Способ формирования переменного градиентного светового поля

(51) МПК (2006) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ПЕРЕМЕННОГО ГРАДИЕНТНОГО СВЕТОВОГО ПОЛЯ(71) Заявители Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук БеларусиКуприянова Юлия Андреевна(72) Авторы Рыжевич Анатолий АнатольевичКуприянова Юлия Андреевна(73) Патентообладатели Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук БеларусиКуприянова Юлия Андреевна(57) Способ формирования переменного градиентного светового поля, включающий пропускание исходного коллимированного светового пучка с аксиально симметричным распределением интенсивности через две последовательно расположенные скрещенные бипризмы Френеля, отличающийся тем, что бипризмы устанавливают вплотную друг к другу и вращают с различными угловыми скоростями в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения исходного светового пучка. Фиг. 7 Предлагаемое изобретение относится к области оптики и лазерной физики и может быть использовано для дозированного лазерного воздействия на ансамбли микрообъектов в микро- и нанотехнологиях с целью перемещения и перемешивания, а также на органиче 10393 1 2008.02.28 ские ткани в биологии и медицине с регуляционными, терапевтическими либо профилактическими целями. В настоящее время градиентные световые пучки часто используются для захвата и перемещения микрочастиц. Механизм захвата частиц основан на действии электрической составляющей светового поля на диполь, которым становится сама частица под действием электрического поля. Чем больше градиент интенсивности светового поля, тем больше градиентные силы, действующие на частицы в плоскости, перпендикулярной оси светового пучка. В направлении распространения светового пучка на частицу действуют силы рассеяния. Если существует продольный градиент интенсивности, может реализовываться ситуация, когда продольная градиентная сила уравновешивает силу рассеяния. Тогда частица с показателем преломления большим, чем показатель преломления окружающей ее среды (что бывает в большинстве случаев), захватывается и локализуется в локальном трехмерном максимуме интенсивности светового поля. Частица с показателем преломления меньшим, чем показатель преломления окружающей среды, будет втягиваться в локальный минимум интенсивности светового поля. На основе данного эффекта создаются так называемые оптические пинцеты, применяющиеся, например, в биологии для микроманипуляции вирусами и бактериями, индуцированного клеточного синтеза в иммунологии и молекулярной генетике, захвата и перемещение хромосом, изменения подвижности человеческих сперматозоидов и трансмембранных протеинов. Применяются градиентные световые поля также для создания так называемых оптических неводов для фильтрации микрочастиц по их параметрам, например по размерам, и для других воздействий на живую и неживую материи. Для формирования градиентного светового поля, имеющего в поперечном сечении вид параллельных полос, используют способ интерференции двух когерентных между собой световых пучков, разведенных из одного пучка и затем сведенных под нужным углом с помощью светоделительных элементов 1. Данный способ позволяет одновременно изменять местонахождение параллельных между собой максимумов интенсивности и, как следствие, при необходимости производить локализацию микрочастиц в максимумах и перемещать их действием градиентной силы в плоскости, перпендикулярной плоскости, в которой лежат направления сходящихся интерферирующих исходных пучков, однако только в направлениях, перпендикулярных полосам интерференционных максимумов. Известен также способ формирования похожего по внешнему виду, но статичного градиентного светового поля с помощью бипризмы Френеля 2. Однако данный способ не позволяет формировать переменное градиентное световое поле. Существует способ формирования перестраиваемого бесселева светового пучка 3,также являющегося градиентным световым полем, посредством специальной оптической схемы, содержащей конический рефрактивный элемент (аксикон). Максимумы светового поля в бесселевом световом пучке представляют собой концентрические кольца, пиковая интенсивность в которых различна и сильно отличается от пиковой интенсивности в центральном максимуме. Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ 4 формирования градиентного светового поля (квадропучка) с помощью двух скрещенных под прямым углом бипризм Френеля. Посредством интерференции образующихся после скрещенных бипризм четырех волн, распространяющихся под одинаковым углом к оптической оси, формируют квадропучок, являющийся статичным градиентным световым полем. Однако данный способ не позволяет формировать переменное градиентное световое поле. Задачей настоящего изобретения является обеспечение возможности формирования переменного градиентного светового поля, т.е. градиентного светового поля, в котором происходят контролируемые изменения распределения интенсивности в его поперечном сечении. 2 10393 1 2008.02.28 Поставленная задача решается следующим образом. В способе формирования переменного градиентного светового поля, включающем пропускание исходного коллимированного светового пучка с аксиально симметричным распределением интенсивности через две последовательно расположенные скрещенные бипризмы Френеля, отличающемся тем,что бипризмы устанавливают вплотную друг к другу и вращают с различными угловыми скоростями в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения исходного светового пучка. Возможность решения поставленной задачи объясняется следующим. При пропускании коллимированного когерентного светового пучка с аксиально симметричным распределением интенсивности через две скрещенные под прямым углом бипризмы Френеля формируется градиентное ячеистое интерференционное поле в виде периодически расположенных световых максимумов, причем четыре ближайших друг к другу максимума лежат в вершинах квадрата. При изменении ориентации бипризм относительно друг друга при их вращении с различными угловыми скоростями в плоскости, перпендикулярной направлению распространения исходного светового пучка, за бипризмами изменяется особым образом конфигурация интерференционного поля, которое при этом продолжает являться градиентным. При вращении бипризм без изменения направления векторной суммы их угловых скоростей максимумы интенсивности постепенно вытягиваются, превращаясь из пятен вначале в короткие, затем в длинные полосы, наклон которых также плавно изменяется, и затем обратно в короткие полосы и, наконец, в пятна, затем эти изменения циклически повторяются. Пиковое значение в максимумах интенсивности не превышает шестнадцатикратного пикового значения интенсивности в исходном пучке. Предлагаемый способ поясняется чертежами, где на фиг. 1-6 показаны рассчитанные теоретически распределения интенсивности в поперечном сечении формируемого переменного градиентного светового поля при различном положении друг относительно друга бипризм, подтверждающие определенность и управляемость конфигурации формируемого градиентного поля, на фиг. 7 - оптическая схема экспериментальной установки, использовавшейся для реализации предлагаемого способа и регистрации формируемого переменного градиентного поля, где 1 - исходный коллимированный когерентный световой пучок с коаксиально симметричным распределением интенсивности, 2 - узел, обеспечивающий юстировку и независимое вращение двух закрепленных в нем последовательно вплотную друг к другу бипризм Френеля, 3 - бипризмы Френеля, 4 - зона существования переменного градиентного поля, 5 - микроскоп, 6 - -камера для регистрации формируемого поля, на фиг. 8 приведено изображение реального узла, обеспечивающего юстировку и независимое вращение двух расположенных последовательно вплотную друг к другу бипризм, входящего в состав экспериментальной установки на фиг. 7, на фиг. 9 показана экспериментальная установка для формирования переменного градиентного светового поля в ГНУ Институт физики им. Б.И.Степанова НАН Беларуси, на фиг. 10-24 экспериментально зарегистрированные распределения интенсивности в поперечном сечении формируемого переменного градиентного поля при различных взаимных ориентациях бипризм. Предлагаемый способ осуществляется следующим образом. Исходный когерентный световой пучок 1 с коаксиально симметричным распределением интенсивности направляют на две последовательно расположенные вплотную друг к другу бипризмы 3, которые вращают с различными угловыми скоростями в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения исходного светового пучка (в какую сторону обращены преломляющие поверхности бипризм, при использовании бипризм с малыми углами наклонных поверхностей при основании значения не имеет). При этом в области 4 формируется градиентное световое поле, распределение интенсивности в поперечных сечениях которого изменяется в зависимости от ориентации бипризм, причем пиковое значение интенсивности в максимумах формируемого поля, достигаемое, когда призмы скрещены под прямым 3 10393 1 2008.02.28 углом, не превышает увеличенного в шестнадцать раз максимального значения интенсивности в исходном пучке 1. Возможность осуществления предлагаемого способа и решения поставленной задачи подтверждена экспериментально. Предлагаемый способ был реализован с помощью экспериментальной установки, показанной на фиг. 9, содержащей узел, изображенный на фиг. 8, позволяющий осуществлять независимое вращение бипризм 3 в плоскостях, перпендикулярных направлению распространения исходного светового пучка 1. Поперечное распределение интенсивности при вращении бипризм предсказуемым образом изменяло свой вид. Максимумы интенсивности попеременно видоизменялись от квазикруглых пятен до полос, вначале коротких, затем длинных, наклон которых также изменялся в зависимости от ориентации бипризм (фиг. 10-24). При совпадении скоростей вращения бипризм максимумы поперечного распределения интенсивности вращались вокруг оси вращения бипризм, сохраняя свое взаимное расположение и пиковые значения интенсивности. Внешний вид экспериментального распределения интенсивности в поперечном сечении (фиг. 10-24) полученного градиентного светового поля соответствует рассчитанному распределению интенсивности, показанному на фиг. 1-5. Поскольку характерный период формируемых ячеистых полей составляет величину порядка нескольких микрометров, а в периодически расположенных минимумах интенсивность практически равна нулю, налицо высокий градиент интенсивности в формируемом переменном световом поле. Область 4 гарантированного наличия переменного градиентного светового поля представляет собой ромбоид вращения, максимальный поперечный размер которого равен половине диаметра исходного светового пучка, а продольный размер равен радиусу исходного пучка, деленному на синус половины суммы углов при основаниях бипризм, если показатели преломления материалов обеих бипризм равны 1,5. Таким образом, полученные экспериментально результаты подтверждают возможность формирования переменного градиентного светового поля. Источники информации 1. Рубинов А.Н., Катаркевич В.М., Эфендиев Т.Ш. Сортировка микрочастиц градиентным полем // Журнал прикладной спектроскопии. - . 70. -5. - 2003. - С. 663-666. 2. Савельев И.В. Курс общей физики, т. 2. - М. Наука, 1988. - С. 361 (Бипризма Френеля). 3. Казак Н.С., Рыжевич А.А., Мащенко А.Г., Хило А.Н., Хаткевич А.Г. Способ формирования перестраиваемого псевдо-бесселева светового пучка. Заявкаа 20010431 на выдачу патента Республики Беларусь на изобретение подана 11 мая 2001 года. Заявкаа 20010431 на патент РБ на изобретение МКИ 702 В. Заявл. 11.05.01 Опубл. 30.12.01 // Афцыйны бюлетэнь / Дзярж. пат. камтэт Рэсп. Беларусь. 2001. -4(31). - С. 68. Произведена регистрация изобретения в Государственном реестре изобретений под 6419. 4. , , , .... 22-262001, ,(. , ). - . 4644. - . 520-529. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5