Спосіб отримання самозвідних оптичних пасток

Реферат: Спосіб отримання самозвідних оптичних пасток завдяки фокусуванню вихрових пучків. В площині оптичних пасток формують просторово неоднорідне за поляризацією поле, в якому вздовж лінії з лінійною поляризацію утворюють екстремум поляризаційного азимута. Поле пропускають через поляризатор та утворюють самозвідні вихрові пастки, які рухаються при обертанні поляризатора і зводяться в одній точці простору, коли вісь поляризатора перпендикулярна до напрямку коливання вектора поля в точці екстремуму азимута поляризатора. UA 80693 U (54) СПОСІБ ОТРИМАННЯ САМОЗВІДНИХ ОПТИЧНИХ ПАСТОК UA 80693 U UA 80693 U 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 55 60 Корисна модель належить до фізичної оптики, лазерної фізики і може бути використана для захоплення й керування поглинаючими мікро- та нанооб'єктами, в мікробіології, генній інженерії, прецензійній хімії, фармакології тощо. Відомий спосіб формування світлих оптичних пасток, які утворюються внаслідок фокусування гаусова пучка (A. Ashkin, "Acceleration and trapping of particles by radiation pressure", Phys. Rev. Letters, 24, pp. 156-159, 1970). Недоліком цього способу є те, що така світла оптична пастка може захоплювати лише прозорі мікро- та нанооб'єкти. Найближчим до того, що заявляється, є спосіб формування темних вихрових оптичних пасток, які утворюються внаслідок фокусування вихрового пучка, що може бути отриманий, наприклад, внаслідок дифракції гаусова пучка на вихровій синтезованій голограмі (K.N. Gahagan and G.A. Swartzlander. "Optical vortex trapping of particles", Opt. Letters, 21, pp. 827-829, 1996). Недоліком цього способу є те, що, застосовуючи його, можна формувати лише одиничні окремо розташовані оптичні пастки, наприклад, як результат дифракції окремих пучків на відповідних синтезованих голограмах. Як наслідок цього, захоплення та зведення двох і більше мікро- та нанооб'єктів до однієї точки простору ускладнюється або взагалі неможливе. В основу корисної моделі поставлена задача створення способу формування темних оптичних пасток, які за рахунок виділення лінійно поляризованої проекції просторово неоднорідної за поляризацією сфокусованої хвилі, можна було б за допомогою зміни оптичних параметрів хвилі пересувати у просторі і врешті-решт звести в одній точці простору. Основна ідея способу ґрунтується на основі наступних фактів. У сфокусованій векторній оптичній хвилі з неоднорідною поляризацією в площині формування оптичних пасток можна виділити лінії, s-контури, уздовж яких поляризація лінійна. Запропонований спосіб відрізняється тим, що поле неоднорідне за поляризацією формують таким чином, щоб азимут лінійної поляризації вздовж s-контуру має екстремум. Після цього у пучок вводять поляризатор, з можливістю зміни орієнтації його осі. В залежності від орієнтації осі поляризатора за ним формують відповідну лінійно поляризовану проекцію поля. В місцях sконтуру, де орієнтація вектора поля перпендикулярна до орієнтації осі поляризатора виникають нулі амплітуди (вихрові пастки) цієї проекції. При зміні орієнтації осі поляризатора виділяють іншу проекцію поля і як наслідок вихрові пастки рухаються вздовж s-контуру. В залежності від напрямку обертання поляризатора вихори сходяться або розходяться. Далі поляризатор обертають в напрямку, при якому вихори сходяться та прямують до точки екстремуму азимута. При орієнтації осі поляризатора, перпендикулярній до напрямку коливання поля в точці екстремуму, вихрові пастки автоматично з'єднуються в цій точці. На фіг. 1 наведено графічне пояснення отримання самозвідних вихрових оптичних пасток та їх зведення в одній точці простору. На фіг. 1 надана ділянка s-контуру з відповідними орієнтаціями вектора поля в його різних точках. Нижче схематично наведений розподіл азимута поляризації вздовж s-контуру, з якого випливає, що в точці 3 спостерігається екстремум (для визначеності максимум) азимута поляризації. Фігура 1 ілюструє локалізацію темних вихрових пасток V1 та V2 , які утворюються в лінійно поляризованій проекції поля після проходження поля через поляризатор для різних орієнтацій осі поляризатора. На фігурах позначений sконтур та положення темних вихрових пасток V1 та V2 . Справа від s-контуру наведено орієнтацію осі поляризатора. Фігура 1 наведена для випадків, коли вісь поляризатора перпендикулярна вектору поля в точках 1,1' та 2,2' відповідно. Фігура 1 відповідає випадку, коли вісь поляризатора перпендикулярна вектору поля в точці 3 і вихрові пастки сходяться в одній точці. На фіг. 2 наведені розподіли інтенсивності ортогонально лінійно поляризованих компонент поля з екстремумом азимута лінійної поляризації (фіг. 2) та фазова карта компоненти з двома вихорами (фіг. 2). Перша ортогональна компонента має безвихровий нуль інтенсивності (фіг. 2). Друга формується як комбінація двох вихорів (нулів інтенсивності) з рознесеними центрами. На фазовій карті другої компоненти (фіг. 2) додатково нанесені s-контури, які формуються при різній різниці фаз між компонентами. Товсті суцільна та пунктирна лінії - s-контури для нульової різниці фаз та різниці фаз  / 6 відповідно. На фіг. 3 наведена структура комп'ютерно синтезованої голограми, для отримання ортогональної компоненти з двома вихорами різних знаків. На фіг. 4 наведена структура комп'ютерно синтезованої голограми, для отримання ортогональної компоненти з безвихровим нулем інтенсивності. На фіг. 5 наведена схема для конкретної реалізації способу отримання самозвідних темних пасток: 1 - лазер, 2 - світлоподільник, 3 - дзеркало, 4 - комп'ютерно синтезована голограма для 1 UA 80693 U 5 10 15 отримання компоненти з безвихровим нулем інтенсивності, 5 - чвертьхвильова пластинка, 6 поляризатор, 7 - дзеркало на п'єзокераміці 8 - комп'ютерно синтезована голограма для отримання компоненти з двома вихорами різних знаків, 9 - світлоподільник, 10 - вихідний поляризатор, 11 - фур'є-трансформуючий (фокусуючий) об'єктив, 12-CCD-камера, Р1, Р2 площини, розташування яких співпадає з передньою фокальною площиною об'єктива 11, Р 3 задня фокальна площина об'єктива 11. На фіг. 6 наведені результати тестування ортогональних компонент поля з екстремумом азимута лінійної поляризації, а - розподіл інтенсивності поля UI u, v  , першої ортогональної компоненти, компоненти з двома вихорами різних знаків; в - розподіл інтенсивності поля UII u, v  , другої ортогональної компоненти, компоненти з безвихровим нулем інтенсивності; Фігури (б) та (г) - результати інтерферометричного тестування полів UI та UII відповідно, L in відстань між вихорами поля UI u, v  . На фіг. 7 наведені кінцеві результати тестування способу отримання самозвідних оптичних пасток. Фігура 7 ілюструє рух самозвідних оптичних пасток в залежності від орієнтації осі вихідного поляризатора 10 (див. фіг. 5). Кожна наступна фігура відповідає зміні кута орієнтації осі поляризатора на  / 3 , та результат остаточного зведення пасток.  Сформуємо в області пасток векторне поле Uu, v  з s-контуром, який має екстремум поляризаційного азимута     (1) Uu, v    Uf x, y   UI u, v   UII u, v  ,  де - Uf x, y  поле до фокусування пучка в передній фокальній площині об'єктива, поля    UI u, v  , UII u, v  лінійно поляризовані компоненти поля Uu, v  , u, v і x, y координати в площині пасток та в передній фокальній площині об'єктива відповідно.   Розподіли інтенсивності полів UI u, v  та UII u, v  представлені на фіг. 2. Розподіл фази поля  20  UI u, v  представлений фігурою 2. Фаза поля UII u, v  стала на всій площі області суперпозиції, 25 30   s-контур, сформований в результаті інтерференції полів UI u, v  та UII u, v  , незамкнутий і має відносно просту форму. Форма і локалізація s-контуру визначає траєкторію зведення пасток і залежить від різниці фаз між ортогональними компонентами. Такий контур для нульової різниці фаз між інтерферуючими пучками (фіг. 2) вказаний товстою суцільною лінією, s-контур прямує вздовж інших еквіфазних ліній поля UI u, v  , якщо різниця фаз інтерферуючих пучків не дорівнює нулю. Позиція s-контуру, що відповідає різниці фаз  / 6 , показана (фіг. 2) пунктирною лінією.   Як і поля Uu, v  та Uf x, y  поля UI u, v  та UII u, v  пов'язані з полями Uf Ix, y  та Uf IIx, y  , сформованими в передній фокальній площині об'єктива, оберненим перетворенням Фур'є: U x, y    1 u, v  Uf II  f II . (2)  1 Uf Ix, y     f Iu, v  U  Поле Uf Ix, y  в площині x, y має такий вигляд:  2 Uf Ix, y    exp   2b 2   40 (3) ,   arctan y  ,  - кутовий параметр.   x Таке поле реалізується за допомогою синтезованої голограми, структура якої ілюструється фіг. 3. Щодо поля UII u, v  , то його особливістю є те, що в його центрі формується безвихровий де -   x 2  y 2 35   expj  x sin    exp j  x sin  ,   1/ 2 нуль амплітуди. Поле UII u, v  формується за допомогою голограми, структура якої ілюструється фіг. 4. Ця голограма може бути представлена як суперпозиція двох голограм, смуги яких зсунуті відносно одна одної на півперіоду. Нульова інтенсивність в точці u=0, v=0 досягається поступовим зменшенням (дифрагмуванням) зовнішнього кільця голограми. "Самозвідні" оптичні пастки отримуються шляхом інтерференції двох ортогонально лінійно поляризованих пучків (фіг. 5). Лінійно поляризований пучок від He-Ne лазера 1, направляється в 2 UA 80693 U 5 10 15 20 інтерферометр Маха-Цанднера, утворений світлоподільниками 2,9 та дзеркалами 3,7. Чвертьхвильова пластинка 5 перетворює лінійну поляризацію на циркулярну. Вісь поляризатора 6 орієнтована таким чином, що після нього формується поле, ортогональне за поляризацією до поляризації пучка, який розповсюджується в іншій нозі інтерферометра. Ортогонально поляризовані пучки освітлюють комп'ютерно синтезовані голограми 4 та 8 для формування полів UI u, v  та UII u, v  . +1-i порядки хвиль, дифрагованих на голограмах, зводяться світлоподільником 9. Фур'є-трансформуючий (фокусуючий) об'єктив 11 фокусує результуюче поле в площині формування оптичних пасток Р3. Результуюча інтерференція задовольняє умові нульового відхилення (кут між пучками суперпозиції близький до нуля). Голограми 4 та 8 розташовані в передній фокальній площині об'єктива 11. Тому поле в площині Р3 є сумою фур'є-перетворень полів, сформованих безпосередньо після голограм. Вихідний поляризатор 10, розташований перед об'єктивом 11, забезпечує отримання лінійно поляризованих проекцій результуючого поля, тобто отримання та керування рухом оптичних пасток. Розташування пасток можна змінювати обертанням поляризатора 10 на певний кут. Дзеркало 7, що закріплене в п'єзокерамічній основі, забезпечує додаткову можливість для керування рухом пасток. Використання п'єзокераміки дозволяє отримати діапазон зміни фаз між двома пучками в діапазоні більшому за ~ 5π/2. В результаті це дає суттєвий діапазон траєкторій s-контурів. Результат тестування ортогонально поляризованих полів UI u, v  та UII u, v  ілюструється фіг. 6. З фігури видно, що мінімум поля UI , співпадає з максимумом UII (відстані між центрами вихорів поля 25 30 UI еквівалентні розміру світлового кільця поля UII ). Інтерферометричне тестування полів UI та UII продемонстровано фіг. 6. Два вихори з різними знаками топологічних зарядів формуються в полі UI (фіг. 6). Цей факт випливає з різних напрямків інтерференційних вилочок на позиціях вихорів. При цьому фаза поля UII практично незмінна в області спостереження, що підтверджується рівними інтерференційними смугами зі сталим періодом (фіг. 6). Остаточний результат тестування самозвідних оптичних пасток представлений фіг. 7. На якому можна побачити, що пастки зводяться в результаті обертання поляризатора 10. Повне зведення пасток, якому відповідає поява однієї темної плями, продемонстроване фіг. 7. Запропонований спосіб забезпечує отримання самозвідних темних пасток, керування їх локалізацією та їх зведення в одній точці простору. ФОРМУЛА КОРИСНОЇ МОДЕЛІ 35 40 45 1. Спосіб отримання самозвідних оптичних пасток завдяки фокусуванню вихрових пучків, який відрізняється тим, що в площині оптичних пасток формують просторово неоднорідне за поляризацією поле, в якому вздовж лінії з лінійною поляризацію утворюють екстремум поляризаційного азимута, після чого поле пропускають через поляризатор та утворюють самозвідні вихрові пастки, які рухаються при обертанні поляризатора і зводяться в одній точці простору, коли вісь поляризатора перпендикулярна до напрямку коливання вектора поля в точці екстремуму азимута поляризатора. 2. Спосіб отримання самозвідних оптичних пасток за п. 1, який відрізняється тим, що поле з екстремумом азимута лінійної поляризації формують шляхом суперпозиції двох ортогонально лінійно поляризованих компонент, одна з яких містить рознесені у просторі два вихори з топологічними зарядами різних знаків, а інша має безвихровий нуль інтенсивності, який за локалізацією не співпадає з центрами вихорів першого пучка та розташований між ними. 3 UA 80693 U 4 UA 80693 U 5 UA 80693 U Комп’ютерна верстка Л. Литвиненко Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601 6