализ влияния геометрии и относительной диэлектрической проницаемости микрообъекта на передаваемый лазерным пучком вращающий момент.

Есть работы по вращению довольно сложных микромеханических систем изготовленных методом двухфотонной полимеризации. В [72] таким методом изготавливаются шестеренки, закрепленные на оси, и демонстрируется их вращение, путем захвата одного из зубцов лазерным лучом и перемещении этого луча по кругу. В работе [73] аналогичным образом изготавливается микродиск, который захватывается тремя пучками и вращается вслед за ними. Вокруг микродиска также изготавливается канал, и, вращаясь, диск создает внутри него микропоток, заставляя микрочастицы, помещенные в растворе, перемещаться из одного конца канала в другой.

В большинстве случаев в методе согласования формы пучка и микрообъекта подгоняется форма элементов микромеханики, и практически нет попыток совершенствования самих световых пучков именно применительно к задаче вращения микрообъектов. В качестве вращающих пучков выступают либо простые пучки Гаусса [18,21,70], либо простейшие вихревые пучки [74,75,78]. В то же время, рассчитывая дифракционные оптические элементы, формирующие вихревые световые пучки под определённую форму микромеханического компонента (микротурбины), можно повысить эффективность передачи момента вращения в микромеханические системы.

Исходя из приведённого обзора, следует заметить, что все рассмотренные выше публикации можно условно разделить на следующие пять основных типов:

1. Вращение микрообъектов вращением светового поля[72, 73].

2. Выбор особого материала, который вращается в циркулярно поляризованном свете [68,69,76,77].

3. Вращение микрообъектов специальной формы плоским или гауссовым пучком [29,30,65,70,72].

4. Вращение микрообъектов в световом пучке известного типа (пучке Бесселя [50, 51], гипергеометрическом пучке [61], простом вихревом пучке [74,75] и т.д.).

5. Вращение микрообъекта с формой, оптимизированной под форму вихревого пучка [66].

Первые три способа имеют очень мало требований к световому полю, но при этом накладывают много ограничений на вращаемый микрообъект. В первом случае также добавляется необходимость системы, которая будет вращать световое поле, это может быть как механическое вращение дифракционного оптического элемента, так и изменение поля с помощью динамического модулятора света, и то и другое значительно усложняет систему манипулирования. Во втором случае - жесткие ограничения на материал вращаемого микрообъекта - он должен быть двулучепреломляющим, что так же повышает сложность на изготовления таких объектов, так как в них еще нужно соблюдать правильную ориентацию оси кристалла. Третий тип вращения жестко привязан к форме микрообъекта, в этих работах приводятся конкретные и довольно сложные формы микрообъектов, которые вращаются при освещении их световым полем с конкретными заданными параметрами. Это делает третий способ не универсальным и требует изготовления специальных микрообъектов сложной формы.

По сравнению с первыми тремя типами вращений микрообъектов, метод, представляемый в данной работе, не накладывает больших ограничений на вращаемый объект, а так же не требует дополнительных элементов, которые будут вращать световое поле.

Рассматриваемый в данной работе способ вращения микрообъектов по своему подходу ближе к четвертой и пятой группе работ. В них вращение осуществляется с помощью пучков известного типа, имеющих орбитальный угловой момент. Такой подход накладывает совсем небольшие ограничения на форму объекта и в этом плане является более универсальным, вращение можно осуществлять с помощью одного лазерного пучка, сформированного с

помощью ДОЭ или динамического модулятора света. Увеличивать эффективность передачи вращающего момента и соответственно скорость вращения микрообъекта при использовании вихревых пучков можно несколькими способами. Первое, что можно сделать - это увеличивая орбитальный угловой момент можно существенно увеличить скорость вращения микрообъекта [78]. Однако этот процесс имеет естественное ограничение. В самом деле, максимально эффективная передача вращательного момента возможно в том случае если световой пучок в результате взаимодействия с микрообъектом сменит первоначальный вектор своего импульса, на вектор, лежащий в плоскости вращения микрообъекта. При определенной форме микрообъекта и заданном порядке вихревого пучка этого можно достичь и дальнейшее повышение скорости вращения микрообъекта возможно уже только за счет повышения мощности. В силу геометрии вихревого пучка высокого порядка вся его мощность сосредоточена в очень узкой области, что при некоторой пороговой мощности может привести к тепловому повреждению микрообъекта. Для предотвращения разрушения необходимо формировать вихревые пучки, в которых энергия будет распределяться в как можно более широкой области, заполняя всю поверхность микрообъекта. Это могут быть вихревые пучки, состоящие из нескольких колец равной яркости, а также вихревые пучки, не имеющие кольцевой структуры. Такие пучки сохранят все преимущества, получаемые при вращении микрообъектов вихревыми пучками известного типа, и позволят при этом использовать лазерные пучки с гораздо большей мощностью, с меньшей вероятностью термически повредить микрообъект. Наряду с этим преимуществом сложные вихревые пучки не исключают и позволяют, так же как в работах пятого типа, оптимизировать форму микрообъекта под форму пучка, что даст возможность увеличить скорость вращения микрообъекта еще больше.

Цель диссертационной работы:

Формирование с помощью составных фазовых дифракционных оптических элементов композиционных лазерных вихревых пучков для повышения уровня предельно допустимой мощности пучка, передающего вращающий момент микрообъекту, и экспериментальный захват и вращение в таких пучках прозрачных микрообъектов сложной формы с размерами сопоставимыми с размерами пучков.

В соответствии с поставленной целью определены основные задачи диссертации:

1. Экспериментально осуществить захват и вращение прозрачных микрообъектов в распределенном вихревом лазерном пучке, формируемом многоуровневым дифракционным оптическим элементом за счет предыскажения формы поверхности микрорельефа.

2. Разработать метод формирования лазерных вихревых пучков с равномерным распределением интенсивности в сечении пучка и одинаковым углом наклона волнового фронта, на основе использования бинарных дифракционных оптических элементов для увеличения рабочей площади, падающего на вращаемый микрообъект пучка, с целью повышения уровня предельно допустимой мощности пучка и величины передаваемого микрообъекту вращающего момента.

3. Экспериментально подтвердить возможность оптического захвата и вращения микрообъекта сложной формы в лазерных вихревых пучках, с равномерным распределением интенсивности в сечении и одинаковым углом наклона волнового фронта.

Научная новизна:

1. Экспериментально осуществлен захват и вращение группы прозрачных полистироловых сферических микрочастиц в вихревом лазерном пучке

седьмого порядка, сформированном многоуровневым дифракционным оптическим элементом с предыскажением формы поверхности микрорельефа. Показано, что, группа полистироловых микросфер вращалась с линейной скоростью на 40% выше, чем такая же группа в аналогичном по мощности и порядку пучке Бесселя.

2. Сформированы композиционные лазерные вихревые пучки, содержащие два и более соосных когерентных вихревых световых пучков, для вращения сопоставимых по размеру с пучком микрообъектов сложной формы. Такие пучки позволяют повысить уровень предельно допустимой мощности пучка, передающего вращающий момент микрообъекту без теплового повреждения микрообъекта.

3. Экспериментально осуществлен стабильный оптический захват и вращение микрообъектов, в композиционных лазерных вихревых пучках (вплоть до 48 порядка), сформированных составными ДОЭ, в том числе захват и вращение агломераций полистироловых сферических микрочастиц и микротурбины, оптимизированной для вращения в составном когерентном вихревом пучке.

Практическая значимость:

Полученные и исследованные в диссертации световые ловушки могут быть использованы в задаче оптического вращения микрообъектов, в том числе микромеханических элементов.

Достоверность полученных результатов:

Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью математических выкладок и соответствием результатов расчетов и моделирования экспериментальным данным.

Авторский вклад:

Все результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично, либо при его определяющем личном участии.

На защиту выносятся:

1. Результаты экспериментов по захвату и вращению группы прозрачных полистироловых сферических микрочастиц в вихревом лазерном пучке седьмого порядка, сформированном многоуровневым дифракционным оптическим элементом с предыскажением формы поверхности микрорельефа, показывающие, что скорость вращения частиц в таком пучке, превосходит скорость вращения таких же частиц в аналогичном по энергии и порядку пучке Бесселя на 40%.

2. Результаты экспериментов по формированию композиционных лазерных вихревых пучков, содержащих два и более соосных когерентных вихревых световых пучков, для вращения сопоставимых по размеру с пучком микрообъектов сложной формы, которые позволяют повысить уровень предельно допустимой мощности пучка, передающего вращающий момент микрообъекту без теплового повреждения микрообъекта.

3. Результаты экспериментов по оптическому захвату и вращению микрообъектов, в композиционных лазерных вихревых пучках (вплоть до 48 порядка), сформированных составными ДОЭ, в том числе захвату и вращению агломераций полистироловых сферических микрочастиц и микротурбины, оптимизированной для вращения в составном когерентном вихревом пучке.

Публикации:

Основные результаты диссертации опубликованы в 9 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также в материалах 8 Международных и Всероссийских научных конференций.

Апробация работы:

Результаты, вошедшие в диссертационную работу, представлялись на 8 конференциях, в том числе на 5 Международных и 3 Всероссийских:

1. VII Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике, 18-21 ноября 2009 года, г. Самара.

2. Перспективные информационные технологии для авиации и космоса (ПИТ-2010). Международная конференция с элементами научной школы для молодежи, 29 сентября - 1 октября 2010 года, г. Самара.

3. VIII Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике, 17-20 ноября 2010 года, г. Самара.

4. Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics, 4-8 июля 2011 года, г. Москва-Самара.

5. 8-я Международная конференция ТОЛОЭКСПО-2011" (HOLOEXPO-2011) 28 - 30 сентября 2011 г. Минск, Республика Беларусь.

6. 9-я Международная конференция "ГолоЭкспо-2012". Голография, наука и практика. 17-21 сентября 2012. г. Суздаль.

7. X Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике, посвященный 90-летию со дня рождения Н.Г. Басова, 7-11 ноября 2012 года, г. Самара.

8. 10-я Международная конференция "ГолоЭкспо-2013". 17-18 сентября 2013. г. Москва.

ГЛАВА 1. Вращение микрообъектов в гипергеометрических пучках.

Самый простой путь получить пучок с распределенной по радиусу энергией - использовать пучки Бесселя или гипергеометрические пучки. И в пучках Бесселя и в гипергеометрических пучках основная энергия сосредоточена в самом ярком кольце. Яркость других колец быстро убывает с увеличением их номера. Но в гипергеометрических пучках возможно изменение соотношения яркостей колец за счет изменения параметра у. Поэтому в дальнейшем в качестве световых пучков для вращения микрообъектов расмматриваются гипергеометрические пучки [79*,80*,81*].

1.1 Расчет силы в гипергеометрических пучках.

Будем четко разделять две задачи оптического вращения:

- движения микрообъекта с размерами много меньше светового пучка по круговой траектории;

- вращение микрообъекта сопоставимого по размерам со световым пучком.

В этой главе будут попеременно рассматриваться свойства

гипергеометрических пучков по отношению к обеим задачам.

Рассмотрим логарифмический аксикон с комплексной функцией пропускания вида [61]:

03 и У - действительные параметры логарифмического аксикона; ° - радиус перетяжки Гауссового пучка;

п - топологический заряд спиральной фазовой пластинки (СФП); т - целое число - показатель степенной составляющей комплексной амплитуды. При у = 0 гипергеометрический пучок становится обычным вихревым пучком [82].

(1.1)

где {г'(р) - полярные координаты в начальной плоскости

После преобразования Френеля, в произвольной плоскости ^ > О сформируется параксиальное световое поле, описывающееся комплексной амплитудой вида:

Е (р,в,г)

(

хехр

х,К

1кр2

2лп\

\ г

г \ т+1у кар

\2Яг) 1 Щ >

+ тв

2г

ч у

п + т + 2 +¡у 2

\'/2

п + т + 2 + 1у

(1.2)

,п +1,-

кар

Л

Я2.

где г0 = ко'2, Я = ([~'2о/2)12 (р>&) - полярные координаты в поперечной

?

плоскости, г(х) - гамма-функция, 1 _ функция Куммера, к = 2я/Х _

волновое число света,

Л .

длина волны.

Выражение (1.2) описывает комплексную амплитуду параксиальных гипергеометрических лазерных пучков общего вида. Сокращенно: ГГ-пучков. Наличие вихревой составляющей в таком пучке позволяет использовать их в задаче оптического вращения микрообъектов.

Пока будем рассматривать увеличение скорости движения одиночного объекта при фиксированной мощности пучка. С одной стороны для увеличения скорости движения микрообъекта необходимо увеличивать орбитальный угловой момент светового пучка. С другой стороны при этом увеличивается радиус и соответственно уменьшается интенсивность в основном световом кольце вихревого пучка, а также падает энергетическая эффективность. С помощью моделирующей программы были получены зависимости радиуса основного кольца (рисунок 1.1) и энергетической эффективности от порядка гипергеометрических пучков. Под энергетической эффективностью понимается отношение световой энергии, которая попадает в область светлого кольца по спаду е" , к общей энергии пучка. При измерении радиусов за единицу измерения принимался радиус первого основного кольца гипергеометрического пучка с номером п - 1.

а)

б)

в) г)

Рисунок 1.1. Фазы ДОЭ, формирующие гипергеометрические пучки с п=1 (а) и с п=3 (в), а также распределение интенсивности в ближней зоне дифракции для гипергеометрического пучка с п=1 (б) и с п=3 (г)

Таблица 1. Зависимость радиуса кольца, нормированного на радиус кольца вихревого пучка первого порядка, и эффективности от порядка гипергеометрического пучка

Порядок вихревого пучка Радиус кольца Эффективность ,%

1 1,00 83,45

2 1,54 82,08

3 2,08 76,38

4 2,61 75,84

5 3,08 74,69

6 3,54 73,46

7 4,00 71,52

8 4,38 70,34

9 4,92 68,73

10 5,31 67,84

Как видно из таблицы 1, с возрастанием порядка гипергеометрического пучка радиус кольца увеличивается, а эффективность падает.

При рассмотрении движения одиночного микрообъекта с увеличением размеров пучка падает мощность, попадающая на микрообъект, и пропорционально уменьшается скорость движения. При вращении, когда рассматривается более массивный микрообъект, соизмеримый по размерам с кольцом, этот эффект не проявляется, т.к. в передаче вращающего момента будет участвовать все кольцо целиком. В том числе не важна доля энергии в основном кольце, т.к. в передаче вращательного момента можно задействовать и менее яркие световые кольца пучка.

Были получены зависимость максимальной интенсивности гипергеометрического пучка от его порядка п при у = 0(рисунок 1.2), а также зависимости максимальной интенсивности от параметра у при «=1,и = Зйи = 10 (рисунок 1.3). Полученные результаты нормировались на 1 относительно пучка с п— 1 и у = 0.

Рисунок 1.2. Зависимость максимальной интенсивности гипергеометрического

пучка от его порядка п при у = 0

...... 11=1

— П~ 1 0

* "» „

ч ч

ч '•,

----.

-10 -К -0 -4 -2 0 2 4 6 X у

Рис. 1.3. Зависимость максимальной интенсивности гипергеометрического пучка от параметра у при п=1,п = 3ип=10 Как видно из рисунков, интенсивность убывает с возрастанием порядка п и увеличением модуля у в положительном направлении и возрастает с увеличением модуля у в отрицательном направлении. Уменьшение максимальной интенсивности с увеличением у означает, что с увеличением параметра у энергия перераспределяется от самого яркого кольца к менее ярким. Это полезно при вращении крупного микрообъекта в таком пучке.

Рассмотрим силы, действующие на сферическую микрочастицу в области светового кольца (Рисунок 1.4).

Рисунок 1.4. Силы, действующие на микрочастицу

Ртр - сила трения, - сила, действующая в результате светового давления и ^ - сила, возникающая в результате преломления светового пучка.

Для начала была рассмотрена сила . Она направленная вдоль кольца (Рисунок 1.5).

С

Рисунок 1.5. Направленная вдоль кольца сила, действующая на

микрочастицу

Была проведена оценка силы действующей на микрочастицу вдоль кольца и зависимость этой силы от порядка вихревого пучка по методу, предложенному в [83].

В результате была получена зависимость направленной вдоль кольца силы действующей на микрочастицу от порядка оптического вихревого пучка (Рисунок 1.6).

Порядок

Рисунок 1.6. - Зависимость направленной вдоль кольца нормированной на максимум силы, действующей на микрочастицу от порядка оптического

вихревого пучка

Как видно из рисунка 1.6 сила, действующая на сферический микрообъект, с увеличением порядка вихревого пучка уменьшается, поэтому увеличивать порядок вихревого пучка для кругового движения одиночного микрообъекта бессмысленно. Совсем другая зависимость для силы, действующая на микрообъект, сопоставимый по размеру с пучком. Если сравнить данные в таблице 1 и на рисунке 1.6, то видно, что сила, действующая на микрообъект соизмеримый с шириной кольца, обратно пропорциональна радиусу кольца, т.к. с увеличением радиуса энергия пучка распределяется по большей площади, которую можно считать пропорциональной длине окружности кольца. В случае, малого объекта отношение площади соприкосновения к площади пучка с ростом радиуса уменьшается, следовательно, уменьшается принимаемая энергия и уменьшается сила. А в случае большего объекта перекрывающего весь пучок, это отношение все время будет равно 1, а значит суммарная сила, действующая на него, почти не меняется с ростом п, но вот вращающий момент такого пучка будет увеличиваться примерно пропорционально радиусу его наиболее яркого кольца, т.к. будет увеличиваться плечо приложения силы.

Рассмотрим, как меняется сила, действующая на сферический микрообъект с диаметром в половину ширины наиболее яркого кольца гипергеометрическго пучка.

При изменении параметра у меняется поперечный размер гипергеометрического пучка. При этом если параметры п и у имеют разные знаки, поперечный размер гипергеометрического пучка уменьшается (рисунок 1.7).

На рисунке 1.7 показаны распределения интенсивности различных ГГ-пучков с п=3 при различных параметрах у, (на расстоянии z=3500 мм, а также фазы ДОЭ для формирования этих пучков. Число отсчетов - 512 х 512.

Для гипергеометрических мод с параметром п=3, и параметром у который менялся в интервале [-10,10], была рассчитана сила, действующая на

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Морозов, Андрей Андреевич, 2013 год

Список литературы

1. Grier, D. G. A revolution in optical manipulation/ D. G. Grier // Nature.

- 2003. - V.424, N.6950. - P.810-816 (2003).

2. Moffitt, J. R. Recent advances in optical tweezers/. R. Moffitt, Y. R.Chemla, S. B. Smith, and C.Bustamante // Annu. Rev. Biochem. - 2008. -V.77, N.l.-P. 205-228.

3. D. McGloin 40 years of optical manipulation / D. McGloin and J. P.Reid // Opt.Photonics News. - 2010. - V.21,N.3. - P. 20-26.

4. Curtis, J. E. Dynamic holographic optical tweezers/ J. E. Curtis, B. A. Koss, and D. G. Grier // Opt. Commun. - 2002. - V.207, N.l-6. - P. 169-175.

5. Padgett, M. J. Optical Tweezers: Methods and Applications / M. J. Padgett, J. E. Molloy, and D. Mcgloin, eds.//CRC Press. - 2010.

6. MacDonald, M. P. Creation and manipulation of three-dimensional optically trapped structures/ M. P. MacDonald, L. Paterson, K. Volke-Sepulveda, J. Arlt, W. Sibbett, and K. Dholakia // Science. - 2002. - V.296, N.5570.-P.1101-1103.

7. Zhang, P. Generation and nonlinear self-trapping of optical propelling beams/ P. Zhang, S. Huang, Y. Hu, D. Hernandez, and Z. Chen // Opt. Lett. -

2010. - V.35, N.18. - P.3129-3131.

8. Dufresne, E. R. Optical tweezer arrays and optical substrates created with diffractive optics/ E. R. Dufresne and D. G. Grier //Rev. Sci. Instrum. -1998. - V.69, N.5. - P.1974-1977.

9. Zhang, P. Trapping and transporting aerosols with a single optical bottle beam generated by moiré techniques/ P. Zhang, Z. Zhang, J. Prakash, S. Huang, D. Hernandez, M. Salazar, D.N.Christodoulides, and Z.Chen // Opt. Lett. -

2011.-V.36,N.8.-P. 1491-1493.

10. Zhang, P. Trapping and guiding microparticles with morphing autofocusing Airy beams/ P. Zhang, J. Prakash, Z. Zhang, M. S. Mills, N. K. Efremidis, D. N.Christodoulides, and Z. Chen // Opt. Lett. - 2011. - V.36, N.15.

- P.2883-2885.

11. * Хонина, С.Н. Экспериментальное формирование различных бездифракционных лазерных пучков на основе диафрагмирования вихревого кольцевого пространственного спектра/ С.Н. Хонина, Р.В. Скиданов, А.А. Морозов // Известия Самарского научного центра Российской академии наук. - 2009. - Т. 11, № 3. - С.103-110.

12. Li, P. Manipulation and spectroscopy of a single particle by use of white-light optical tweezers/ P. Li, K. Shi, and Z. Liu // Opt. Lett. - 2005. -V.30, N.2. - P.156-158.

13. Lamhot, Y. Optical control of thermocapillary effects in complex nanofluids/ Y. Lamhot, A. Barak, C.Rotschild, M. Segev, M. Saraf, E. Lifshitz, A. Marmur, R. El-Ganainy, and D. N. Christodoulides // Phys. Rev. Lett. -2009. - V.103, N.26. - P.264503.

14. * Скиданов, P.B. Оптическая микроманипуляция с использованием микровзрывов частиц полистирола /Р.В. Скиданов, А.А. Морозов // Компьютерная оптика. - 2010. - Т.34, № 3. - С.302-307.

15. * Скиданов, Р.В. Составной световой пучок и микровзрывы для оптической микроманипуляции / Р.В. Скиданов, А.А. Морозов, А.П. Порфирьев // Компьютерная оптика. - 2012. - Т.36, № 3. - С.371-376.

16. * Морозов, А.А. Использование микровзрывов частиц полистирола для манипулирования микрообъектами / А.А. Морозов // X Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике, посвященный 90-летию со дня рождения Н.Г. Басова, 7-11 ноября 2012 года. Сборник конкурсных докладов. - 2012. - С. 109-116

17. Gauthier, R.C. Theoretical model for an improved radiation pressure micromotor / R.C. Gauthier // Applied Physics Letters. - 1996. - V. 69. -P. 2015-2017.

18. Gauthier, R.C. Radiation-pressure-based cylindrically shaped microactuator capable of smo oth, continuous, reversible, and stepped rotation. /

R.C. Gauthier, M. Ashman, A. Frangioudakis, H. Mende and S. Ma // Applied Optics. - 1999. - V. 38. - P. 4850-4860.

19. Gauthier, R.C. Optical selection, manipulation, trapping, and activation of a microgear structure for applications in micro-optical-electromechanical systems / R.C. Gauthier, R.N. Tait, H. Mende and C. Pawlowicz // Applied Optics. - 2001. - V. 40. - P. 930-937.

20. Gauthier, R.C. Activation of micro components with light for micro-electro-mechanical systems and micro-optical-electro-mechanical systems applications / R.C. Gauthier, R.N. Tait and M. Ubriaco // Applied Optics. -2002. - V. 41. - P. 2361-2367.

21. Higurashi, E. Optically induced rotation of anisotropic micro-objects fabricated by surface micromachining / E. Higurashi, H. Ukita, H. Tanaka and O. Ohguchi // Applied Physics Letters. - 1994. - V. 64. - P. 22092210.

22. Ukita, H. Theoretical demonstration of a newly designed micro-rotator driven by optical pressure on a light incident surface / H. Ukita and K. Nagatomi // Optical Review. - 1997. - V. 4, N 4. - P. 447-449.

23. Ukita, H. Micromechanical photonics / H. Ukita // Optical Review. - 1997. - V. 4, N 6. - P. 623-633.

24. Galajda, P. Complex micromachines produced and driven by light / P. Galajda and P. Ormos // Applied Physics Letters. - 2001. - V. 78. - P. 249-251.

25. O'Neil, A. T. Rotational control within optical tweezers by use of a rotating aperture/ A. T. O'Neil and M. J. Padgett // Opt. Lett. - 2002. -V.27,N.9. - P.743-745.

26. Paterson, L. Controlled rotation of optically trapped microscopic particles/ L. Paterson, M. P. MacDonald, J. Arlt, W. Sibbett, P. E.Bryant, and K. Dholakia // Science. - 2001. - V.292, N.5518. - P. 912-914.

27. MacDonald, M. P. Revolving interference patterns for the rotation of optically trapped particles/ M. P. MacDonald, K. Volke-Sepulveda,

L. Paterson, J. Arlt, W. Sibbett, and K. Dholakia,// Opt. Commun. - 2002. -V.201, N.l-3. - P.21-28.

28. Alieva, T. Rotating beams in isotropic optical system/ T. Alieva, E. Abramochkin, A. Asenjo-Garcia, and E. Razueva //Opt. Express. - 2010. -V.18. - P.3568-3573.

29. Mohanty, S.K. Self-rotation of an assembly of two or more cylindrical objects in optical tweezers: A simple approach for realization of optically driven micromotors CURRENT / S.K. Mohanty, P.K. Gupta, R.S. Verma // SCIENCE. - 2007. - V. 93, N 5.

30. Tian, Ye Solvent response of polymers for micromachine manipulation / Ye Tian, Yong-Lai Zhang, Hong Xia, Li Guo, Jin-Feng Ku, Yan He, Ran Zhang, Bin-Zong Xu, Qi-Dai // Phys. Chem. Chem. Phys. - 2011. - V. 13.-P. 4835-4838.

31. Li, L. Fourkas: Achieving A/20 Resolution by One-Color Initiation and Deactivation of Polymerization / L. Li, R.R. Gattass, E. Gershgoren, H. Hwang // Science. - 2009. - V. 324. - P. 910-913.

32. Maruo, S. Optically driven micropump with a twin spiral microrotor / S. Maruo, A. Takaura, Y. Saito // OPTICS EXPRESS. - 2009. - V. 17,N21.-P. 18525.

33. W. Miller, Jr. Symmetry and Separation of Variables/ Jr. W. Miller // Addison-Wesley Pub. Com., MA. - 1977.

34. Z. Bryant Structural transitions and elasticity from torque measurements on DNA/ Z. Bryant, M. D. Stone, J. Gore, S. B. Smith, N. R.Cozzarelli, and C.Bustamante // Nature. - 2003. - V.424, N.6946. - P.338-341.

35. Sato, S. Optical trapping and rotational manipulation of microscopic particles and biological cells using higher-order mode Nd: YAG laserbeams/ S. Sato, M. Ishigure, and H. Inaba, // Electron. Lett. - 1991. - V.27, N.20. - P.1831-1832.

36. Dasgupta, R. Controlled rotation of biological microscopic objects using optical line tweezers/ R. Dasgupta, S. K. Mohanty, and P. K. Gupta // Biotechnol. Lett. - 2003. - V.25, N.19. - P.1625-1628.

37. Kreysing, M. K. The optical cell rotator/ M. K. Kreysing, T. Kießling, A. Fritsch, C. Dietrich, J. R. Guck, and J. A. Käs // Opt. Express. -2008. - V.16, N.21. - P. 16984-16992 .

38. Jesacher, A. Size selective trapping with optical cogwheel tweezers/ A. Jesacher, S. Fürhapter, S. Bernet, and M. Ritsch-Marte // Opt. Express. - 2004. - V.12. - P.4129-4135.

39. Bishop, A. I. Optical microrheology using rotating laser-trapped particles/ Bishop, A. I., T. A. Nieminen, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop // Physical Review Letters. - 2004. - V. 92. - P. 198104.

40. Parkin, S. J. Picoliter viscometry using optically rotated particles/ Parkin, S. J., G. KnE oner, T. A. Nieminen, N. R. Heckenberg, and H. Rubinsztein-Dunlop // Physical Review E. - 2007. - V. 76. - P.041507.

41. Burrow, G.M. Multi-Beam Interference Advances and Applications: Nano-Electronics, Photonic Crystals, Metamaterials, Subwavelength Structures, Optical Trapping, and Biomedical Structures / G.M. Burrow, T.K. Gaylord // Micromachines. - 2011. - V. 2. - P. 221-257.

42. Friese, M. E. J. Optical alignment and spinning of laser-trapped microscopic particles /E. J. Friese, T. A. Nieminen, N. R. Heckenberg, and H.Rubinsztein-Dunlop // Nature. - 1998. - V.394, N.6691. - P.348-350.

43. Sheu, F. W. Stable trapping and manually controlled rotation of an asymmetric or birefringent microparticle using dual-mode split-beam optical tweezers/ F. W. Sheu, T. K. Lan, Y. C. Lin, S.Chen, and C. Ay // Opt. Express. - 2010. - V.18, N.14. - P. 14724-14729.

44. Ladavac, K. Microoptomechanical pumps assembled and driven by holographic optical vortex arrays/ K. Ladavac and D. Grier // Opt. Express. -2004,- V.12.- P.l 144-1149.

45. Durnin, J. Diffraction-free beams / J. Durnin, J. J. Jr & Eberly, J. H. Miceli //Phys. Rev. Lett. - 1987. - V. 58.-P. 1499-1501.

46. Turunen, J. Holographic generation of diffraction-free beams / J. Turunen, A. Vasara, A.T. Friberg // Applied Optics. - 1988. - V. 27. - P. 39593962.

47. MacDonald, R. P. Interboard optical data distribution by Bessel beam shadowing. / R. P. MacDonald, S. A. Boothroyd, T. Okamato, J. Chrostowski, B. A. Syrett // Opt. Commun. - 1996. - V. 122. - P. 169-177.

48. McQueen, C. A. An experiment to study a "nondiffracting" light beam / C. A. McQueen, J. Arlt, K. Dholakia// Am. J. Phys. - 1999. - V. 67. - P. 912-915.

49. Soroko, L.M. What does the term "light beam" mean? / L.M. Soroko // Preprint of JINR. - 1999. - E13-99-226. - Dubna. - P. 19.

50. Volke-Sepulveda, K. Orbital angular momentum of a high-order Bessel light beam / K. Volke-Sepulveda, V. Garces-Chavez, S. Chavez-Cerda, J. Arlt, K. Dholakia // J. Opt. B: Quantum Semiclass. - Opt. - 2002. - V. 4. - P. S82-S89.

51. Khonina, S.N. An analysis of the angular momentum of a light field in terms of angular harmonics / S.N. Khonina [and other] // Journal of Modern optics. - 2001. - V. 48(10). - P. 1543-1557.

52. Curtis, J. E. Structure of optical vortices/ J. E.Curtis and D. G. Grier // Phys. Rev. Lett. - 2003. - V.90, N. 13. - P. 133901.

53. Madison, K. W. Vortex formation in a stirred bose-einstein condensate/ K. W. Madison, F. Chevy, W. Wohlleben, and J. Dalibard // Phys. Rev. Lett. - 2000. -V.84, N.5. - P.806-809.

54. Abramochkin, E. G. Spiral light beams/ E. G. Abramochkin and V. G. Volostnikov // Phys. Usp. - 2004. - V.47. - P.l 177.

55. Abramochkin, E. G. Microobject manipulations using laser beams with nonzero orbital angular momentum/ E. Abramochkin, S. Kotova, A.

Korobtsov, N. Losevsky, A. Mayorova, M. Rakhmatulin, and V. Volostnikov // Laser Phys. - 2006. - V.16. - P.842-848.

56. Zambrini, R. Angular momentum of multimode and polarization patterns /R. Zambrini and S. M. Barnett// Opt. Express. - 2007. - V.15. -P.15214-15227.

57. Caravaca-Aguirre, A. M. Orbital angular moment density of beam given as a superposition of Hermite-Laguerre-Gauss functions/ A. M. Caravaca-Aguirre and T. Alieva // .PIERS 2011, Marrakesh. - 2011.

58. * Морозов, А.А. Получение изображений на микро-ДОЭ с малым разрешением / А.А. Морозов // Сборник аннотаций конкурсных работ VIII Всероссийского молодежного Самарского конкурса-конференции научных работ по оптике и лазерной физике. - 2010. - С. 16

59. * Морозов, А.А. Формирование светового поля для линейного перемещения микрообъекта / А.А. Морозов // Перспективные информационные технологии для авиации и космоса (ПИТ-2010). Труды Международной конференции с элементами научной школы для молодежи. - 2010. - С. 912-916

60. * Морозов, А.А. Формирование светового поля для линейного перемещения микрообъекта / А.А. Морозов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета. - 2010. -Т.24, №4. - С. 232-237.

61. Kotlyar, V.V. Generating hypergeometric laser beams with a diffractive optical elements / V.V. Kotlyar [and other] // Applied Optics. -2008. - V.47, N.32, - P. 6124-6133.

62. Котляр, B.B. Гипергеометрические моды / B.B. Котляр, Р.В. Скиданов, С.Н. Хонина, С.А. Балалаев // Компьютерная оптика. - 2006. -Т. 30.-С. 16-22.

63. Kotlyar, V. V. Hypergeometric modes / V. V. Kotlyar, R. V. Skidanov, S. N. Khonina, V. A. Soifer // Opt. Lett. - 2007. - V. 32, N. 7. April 1. - P.742-744.

64. Khonina, S.N. Encoded binary diffractive element to form hypergeometric laser beams/ S.N. Khonina [and other] // J.Opt. A: Pure Appl. Opt. - 2009. - V. 11, N.6. - P. 065702.

65. Metzger, N. K. Observation and simulation of an optically driven micromotor / N K Metzger, M Mazilu, L Kelemen, P Ormos and K Dholakia //J. Opt.-2011.-V.13.

66. Xiao-Feng Lin A light-driven turbine-like micro-rotor and study on its light-to-mechanical power conversion efficiency Sun / Xiao-Feng Lin, Guo-Qing Hu, Qi-Dai Chen, Li-Gang Niu, Qi-Song Li, AndreasOstendorf, and Hong-Bo //APPLIED PHYSICS LETTERS. - 2012. - V.101, N.l 1.

67. Zhong, Min-Cheng Rotation of birefringent particles in optical tweezers with spherical aberration /Zhong, Min-Cheng; Zhou, Jin-Hua; Ren, Yu-Xuan; Li, Yin-Mei; Wang, Zi-Qiang // Applied Optics. -V. 48, N.22. - P. 4397

68. Xiudong Sun Optical rotation and manipulation of micro-sized LiNb03 crystals and single-walled carbon nanotubes bundles / Xiudong Sun et al //Colloids and Surfaces A Physicochemical and Engineering Aspects. - 2008. -V.313-314.-P. 488-491.

69. L. Paterson Controlled simultaneous rotation of multiple optically trapped particles/ L. Paterson et al. // Journal of Modern Optics. - 2003. - V.50. -P. 1591-1599.

70. Hiroo Ukita Rotation rate of a three-wing rotor illuminated by upward-directed focused beam in optical tweezers/ Hiroo Ukita et al. // Optical Review. -2008. - V. 15. -P. 97-104.

71. Patrick C. Chaumet Coupled dipole method to compute optical torque: Application to a micropropeller/ Patrick C. Chaumet et al.// J. Appl. Phys. - 2007. - V. 101.

72. S. Maruo Force-controllable, optically driven micromachines fabricated by single-step two-photon microstereolithography/ S. Maruo et al.// Journal of Microelectromechanical Systems. - 2003. - V.12. - P. 533-539.

73. S. Maruo Optically driven viscous micropump using a rotating microdisk / S. Maruo, H. Inoue. // APPLIED PHYSICS LETTERS. - 2007. -V.91. - P.084101.

74. Friese M. E. J. Optical angular-momentum transfer to trapped absorbing particles / Friese M. E. J. et al. // Phys. Rev. - 1996. - V. 54, N. 2. -P. 1593-1596.

75. He H. Direct observation of transfer of angular momentum to absorptive particles from a laser beam with a phase singularity / He H. et al. // Phys. Rev. Lett. - 1995. - V. 75, N. 5. - P. 826-829.

76. Bretenaker F. Energy exchange between a rotating retardation plate and a laser beam / Bretenaker F., Le Floch A. // Phys. Rev. Lett. - 1990. -V. 65, N. 18.-P. 2316.

77. Chang S. Optical torque exerted on a homogeneous sphere levitated in circularly polarized fundamental-mode beam / Chang S., Lee S. S. // J. Opt. Soc. Am. - 1985.-V. 2, N. 11.-P. 1853-1860.

78. Скиданов, P.B. Экспериментальное исследование движения диэлектрических шариков в световых пучках с угловыми гармониками высоких порядков / Р.В. Скиданов, С.Н. Хонина, В.В. Котляр, В.А. Сойфер // Компьютерная оптика. - 2007. - Т. 31. - С. 14-21.

79. * Морозов, А.А. Определение свойств оптических «вихрей» для решения задач микроманипулирования/А.А. Морозов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С. П. Королева (национального исследовательского университета). - 2008. - Т. 15. - С.87-93.

80. * Скиданов, Р.В Расчет силы, действующей на сферический микрообъект в гипергеометрических пучках / Р.В. Скиданов, С.Н. Хонина, А.А. Морозов, В.В. Котляр // Компьютерная оптика. - 2008. - Т.32. - С. 3942.

81. * Скиданов, Р.В Расчет силы, действующей на сферический микрообъект в гипергеометрических пучках / Р.В. Скиданов, С.Н. Хонина,

А.А. Морозов, В.В. Котляр // Сборник докладов VII Всероссийского молодежного Самарского конкурса-конференции научных работ по оптике и лазерной физике. - 2009. - С. 148-155

82. Kotlyar, V.V. Generation of phase singularity through diffracting a plane or Gaussian beam by a spiral phase plate/ V.V. Kotlyar, A.A. Almazov, S.N. Khonina, V.A. Soifer, H.Elfstrom, J. Turunen // J. Opt. Soc. Am. A. -2005. - V.22, N.5. -P. 849-861.

83. Скиданов, P.B. Расчёт силы взаимодействия светового пучка с микрочастицами произвольной формы / Р.В. Скиданов // Компьютерная оптика. - 2005. - Т. 28. - С. 18-21.

84. Балалаев, С.А. Исследование возможности формирования гипергеометрических лазерных пучков методами дифракционной оптики / С.А. Балалаев, С.Н. Хонина, Р.В. Скиданов // Известия Самарского научного центра РАН. - 2008. - № 10(3). -С. 694-706.

85. * Skidanov, R. V. Rotation of spherical microobjects in the hyper-geometric beams /R. V. Skidanov, S. N. Khonina, A. A. Morozov, V. V. Kotlyar// Optical Memory & Neural Networks. - 2008. -V.17, N. 2. - P. 173182.

86. Mingwei, G. Generation and application of the twisted beam with orbital angular momentum / G. Mingwei, G. Chunqing, L. Zhifeng // Chinesse optics letters. -2007. - V.5, N.2.

87. * Скиданов, P. В. Оптическое вращение микрочастиц в гипергеометрических пучках, сформированных дифракционными оптическими элементами с многоуровневым микрорельефом / Р.В. Скиданов, С.Н. Хонина, А.А. Морозов // Оптический журнал. - 2013. -Т.80, № 10.-С.З-8.

88. * Морозов, А. А. ДОЭ для оптического вращения микромеханических устройств / А.А. Морозов, Р.В. Скиданов // Восьмая Международная Конференция "ГОЛОЭКСПО-20П", Сборник трудов и

официальные материалы научно-практической конференции "Голография. Наука и практика". - 2011. - С. 322-325.

89. * Морозов, А.А. Бинарные ДОЭ для формирования сложных вихревых пучков / А.А. Морозов, Р.В. Скиданов // Сборник трудов 9-й Международной конференции «ГолоЭкспо-2012» Голография. Наука и практика. - 2012. - С. 59-65.

90. * Morozov, A.A. Rotation of Microturbines by Multiring Optical Vortex /А. A. Morozov// Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics (Russia, Moscow-Samara, 4-8 July). - LPI, 2011. -SAMP 14 (DVD-ROM).

91. * Морозов, A.A. Сложные вихревые пучки для вращения микромеханических элементов / А.А. Морозов, Р.В. Скиданов // Компьютерная оптика. - 2013. - Т.37, № 1. - С.68-75.

92. Агафонов, А.Н. Анализ зависимости разрешающей способности технологии локального термохимического окисления от параметров структуры светочувствительной пленки хрома / А.Н. Агафонов, О.Ю. Моисеев, А.А. Корлюков // Компьютерная оптика. - 2010. -Т. 34, №1. — С.101-108.

93. Poleshchuk, A.G Polar coordinate laser pattern generator for fabrication of diffractive optical elements with arbitrary structure / A.G Poleshchuk, E.G. Churin, V.P. Koronkevich, V.P. Korolkov and et. // Appl. Opt. - 1999.-V. 38, № 8.-P. 1295-1301.