Разработка методов манипуляции микрообъектами лазерным излучением тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.21 ВАК РФ

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА I. МАНИПУЛЯЦИЯ МИКРООБЪЕКТАМИ ПОСРЕДСТВОМ ЛАЗЕРНОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

1.1 Световое давление

1.2 Оптическая левитация малых прозрачных частиц

1.3 Однолучевая трёхмерная ловушка

1.4 Момент вращения циркулярно поляризованного света

1.5 Вращение микрообъектов эллиптически поляризованным 33 светом

1.6 Спиральные пучки света

1.7 Вращение микрообъектов с помощью спиральных пучков 45 света

1.8 Манипуляция биологическими объектами

ГЛАВА II. ДЕЙСТВИЕ СФОКУСИРОВАННОГО ЛАЗЕРНОГО

ПУЧКА НА НЕПОГЛОЩАЮЩУЮ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКУЮ ЧАСТИЦУ

2.1 Расчёт сил при оптическом захвате

2.2 Диэлектрические сферы в лазерном пинцете

2.3 Эллипсоидальные частицы в лазерном пинцете

2.4 Оптические ловушки, образованные различными модами 67 лазера

2.5 Экспериментальное определение сил захвата

2.6 Эксперименты с биологическими объектами

ГЛАВА III. УПРАВЛЕНИЕ СКОРОСТЬЮ ВРАЩЕНИЯ ЗАХВАЧЕННОЙ ЧАСТИЦЫ

3.1 Момент вращения эллиптически поляризованного света

3.2 Управление скоростью вращения частицы, захваченной сфокусированным лазерным пучком, с помощью жидкокристаллического модулятора

ГЛАВА IV. ЛАЗЕРНЫЙ ПИНЦЕТ НА СПИРАЛЬНЫХ ПУЧКАХ

4.1 Передача орбитального момента спирального пучка частице

4.2 Наблюдение фазовых фронтов пучков с ненулевым орбитальным моментом

4.3 Эксперименты по захвату и вращению микрообъектов спиральными пучками света

Первые эксперименты по манипуляциям микрообъектами лазерным излучением были проведены в 1970х годах Артуром Эшкиным, физиком из Bell Telephone Laboratories в США. Он разработал ряд методов, которые использовали лазерные пучки для манипуляции частицами микронных размеров. В последнее время можно встретить много работ, описывающих различные виды лазерных пинцетов и их применение. Одним из наиболее часто встречающихся применений лазерного пинцета является применение его в биологии в качестве неинвазивного стерильного инструмента. Сейчас лазеры используются в биотехнологических лабораториях для манипуляций над живыми клетками, паразитами и даже одиночными нитями ДНК [16]. Изучается возможность использования лазерного пинцета для захвата и транспортировки сперматозоидов при искусственном оплодотворении [2, 3].

Кроме того, лазерный захват может использоваться в качестве точного инструмента для создания деталей микромашин, сборки из них механизмов и приведения их в движение [7]. Лазерные пинцеты являются уникальным инструментом для измерения сил взаимодействия между микрочастицами и сил взаимодействия между частицей и поверхностью, для определения аэродинамических свойств частиц. Также лазерный пинцет может применяться для точного определения размеров микроскопических сфер [8].

В настоящее время при помощи лазерного пинцета реализуются такие манипуляции как трёхмерное перемещение захваченной частицы и её вращение вокруг оси пучка лазера. Осуществлены захват и вращение частиц с использованием поляризованного света.

Очевидно, что перспективным является расширение функциональных возможностей данного инструментария. Это может быть достигнуто за счёт использования пучков с заданным распределением интенсивности и орбитального момента. Такие пучки позволят не только вращать микроскопические частицы вокруг оси пучка, но и перемещать их по заданной траектории, определяемой поперечным распределением интенсивности, накладывать на частицу неоднородные деформации. Задача формирования таких пучков может решаться как посредством синтеза соответствующих амплитудно-фазовых масок, так и внутри резонатора лазера. 5

Представляется оправданным подход к формированию пучков с заданными пространственными свойствами с использованием оптики спиральных пучков. Эти пучки сохраняют форму при распространении и фокусировке и могут иметь весьма разнообразную структуру распределения интенсивности. Вихревой характер распространения световой энергии в пучках обуславливает то, что пучки обладают ненулевым орбитальным моментом количества движения.

Для практических устройств лазерного манипулирования микрообъектами становится актуальной задача динамического управления параметрами пучка. Привлекательным для этих целей является использование жидкокристаллических пространственных модуляторов. Они характеризуются малой потребляемой мощностью, возможностью как амплитудной так и фазовой модуляции света, достаточным быстродействием. С их помощью можно формировать как пространственную структуру пучка, так и менять параметры пучка в целом. В данной работе нами рассмотрена задача управления состоянием поляризации с помощью жидкокристаллической ячейки. Целью работы являлось:

1) Построение модели взаимодействия остро сфокусированного лазерного пучка с прозрачными диэлектрическими частицами на основе представлений геометрической и волновой оптики. Определение сил взаимодействия для различных параметров моделирования (размер, форма и показатель преломления частиц; микрообъектив микроскопа; различные моды лазера) применительно к экспериментальной установке.

2) Создание экспериментальной установки лазерного пинцета. Проведение экспериментов по захвату прозрачных диэлектрических частиц разной природы, в том числе и биообъектов.

3) Определение момента вращения эллиптически поляризованного света и реализация управления скоростью вращения частицы, захваченной сфокусированным лазерным пучком, с помощью жидкокристаллического модулятора.

4) Формирование пучков с заданными распределениями интенсивности и орбитального момента и проведение экспериментов по визуализации волновых фронтов таких пучков. 6

5) Проведение экспериментов по захвату, вращению и перемещению частиц по заданной траектории пучками со сложным распределением интенсивности и орбитального момента.

Практическая ценность работы:

В настоящее время медики и биологи проявляют интерес к данным разработкам, в результате чего возможно проведение совместных экспериментов по манипуляции биологическими объектами, что открывает большие перспективы для исследований в этой области.

Полученные при выполнении этой работы результаты продемонстрировали новые возможности лазерного пинцета. В перспективе на основе этих разработок возможно создание оригинальных лазерных манипуляторов для различных задач микротехнологий, медицины и биологии. 7

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1) Создана экспериментальная установки лазерного пинцета для манипуляции микрообъектами. Проведены эксперименты по определению сил захвата прозрачных диэлектрических частиц разной природы, в том числе и биообъектов.

2) Построена модель взаимодействия остро сфокусированного лазерного пучка с прозрачными диэлектрическими частицами. На основе созданной модели промоделирована реально существующая установка лазерного пинцета для различных параметров моделирования (размер, форма и показатель преломления частиц; микрообъектив микроскопа; различные моды лазера).

• Установлено, что оптический пинцет на модах Лагерра-Гаусса (кроме L-G2°) и Эрмита-Гаусса имеет большую осевую силу захвата, чем ловушка, использующая нулевую моду Гаусса. То есть для захвата объекта этими модами требуется меньшая мощность лазера, что приводит к уменьшению риска повреждения пойманного объекта. В тоже время максимальные поперечные силы возникают для гауссового пучка нулевой моды. Зависимости поперечных сил для мод Лагерра-Гаусса и Эрмита-Гаусса имеют чётко выраженные максимумы и минимумы. Они объясняются поперечной структурой этих пучков. По данным результатам можно выбрать наиболее подходящую моду лазера для перемещения в горизонтальной плоскости.

• Показано, что частицы в виде эллипсоидов вращения сплюснутых вдоль оси распространения света притягиваются к фокусу лазерного пучка сильнее, чем частицы в виде эллипсоидов вращения вытянутых вдоль той же оси. В последнем случае при определённых углах падения света на частицу и распространении в ней, свет претерпевает полное внутреннее отражение от стенок частицы.

3) Определён момент вращения эллиптически поляризованного света. Создан жидкокристаллический модулятор, изменяющего степень эллиптичности . поляризации лазерного излучения. Разработана методика управления скоростью вращения частицы, захваченной сфокусированным лазерным пучком, с помощью жидкокристаллического модулятора.

1. Sonek G. J. In situ microparticle analysis of marine phytoplankton cells with infrared laser-based optical tweezers / Sonek G. J., Liu Y., Iturriaga R. H. // Appl. Opt. 1995. - V. 34, No. 33.-p. 7731-7741.

2. Rowell N.D. Laser tweezers help in study of bacterial motion // Biophotonics International. March 2001, p. 52.

3. Galajda P. Complex micromachines produced and driven by light / Galajda P., Ormos

4. P. // Appl. Phys. Lett. 2001. - V. 78, No. 2. - p. 249-251.

5. Шен И.Р. Принципы нелинейной оптики. М.: Наука, 1989. - 560 с.

6. Эшкин А. Давление лазерного излучения // УФН. 1973. - Т. 110, вып. 1. - С.101.114.

7. Ахманов С.А. Физическая оптика/Ахманов С.А., Никитин С.Ю. -М.: Изд-во Моск. ун-та, 1998. 656 с.

8. Лебедев П.Н. Максвелло-Бартолиевские силы давления лучистой энергии // Журнал Русского Физико-Химического Общества. -1900. Т. 32, вып. 8. С. 211. Аскарьян Г. А. Движение частиц в луче лазера//УФН. - 1973. - Т. 110, вып. 1. - С 115-116.

9. Аскарьян Г.А. Ускорение частиц движущимся лазерным фокусом, фронтом фокусировки или фронтом ультракороткого лазерного импульса / Аскарьян Г.А., Манукян С.Д. //ЖЭТФ. 1972. - Т. 62, вып. 6. - С. 2156-2160.

10. Ashkin A., Dziedzic J. М. // Appl. Phys. Lett. 1971. - V. 19, - P. 283.

11. Ashkin A. The pressure of laser light // Scientific American. 1972. - V.226, No 2. - P. 63.

12. Gauthier R.C. Optical levitation of spheres: analytical development and numerical computations of the force equations / Gauthier R.C., Wallace S. // J. Opt. Soc. Am. B. 1995. - V. 12, № 9. - p. 1680-1686.

13. Roosen G. Optical levitation by means of two horizontal laser beams: a theoretical and experimental study / Roosen G., Imbert C. // Phys. Lett. 1976. - V. 59A, № 1. - p. 68.

14. Ashkin A. History of optical trapping and manipulation of small-neutral particle, atoms, and molecules // IEEE Journal on Selected Topics in Quantum Electronics. -2000. V. 6, № 6. - p. 841-856.

15. Ashkin A. // Science. 1980. - У. 210. - p. 1081.

16. Cai W. Optical levitation measurements with intensity-modulated light beams / Cai W., Li F., Sun S., Wang Y. // Appl. Opt. 1997. - V. 36, № 30. - p. 7860-7863.

17. Ashkin A., Dziedzic J. M. // Phys.Rev. Lett. 1977. - V. 38, - P. 1351.

18. Benner R. E., Barber P. W., Owen J. F., R. K. Chang. // Phys.Rev. Lett. 1980. - V. 44. - P. 475.

19. Smith P.W, Ashkin A., Tomlinson W.J. // Opt. Lett. 1981. - V. 6. -p. 284.

20. Ashkin A., Smith P.W., Dziedzic J. M. // Appl. Phys. 1982. - V. 28. - p. 142.

21. Ashkin A. Continuous-wave self-focusing and self-trapping of light in artificial Ken-media / Ashkin A., Dziedzic J. M., Smith P.W. // Opt. Lett. 1982. - V. 7, № 6 - p. 276-279.

22. Ashkin A. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles / Ashkin A., Dziedzic J. M., Bjorkholm J.E., Chu S. // Opt. Lett. 1986. - V. 11, №5 -p. 288-290.

23. Omori R. Observation of a single-beam gradient-force optical trap for dielectric particles in air / Omori R., Kobayashi Т., Suzuki A. // Opt. Lett. 1997. - V. 22, № 11 -p. 816-818.

24. Barton J.P. Internal and near-surface electromagnetic fields for a spherical particle irradiated by a focused laser beam / Barton J.P., Alexander D.R., Schaub S.A. // J. Appl. Phys. 1988. - V. 64, № 4. - p. 1632-1639.

25. Barton J.P. Internal field of a spherical particle illuminated by a tightly focused laser beam: focal point positioning effects at resonance / Barton J.P., Alexander D.R., Schaub S.A. // J. Appl. Phys. 1989. - V. 65. - p. 2900-2906.

26. Barton J.P. Theoretical determination of net radiation force and torque for a spherical particle illuminated by a focused laser beam / Barton J.P., Alexander D.R., Schaub S.A. // J. Appl. Phys. 1988. - V. 66. - p. 4594-4602.

27. Barton J.P. Electromagnetic-field calculations for irregularly shaped, layered cylindrical particles with focused illumination // Appl. Opt. 1997. - V. 36, № 6. - p. 1312-1319.

28. Wright W.H. Radiation trapping forces on microspheres with optical tweezers / Wright W.H., Sonek G.J., Berns M.W. //Appl. Phys. Lett. 1993. - V. 63, № 6. - p. 715-717.

29. Ashkin A. Forces of a single-beam gradient laser trap on a dielectric sphere in the ray optics regime//Biophys. J. 1992.-V. 61. - p. 569-582.

30. Wright W.H. Parametric study of the forces on microspheres held by optical tweezers / Wright W.H., Sonek G.J., Berns M.W. // Appl. Opt. 1994. - V. 33, № 9. -p. 17351748.

31. Tlusty T. Optical gradient forces of strongly localized fields / Tlusty Т., Meller A., Bar-Ziv R. // Phys. Rev. Lett. 1998. - V. 81, № 8. - p. 1738-1741.

32. Sidick E. Trapping forces in a multiple-beam fiber-optic trap / Sidick E., Collins S.D., Knoesen A. // Appl. Opt 1997. - V. 36, № 25. - p. 6423-6433.

33. Feigner H. Calibration of light forces in optical tweezers / Feigner H., Muller O., Schliwa M. // Appl. Opt 1995. - V. 34, № 6. - p. 977-982.

34. Collins S.D. Microinstrument gradient-force optical trap / Collins S.D., Baskin R.J., Howitt D.G. // Appl. Opt. -1999. -'V. 38, № 28. p. 6068-6074.

35. Sato S. Optical trapping of small particles using a 1.3-|im compact InGaAsP diode laser / Sato S, Ohyumi M, Shibata H., Inaba H. // Opt. Lett. 1991. V. 16, № 5. - p. 282-284.

36. Inouye Y. Pico-Newton friction force measurements using a laser-trapped microsphere / Inouye Y., Shoji S., Furukawa H., Nakamura O., Kawata S. // Jpn. J. Appl. Phys. -1998. V. 37. - p. L684-L686.

37. Higurashi E. Optical trapping of low-refractive-index microfabricated objects using radiation pressure exerted on their inner walls / Higurashi E., Ohguchi O., Ukita H. // Opt. Lett.- 1995. V. 20,№ 19.-p. 1931-1933.

38. Gahagan K.T. Simultaneous trapping of low-index and high-index microparticles observed with an optical-vortex trap / Gahagan K.T., Swartzlander G.A. // J. Opt. Soc. Am. В.- 1999.-V. 16, №4.-p. 533-537.

39. Sato S. Optical Trapping of microscopic metal particles / Sato S., Harada Y., Waseda Y. // Opt. Lett. 1994. V. 19, № 22. - p. 1807-1809.

40. Furukawa H. Optical trapping of metallic particles by a fixed Gaussian beam / Furukawa H., Yamaguchi I. // Opt. Lett. 1998. V. 23, № 3. - p. 216-218.

41. Svoboda K. Optical trapping of metallic Rayleigh particles / Svoboda K., Block S.M. // Opt. Lett. 1994. V. 19, № 13. - p. 930-932.

42. Ke P.C. Characterization of trapping force on metallic Mie particles / Ke P.C., Gu M. // Appl. Opt. 1999. - V. 38, № 1. - p. 160-167.

43. Sato S. Second-Harmonic and sum-frequency generation from optically trapped КТЮРО4 microscopic particles by use of Nd:YAG and Ti:Al203 lasers / Sato S., Inaba H. // Opt. Lett. 1994. V. 19, №> 13. - p. 927-929.

44. Siguira T. Gold-bead scanning near-field optical microscope with laser-force position control I Siguira Т., Okada T. Inouye Y., Nakamura O., Kawata S. // Opt. Lett. 1997. V. 22,№22.-p. 1663-1665.

45. Садовский А.И. Пондеромоторные силы электромагнитных и световых волн // Журнал Русского Физико-Химического Общества. -1897. Т. 29, часть физическая, отдел 1, вып. 2. С. 82.

46. HolbornA.H.S.//Nature. 1936.-V. 137.-p. 31.

47. BethВ.А.//Phys. Rev.- 1935.-V.48.-p.471.

48. Beth B.A.//Phys. Rev. 1936.-V. 50.-p. 115.

49. Santamato E., Daino В., Ronangnoli M., Settemlre M., Shen Y.R. // Phys. Rev. Lett. -1986. V. 57.-p. 2433.105

50. Galstian T.V. Photon angular momentum rotates molecules // OE Reports 6 june1997. -p. 1, 13.

51. Chang S., Lee S.S. // J. Opt. Soc. Am. В 1985. -V. 2. - p. 1853.

52. Ashkin A. // Science 210. 1980. p. 4474.

53. Marston P.L., Crichton J. H. // Phys. Rev A 1984. - V. 30. - p. 2508.

54. Barton J.P., Alexander D.R., Schaub S.A. // J. Appl. Phys 1989. - У. 66, - p. 4592.

55. Friese M.E.J. Optical torque controlled by elliptical polarization / Friese M.E.J., Nieminen T.A., Heckenberg N.R., Rubinsztein-Dunlop H. // Opt. Lett. 1998. - V. 23 № 1 - p. 1-3.

56. Борн M. Основы оптики Борн M., Вольф Э. / М.: Наука, 1973.

57. Kogelnik Н. Laser beams and resonators / Kogelnik H., Li T. // Applied Optics 1966. - V. 5. - P. 1550.

58. Котова С.П. Оптические ловушки, образованные различными модами лазера / Котова С.П., Рахматулин М.А., Филькин В.В.// Известия Самарского научного центра. -2001. Т. 3, № 1, С. 48-54.

59. Kotova S.P. Optical traps formed by different laser modes / Rakhmatulin M.A., Kotova S.P., Filkin V.V. // Proceeding of SPIE 2001. - У. 4243. - p.107-116.

60. Abramochkin E. Relationship between two-dimensional intensity and phase in a Fresnel diffraction zone / Abramochkin E., Volostnikov V. // Opt. Comm. 1989. - V. 74. - P. 144.

61. Abramochkin E. Spiral-type beams / Abramochkin E., Volostnikov V. // Opt. Comm. -1993.-V. 102. P. 336.

62. Abramochkin E. Spiral-type beams: optical and quantum aspects / Abramochkin E., Volostnikov V. // Opt. Comm. 1996. - V. 125. - P. 302.

63. Abramochkin E. Structurally stable singular wavefields / Abramochkin E., Volostnikov V. U International Conference on Singular Optics. Proceedings of SPIE.1998. V. 3487. - P. 20.

64. Padget M. Optical tweezers and spanners / Padget M., Allen L. // Physics World. -September 1997. P. 35-38.

65. B.A. Гейлер. Двумерный оператор Шредингера с однородным магнитным полем и его возмущения периодическими потенциалами нулевого радиуса // Алгебра и анализ. 1991. - Т. 3, вып. 3. - С. 2.

66. Abramochkin E. Beam transformations and nontransformed beams / Abramochkin E., Yolostnikov V. // Opt. Comm. -1991. V. 83. - P. 123.

67. Dana I. Vortex-lattice wave fields / Dana I., Freund I. // Opt. Comm. 1997. - V. 136. -P. 93.

68. Abramochkin E. Generation of spiral-type beams / Abramochkin E., Losevsky N., Volostnikov V. // Opt. Comm. 1997. - V.141. - P. 59.

69. Гончаровский A.B. Введение в компьютерную оптику / Гончаровский А.В., Попов В.В., Степанов В.В. М.: МГУ, 1991.

70. Simpson N.B. Mechanical equivalence of spin and orbital angular momentum of light: an optical spanner / Simpson N.B., Dholakia K., Allen L., Padgett MJ. // Opt. Let. -1997.-V. 22, №1.-p. 52-54.

71. Friese M.E.J. Optical angular-momentum transfer to trapped absorbing particles / Friese M.E.J., Enger J., Rubinsztein-Dunlop H., Heckenberg N.R. // Phys. Rev A. -1996. V. 54, № 2. - p. 1593-1596.

72. Pattanayak D. N., Agrawal G. P. Phys. Rev. A. 1980. - V. 22. - p. 1159. Heckenberg N.R. Trapping microscopic particles with singular beams / Heckenberg N.R., Nieminen T.A., Friese M.E.J., Rubinsztein-Dunlop H. // SPIE. - V. 3487. - p. 46-53.

73. Paterson L. Controlled rotation of optically trapped microscopic particles / Paterson L., MacDonald M.P., Arlt J., Sibbett W., Bryant P.E., Dholakia K. // Sciense. 2001. V. 292.-p. 912-914.

74. Carts-Powell Y. Laser beams provide spin control // Laser Focus World. June 2001. -p. 30-33.

75. Zhang Z.X. Cell viability and DNA denaturation measurements by two-photon fluorescence excitation in CW Al:GaAs diode laser optical traps. / Zhang Z.X., Sonek

76. G.J., Wei X.B., Sun C., Berns M.W., TrombergB.J. // J. of Biomed. Opt. 1999. -V.4, № 2. - p. 256-259.

77. Lee C-H. Optical measurement of the viscoelastic and biochemical responses of living cells to mechanical perturbation / Lee C-H., Guo C-L., Wang J. // Opt. Lett. 1998. -V. 23, № 4. - p. 307-309.

78. Krupa T. Optical Stretcher Detects Cancer // OPN January 2002. - V. 13, № 1. -p. 8-9.

79. Filkin V.V. Interaction of tightly focused laser beam with transparent dielectric particles in the shape of ellipsoid of revolution / Filkin V.V., Kotova S.P., Rakhmatulin M.A. // Proceeding of SPIE. 2002. - V. 4706.

80. Блинов JI.M. Электро и магнитооптика жидких кристаллов. М.: Наука, 1978.

81. Kotova S.P. The real time control of the rotation rate of a particle trapped in a focused laser beam / Kotova S.P., Volostnikov V.G., Rakhmatulin M.A. // Proceeding of SPIE. -2001. V. 4353. - p. 242-246.

82. Абрамочкин E. Фазовая проблема и синтез оптических полей / Абрамочкин Е., Волостников В. // Компьютерная оптика. 1992. -Вып. 10-11. - с. 95-100.

83. Kotova S.P. Manipulation with microobjects by non zero orbital moment beams / Losevskii N.N., Volostnikov V.G., Rakhmatulin M.A. // Proceeding of SPIE. 2002. -V. 4706.

84. Волостников В.Г. Манипуляция микрообъектами с помощью пучков с ненулевым орбитальным моментом / Волостников В.Г., Котова С.П., Лосевский

85. H.Н., Рахматулин М.А. // Квантовая электроника. 2002. - Т. 7.