Формирование вихревых лазерных пучков, создающих вращающий момент движения микрообъектов сложной формы тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.05 ВАК РФ
|
Морозов, Андрей Андреевич
АВТОР
|
||||
|
кандидата физико-математических наук
УЧЕНАЯ СТЕПЕНЬ
|
||||
|
Самара
МЕСТО ЗАЩИТЫ
|
||||
|
2013
ГОД ЗАЩИТЫ
|
|
01.04.05
КОД ВАК РФ
|
||
|
|
||||
На правах рукописи
Гч
А
¿А
<1
Морозов Андрей Андреевич
Формирование вихревых лазерных пучков, создающих вращающий момент движения микрообъектов сложной формы
01.04.05-Оптика
5 ДЕК 2013
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Самара-2013
005542053
005542053
Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)» на кафедре технической кибернетики и федеральном государственном бюджетном учреждении науки Институте систем обработки изображений Российской академии наук.
Научный руководитель - доктор физико-математических наук, доцент
Скиданов Роман Васильевич
Официальные оппоненты:
Карпеев Сергей Владимирович, доктор физико-математических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королева (национальный исследовательский университет)», кафедра наноинженерии, профессор; Никонов Владимир Иванович, кандидат физико-математических наук, доцент, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Самарский государственный университет», кафедра оптики и спектроскопии, доцент.
Ведущая организация - Самарский филиал Федерального государственного бюджетного учреждения науки Физического института имени П.Н. Лебедева Российской академии наук.
Защита состоится 19 декабря 2013 г. в 10:00 на заседании диссертационного совета Д 212.215.01, созданного при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С. П. Королёва (национальный исследовательский университет)» (СГАУ) по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, д.34.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ.
Автореферат разослан 15 ноября 2013 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, к. т. н., профессор ^ШІШІ^Щ^^ В. Г. Шахов
Общая характеристика работы
Актуальность. Проблема создания вращательного момента в микромеханических системах с помощью специальных пучков имеет долгую историю. Основной упор в работах по этой теме делается как на принципиальную возможность вращения элементов микромеханических систем, так и на саму технологию изготовления таких элементов. Есть работы, посвященные теоретическим аспектам процесса вращения микрообъектов в световых пучках. Развитие этой тематики в настоящее время сводится в основном к практическому приложению вращения микрообъектов в световых пучках к конкретным задачам. В некоторых работах задача вращения рассматривается в совокупности с другими задачами: сортировки, перемещения, позиционирования и др.
Есть множество работ, в которых рассматриваются световые 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; могут образовывать световую «трубку» или световую полость на оптической оси; могут восстанавливаться через некоторое расстояние после препятствия, расположенного на оптической оси; могут обладать орбитальным угловым моментом. В основном все эти свойства присущи и гипергеометрическим пучкам.
В последнее время появились работы, в которых форму вращаемого объекта согласуют с формой простого вихревого пучка, таким образом, чтобы преломляясь через объект, пучок передавал максимальный вращающий момент. Есть работы по вращению микрообъектов, изготовленных из двулучепрелом-ляющих материалов. При прохождении сфокусированного циркулярно-поляризованного пучка через такие объекты лучи будут отклоняться таким образом, что объекту будет передаваться вращающий момент. Есть готовые системы наноманипулирования, изготовленные методом двухфотонной полимеризации. В работе S. Maruo, Journal of Microelectromechanical Systems 12, 533 (2003) таким методом изготавливают шестеренки, закрепленные на оси, и демонстрируют их вращение, захватывая один из зубцов лазерным лучом и перемещая этот луч по кругу. В работе Hiroo Ukita, Optical Review 15, 97 (2008) осуществлено вращение трехлопастной турбинки в простом гауссовом пучке. Вращение достигалось за счет того, что пучок был сходящимся, а прямые лопасти были смещены относительно оси вращения таким образом, чтобы падающие под наклоном лучи, преломляясь и отражаясь на поверхностях этих лопастей, передавали турбине вращающий момент.
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 (Shoji Maruo, Hiroyuki Inoue).
2. Выбор особого материала, который вращается в циркулярно поляризованном свете (Xiudong Sun; L. Paterson; Bretenaker F., Le Floch A.; Chang S., Lee S. S.).
3. Вращение микрообъектов специальной формы плоским или гауссовым пучком (S.K. Mohanty; Ye Tian; N К Metzger, M Mazilu, L Kelemen, P Or-mos and К Dholakia; Hiroo Ukita; S. Maruo).
4. Вращение микрообъектов в световом пучке известного типа (пучке Бесселя (К. Volke-Sepulveda; С.Н. Хонина ), гипергеометрическом пучке (В.В. Котляр), простом вихревом пучке (Friese M. Е. J.; Не H.) и т.д.).
5. Вращение микрообъекта с формой, оптимизированной под форму вихревого пучка (работы группы Xiao-Feng Lin).
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 микрообьек-та - он должен быть двулучепреломляющим, что также накладывает большие сложности на изготовление 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 сложные формы микрообъектов, которые будут вращаться при освещении их световым полем с конкретно заданными параметрами. Это делает третий способ не универсальным и требует изготовления специальных микрообъектов сложной формы.
По сравнению с первыми тремя типами вращений микрообъектов, метод, представленный в данной работе, не накладывает больших ограничений на вращаемый объект, а также 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, получившего нужную задержку по фазе с помощью ДОЭ или динамического модулятора света. Увеличивать эффективность передачи вращающего момента и соответственно скорость вращения микрообъекта при использовании вихревых пучков можно несколькими способами. Во первых, можно существенно увеличить скорость вращения микрообъекта, увеличивая орбитальный угловой момент. Однако этот процесс имеет естественное ограничение. В самом деле, максимально эффективная передача вращательного момента возможна 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 будет сосредоточена в очень узкой области, что при большом повышении 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, не опасаясь повредить микрообъект. Наряду с этим преимуществом сложные вихревые пучки не исключают и позволяют, также 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 полученных результатов состоит в следующем:
1. Экспериментально осуществлен захват и вращение группы прозрачных полистироловых сферических микрочастиц в вихревом лазерном
пучке седьмого порядка, сформированном многоуровневым дифракцион-
ным 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.
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.
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.
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: VII, VIII, X Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике (г. Самара, 2009, 2010, 2012); 8-я Международная конференция ТОЛОЭКСПО-2011" (НОШЕХРО-2011) (Республика Беларусь, г. Минск, 2011); 9-я Международная конференция "ГолоЭкспо-2012". Голография. Наука и практика, (г. Суздаль, 2012); 10-я Международная конференция «ГолоЭкспо-2013» (г.Москва, Россия, 2013); Перспективные информационные технологии для авиации и космоса (ПИТ-2010). Международная конференция с элементами научной школы для молодежи (г. Самара, 2010); Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics (г. Самара, 2011).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (93 наименования), изложена на 89 страницах, содержит 57 рисунков.
Основное содержание работы
Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, сформулированы ее цель и задачи, дан краткий обзор работ по теме исследования, показана научная новизна, практическая значимость полученных результатов, приводятся положения, выносимые на защиту.
В первой главе рассматривается метод расчета силы, действующей на микрочастицу в вихревом пучке (Рисунок 1).
а) б)
Рисунок 1 - Силы, действующие на микрочастицу (а), направленная вдоль кольца сила, действующая на микрочастицу (б)
Ртр - сила трения, Р2 - 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).
На основе этого вычисляется ряд свойств гипергеометрических (ГГ) пучков. С помощью этих свойств можно будет делать выбор в пользу одного или другого пучка в зависимости от требований задачи.
Рисунок 2 - Фазы ДОЭ и распределения интенсивности и фазы, формируемые ими, с нелинейными параметрами изготовления (а, б, в) и при стандартном микрорельефе (г, д, е)
Далее рассматривается формирование ГГ пучка с помощью полутонового элемента, изготовленного методом электронной литографии. Показано, что изготовление микрорельефа с предыскажением приводит к отклонениям в формировании пучка. Результаты моделирования формирования гипергеометрического пучка с заданным предыскажением микрорельефа показаны на рисунке 2 а, б, в. Для сравнения на рисунке 2 г, д, е, приведен гипергеометрический пучок, полученный от стандартного микрорельефа без искажений. Видно, что интенсивность пучка вместо кольцевого приобретает вид многолучевой спирали. Причем такая спиральная структура характерна и для фазы идеального пучка.
Показано, что величина абсолютного значения силы, действующей на сферический микрообъект в вихревом пучке, сформированным ДОЭ с предыскажением микрорельефа, даже больше, чем в чистом ГГ пучке.
а) б) в) г)
Рисунок 3 - Стадии движения группы полистироловых микрочастиц, снятые с интервалом 0,5 с
Далее проведен эксперимент по вращению микрочастиц в гипергеометрическом пучке, формируемым полутоновым ДОЭ с предыскажением микрорельефа. Для эксперимента были использованы полистироловые микрочастицы сферической формы диаметром 5 мкм. Взвесь таких микрочастиц в воде была помещена в сформированный световой пучок. CCD камера регистрировала движение микрочастиц в сформированном пучке возле дна кюветы. На рисунке 3 представлены стадии движения группы микрочастиц в вихревом пучке, сформированным ДОЭ с предыскажением микрорельефа.
Показано, что вихревой пучок, сформированный ДОЭ с предыскажением микрорельефа, на 40% эффективнее передает момент вращения, чем пучок Бесселя той же мощности, порядка и размера.
Во второй главе рассматриваются методы формирования композиционных лазерных вихревых пучков, которые позволяют получить более широкое распределение интенсивности формируемого пучка по радиусу по сравнению с простыми оптическими вихрями. Такие пучки увеличат площадь поверхности объекта, на которой происходит взаимодействие с пучком, что позволит использовать пучки большей мощности, а следовательно увеличить передаваемый вращающий момент.
Вначале рассматривается формирование многокольцевых оптических вихрей, имеющих в распределении интенсивности несколько колец с одинаковым орбитальным угловым моментом. Также рассматриваются некоторые свойства таких пучков. На рисунке 4 представлены примеры ДОЭ, формирующих многокольцевые оптические вихри.
.....
а)
б)
Рисунок 4 - ДОЭ для формирования вихревого пучка из нескольких световых колец: 3-го
порядка (а), 7-го порядка (б) К сожалению, все кольца таких пучков имеют одинаковый порядок винтовой фазы. Это означает, что в кольцах с разным диаметром будет разный на-
н
щ
б)
в)
Рисунок 5 - Сечение фазовой функции вихревого пучка 3-го порядка по радиусу, равному 1 мкм, (а), сечение фазовой функции вихревого пучка 3-го порядка по радиусу, равному 1,5 мкм, (б), трёхмерная модель фазовой поверхности с изображением направления распространения света в виде стрелок (в)
При создании микротурбины с прямыми лопастями (то, что позволяет технология) эффективность передачи момента вращения от разных колец будет разная. Для увеличения этой эффективности необходимо, чтобы наклон волнового фронта для разных световых колец был одинаковым. Поэтому далее было предложено формировать композиционные лазерные вихревые пучки путем создания ДОЭ на основе элементов, формирующих многокольцевые вихревые пучки, но с набором кольцевых зон, имеющих разный орбитальный угловой момент.
Показано, что полученные элементы дают более широкое распределение интенсивности формируемого пучка вдоль радиуса по сравнению с простыми оптическими вихрями, а также орбитальный угловой момент у таких пучков растет при удалении от центра пучка. При этом, формируемое распределение интенсивности имеет не кольцевой вид, но имеет равномерное распределение интенсивности по полярному углу (Рисунок 6), и для микрообъектов, соизмеримых с размером пучка, суперпозиция сил, действующих со стороны пучка, будет направлена на передачу вращающего момента.
4 О 3
1,0 0.9 0.8
б)
I і і і і і і і 1 1 1 1 1 1 1 1
і і і і і і і І 1 1 1 1 1................1................і 1
1.3
2.9
3.8
5.0
Ф
в)
Рисунок 6 — Фазовая функция ДОЭ для формирования суперпозиции оптических вихрей 5-го и 15-го порядков (а), распределение интенсивности в суперпозиции оптических вихрей 5-го и 15-го порядков (б), график величины Щ, - суммарная интенсивность пучка по выделенному сектору,1тах - максимум величины <р - полярная координата) в суперпозиции оптических вихрей 5-го и 15-го порядков (в) Для проведения экспериментов рассчитанные ДОЭ были изготовлены на стеклянных подложках. На рисунке 7 приведена фазовая функция дифракционного оптического элемента, формирующего суперпозицию восьми вихревых световых пучков 6, 12, 18, 24, 30, 36, 42, 48 порядков, а также экспериментальное распределение интенсивности и фаза формируемого пучка, из которых видно, что интенсивность равномерно распределена по радиусу, а наклон фазы при удалении от центра почти не уменьшается.
а) б)
Рисунок 7 - Фазовая функция ДОЭ для формирования суперпозиции восьми вихревых световых пучков 6, 12, 18, 24, 30, 36, 42, 48 порядков (а), распределение интенсивности и фазы в сформированном им пучке (б, в) Для проверки возможности вращения микрообъектов в композиционных лазерных вихревых пучках был проведён ряд экспериментов. Для проведения эксперимента по вращению микрообъектов в композиционных лазерных вихре-
вых пучках была использована оптическая установка, схема которой приведена на рисунке 8. В данной схеме ввод лазерного луча осуществляется снизу, уменьшая тем самым силу трения, которая усиливается в случае, когда лазер подведен сверху и прижимает частицы к подложке вследствие светового давления.
Рисунок 8 - Оптическая схема установки по вращению агломерации микрочастиц в композиционном лазерном вихревом пучке. 1 - лазер; 2 - диафрагма; 3 - поворотное зеркало; 4 -ДОЭ; 5 - микрообъектив(х20); 6 - предметное стекло; 7 - раствор; 8 - мнкрообъектив(х20); 9 - треугольная призма; 10 - набор светофильтров; 11 - CCD камера; 12 - фоновая подсветка На рисунке 9 представлен результат эксперимента по вращению агломерации микрочастиц в пучке, являющемся суперпозицией оптических вихрей 1-го и 6-го порядков. А на рисунке 10 показан результат эксперимента по вращению более крупной агломерации микрочастиц в пучке, являющемся суперпозицией оптических вихрей 6, 12 18, 24, 30, 36, 42 48 порядков.
г) д) е)
Рисунок 9 — Стадии движения агломерации полистироловых микрочастиц с интервалом 8 с в пучке, являющемся суперпозицией оптических вихрей 1 -го и 6-го порядков
# V а&хш * . А; = 1 / # у/ зазю'
V »- 3 |
■«'• ^--а Ш I I ,<-1г——2—_
г) д) е)
Рисунок 10 - Стадии движения агломерации полистироловых микрочастиц с интервалом 13 с в пучке, являющемся суперпозицией оптических вихрей 6, 12, 18, 24, 30, 36, 42, 48 порядков
Третья глава диссертации посвящена изготовлению и вращению микрообъектов специальной формы для демонстрации возможного и эффективного применения предложенных новых световых ловушек в различных задачах микромеханики и, в частности, для создания микродвигателя.
Описываются технологии изготовления микротурбин из хрома и из фоторезиста методом литографии.
Микротурбины формировалась в четыре этапа:
1. Напыление пленки хрома на стеклянные подложки магнетронным методом - толщина пленки около 100 нм.
2. Формирование топологического рисунка элементов воздействием лазерного излучения (термохимия) на станции лазерной записи СЬ\У8-200 (Россия, Новосибирск).
3. Травление подложки жидкостным методом в растворе плавиковой кислоты до отделения элементов от подложки.
4. Фильтрация полученной взвеси для сепарации рабочих элементов.
Также были изготовлены микротурбины из задубленного позитивного фоторезиста 9120 толщиной около 1,5 мкм с использованием стандартных процессов «мокрой» фотолитографии:
1. нанесение фоторезиста методом центрифугирования;
2. сушка на воздухе в течение 30 мин;
3. сушка в термошкафу при 90 С° в течение 30 мин;
4. экспонирование в УФ через фотошаблон;
5. проявление (вымывание) засвеченных участков фоторезиста;
6. задубливание слоя в термошкафу при 120 С° в течение 40 мин;
7. травление подложки в концентрированной плавиковой кислоте до отделения микроструктур от подложки;
8. сепарация изготовленных микротурбин.
Для вывода на станции лазерной записи были подготовлены файлы фотошаблонов для микротурбин. Затем путем экспонирования и травления микротурбин с подложке была получена водная суспензия с микротурбинами. На ри-
сунке 11 представлена трехмерная реконструкция формы отдельной микротурбины из резиста. _
Рисунок 11 - Изображение микротурбины из резиста на поверхности стеклянной подложки
К сожалению, изготовленные по данным технологиям турбины были слишком тонкие, не имели достаточного наклона в сечении лопатки и, как показали эксперименты, оказались неэффективны для передачи им вращающего момента, поэтому дальнейшая работа была направлена на создание микротурбин из резиста методом двухфотонной полимеризации. Для реализации использовалась установка трехмерного микроструктурирования МЗБББ производства Ганноверского лазерного центра.
На рисунке 12 представлены трехмерные модели, созданные для изготовления микротурбин на установке трехмерного микроструктурирования МЗББЗ.
а) б)
Рисунок 12 - Трехмерные модели микротурбин для установки трехмерного микроструктурирования М3088. (а) - модель турбины с цилиндрической лопаткой, (б) - модель турбины с лопаткой треугольного сечения Для проведения эксперимента по вращению микрообъектов специальной формы, изготовленных на установке трехмерного микроструктурирования МЗІ^Б, в композиционных лазерных вихревых пучках была использована оптическая установка, схема которой приведена на рисунке 13 а.
На рисунке 13 б показаны изображения изготовленного набора турбин, полученные с помощью электронного микроскопа. Диаметр изготовленных микротурбин 50мкм.
а) б)
Рисунок 13 - Оптическая схема установки по вращению полимерных микротурбин в композиционном лазерном вихревом пучке (а). 1 - лазер; 2 - диафрагма; 3 - полупрозрачное зеркало; 4 - ДОЭ; 5 - микрообъектив(х20); 6 - кювета с образцом; 7 - дистиллированная вода; 8 - микрообъектив(х20); 9 - треугольная призма; 10 - набор светофильтров; 11 - CCD камера; 12 -фоновая подсветка. Изображения изготовленных микротурбин, полученные с помощью электронного микроскопа (б) Для фокусировки лазерного пучка и формирования изображения для наблюдения использовались микрообъективы 20х. Лазерный пучок с длиной волны 532 нм и мощностью 1,8 Вт вводился вместе с фоновой подсветкой снизу, а наблюдение велось сверху в проходящем свете.
Изготовленные микротурбины были помещены в кювету с дистиллированной водой. Вращение осуществлялось композиционным лазерным вихревым пучком, являющимся суперпозицией вихревых пучков 6, 12, 18, 24, 30, 36, 42 и 48 порядков. На рисунке 14 представлены стадии вращения полимерной микротурбины в данном пучке.
Шита
В)
Г)
Рисунок 14 - Стадии движения полимерной микротурбины с интервалом 7с в пучке, являющемся суперпозицией вихревых пучков 6, 12, 18, 24, 30, 36, 42 и 48 порядков Технология изготовления микротурбин таким методом до конца еще не отработана, поэтому, как можно заметить из рисунков 13 б и 14, микротурбина имеет не идеальную форму и дефект. Но даже такая микротурбина имеет форму, более согласованную с пучком, чем простая агломерация микрочастиц, в результате чего микротурбина вращается вдвое быстрее, чем соизмеримая с ней агломерация микрочастиц, при том, что вращение осуществляется не на по-
верхности капли раствора, а в его толще на дне кюветы, это означает, что передаваемый вращающий момент существенно вырос.
В заключении перечислены основные результаты, полученные при выполнении данной диссертационной работы:
1. При помощи многоуровнего ДОЭ с предыскажением (созданным с помощью особенностей технологии изготовления) формы микрорельефа сформирован лазерный вихревой пучок 7-го порядка (длина волны 532 нм) с равномерным распределением интенсивности в сечении пучка, с помощью которого осуществлен оптический захват и вращение группы (до 6) полистироловых сферических микрообъектов (диаметром 5 мкм). Экспериментально показано, что скорость вращения группы микрочастиц в таком пучке превосходит скорость вращения такой же группы микрочастиц в аналогичном по энергии и порядку пучке Бесселя на 40%.
2. Рассчитаны составные бинарные фазовые ДОЭ из кольцевых областей для формирования композиционных лазерных вихревых пучков, вращающих микрообъекты, размеры которых сопоставимыми с поперечными размерами этих пучков. Экспериментально показано, что лазерные вихревые пучки этого типа имеют преимущество перед вихревыми пучками с однокольцевым распределением интенсивности. Такие пучки за счет более равномерного распределения интенсивности в сечении пучка позволяют увеличить передаваемый момент вращения за счет увеличения мощности излучения без теплового повреждения микрообъекта.
3. С помощью составных бинарных ДОЭ сформированы лазерные вихревые пучки (вплоть до 48 порядка) с более равномерным распределением интенсивности в сечении пучка, с помощью которых осуществлено вращение (с угловой скоростью до 0,25 с"1, при мощности лазерного пучка 200 мВт и длиной волны 532 нм) слипшихся полистироловых сферических микрочастиц (до 100 частиц диаметром 5 мкм) и полимерной микротурбины (диаметром 50 мкм).
Основные результаты опубликованы в ведущих рецензируемых научных изданиях, рекомендованных ВАК России
1. Морозов, A.A. 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.
2. Скиданов, Р.В Расчет силы, действующей на сферический микрообъект в гипергеометрических пучках / Р.В. Скиданов, С.Н. Хонина, A.A. Морозов, В.В. Котляр // Компьютерная оптика. - 2008. - Т.32. - С. 39-42.
3. 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. 173-182.
4. Скиданов, Р.В. Оптическая микроманипуляция с использованием микровзрывов частиц полистирола /Р.В. Скиданов, A.A. Морозов // Компьютерная оптика. - 2010. - Т.34, № 3. - С.302-307.
5. Морозов, A.A. Формирование светового поля для линейного перемещения микрообъекта / A.A. Морозов // Вестник Самарского государственного аэрокосмического университета имени академика С. П. Королева (национального исследовательского университета). - 2010. — Т.24. - С. 232-237.
6. Скиданов, Р.В. Составной световой пучок и микровзрывы для оптической микроманипуляции / Р.В. Скиданов, A.A. Морозов, А.П. Порфирьев // Компьютерная оптика. - 2012. - Т.36, № 3. - С.371-376.
7. Морозов, A.A. Сложные вихревые пучки для вращения микромеханических элементов / A.A. Морозов, Р.В. Скиданов // Компьютерная оптика. - 2013. - Т.37, № 1. -С.68-75.
8. Морозов, A.A. Вращение микротурбин в сложных вихревых пучках/ A.A. Морозов, Р.В. Скиданов // Компьютерная оптика. - 2013. - Т.37, № 2. - С.203-207.
9. Скиданов, Р. В. Оптическое вращение микрочастиц в гипергеометрических пучках, сформированных дифракционными оптическими элементами с многоуровневым микрорельефом / Р.В. Скиданов, С.Н. Хонина, A.A. Морозов // Оптический журнал. - 2013. - Т.80, № 10. - С.3-8.
Подписано в печать 12 ноября 2013 г. Формат 60x48/16. Тираж 100 экз. I ■Отпечатано с готового оригинал-макета заказчика.
443086, г. Самара, Московское шоссе, 34, СГАУ.
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «САМАРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ
УНИВЕРСИТЕТ ИМЕНИ АКАДЕМИКА С.П. КОРОЛЁВА (НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)»
ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ НАУКИ ИНСТИТУТ СИСТЕМ ОБРАБОТКИ ИЗОБРАЖЕНИЙ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
создающих вращающий момент движения микрообъектов сложной формы
На правах рукописи
04201455432
Морозов Андрей Андреевич
Формирование вихревых лазерных пучков,
01.04.05 - Оптика
Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Научный руководитель д.ф.-м.н. Р.В. Скиданов
Самара - 2013 г.
ОГЛАВЛЕНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.........................................................................................................................................3
ГЛАВА 1. Вращение микрообъектов в гипергеометрических пучках.......................................13
1.1 Расчет силы в гипергеометрических пучках........................................................................13
1.2 Вращение группы микрообъектов в вихревом пучке, сформированным ДОЭ с предыскажением рельефа............................................................................................................24
1.2.1 Изготовление многоуровневого ДОЭ............................................................................24
1.2.2 Оптическая схема эксперимента....................................................................................28
1.2.3 Эксперимент.....................................................................................................................28
1.3 Основные результаты, полученные в главе 1......................................................................32
ГЛАВА 2. ДОЭ для формирования композиционных лазерных вихревых полей....................33
2.1 Композиционные лазерные вихревые пучки.......................................................................33
2.2 Моделирование вращения микрообъекта в композиционных лазерных вихревых пучках............................................................................................................................................42
2.3 Формирование композиционных лазерных вихревых пучков...........................................44
2.3.1 Формирование суперпозиции оптических вихрей высоких порядков.......................44
2.3.2. Экспериментальное формирование суперпозиций вихревых пучков.......................46
2.4 Вращение агломераций микрочастиц в композиционных лазерных вихревых пучках..51
2.5 Основные результаты, полученные в главе 2......................................................................56
ГЛАВА 3. Вращение микрообъектов специальной формы..........................................................57
3.1 Изготовление микрообъектов специальной формы из хрома и из резиста......................57
3.1.1 Процесс изготовления микротурбин для вращения в жидкости методом фотолитографии........................................................................................................................57
3.2 Вращение микрообъектов специальной формы..................................................................66
3.2.1 Экспериментальная установка.......................................................................................66
3.2.2 Исследование передаваемого момента вращения для разных типов пучков............68
3.3 Изготовление микрообъектов специальной формы на установке трехмерного микроструктурирования МЗЭЗЗ.................................................................................................69
3.4 Вращение микрообъектов специальной формы, изготовленных на установке трехмерного наноструктурирования МЗЭББ............................................................................75
3.5 Основные результаты, полученные в главе 3......................................................................77
ЗАКЛЮЧЕНИЕ................................................................................................................................78
Список литературы...........................................................................................................................79
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 т
