Устройство для формирования светового поля с ячеистым распределением интенсивности в поперечном сечении

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ СВЕТОВОГО ПОЛЯ С ЯЧЕИСТЫМ РАСПРЕДЕЛЕНИЕМ ИНТЕНСИВНОСТИ В ПОПЕРЕЧНОМ СЕЧЕНИИ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Солоневич Сергей Васильевич Казак Николай СтаниславовичТурки Сауд Мохаммед Аль-СаудСолиман Хаммад Аль-ХовайтерМуханна Камал Аль-Муханна(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для формирования светового поля с ячеистым распределением интенсивности в поперечном сечении, содержащее источник лазерного излучения и телескопколлиматор, обеспечивающие формирование начального коллимированного когерентного светового пучка с аксиально симметричным распределением интенсивности излучения, а также стеклянную четырехгранную пирамиду, основание которой ориентировано перпендикулярно к оси симметрии светового пучка, вершина лежит на этой оси, а наклонные грани образуют с основанием одинаковые углы в пределах 0,0145 градусов, отличающееся тем, что дополнительно содержит оптическую систему, выполненную эквивалентной по своему действию сферической линзе с переменным фокусным расстоянием и установленную перед четырехгранной пирамидой для контролируемого изменения расходимости проходящего через нее светового пучка.(56) 1. Рубинов А.Н., Катаркевич В.М., Эфендиев Т.Ш Сортировка микрочастиц градиентным полем // Прикладная спектроскопия. - Т. 70. -5. - 2003. - С. 663-666. 2. Савельев И.В. Курс общей физики. - Т. 2. - М. Наука, 1988. - С. 361. Предлагаемая полезная модель относится к области оптики и лазерной физики и может быть использована для дозированного лазерного воздействия на ансамбли микрообъектов в микро- и нанотехнологиях с целью их перемещения и перемешивания, на органические ткани в биологии и медицине с регуляционными, терапевтическими либо профилактическими целями, а также для воздействия на различные материалы с целью их локальной лазерной обработки одновременно во многих точках. В настоящее время градиентные световые пучки 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 частицу 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 создают так называемые оптические пинцеты, применяющиеся, например, в биологии для микроманипуляции вирусами и бактериями, индуцированного клеточного синтеза в иммунологии и молекулярной генетике, захвата и перемещения хромосом, изменения подвижности человеческих сперматозоидов и трансмембранных протеинов. Градиентные световые поля также применяют для создания так называемых оптических неводов, насосов, воронок и т.п. с целью фильтрации частиц по размерам или другим параметрам или перемешивания, а также для других воздействий на живую и неживую материи. Для формирования градиентного светового поля, имеющего в поперечном сечении вид параллельных полос, используют устройство, производящее интерференцию двух когерентных между собой световых пучков, разведенных из одного пучка и затем сведенных под нужным углом с помощью светоделительных элементов 1. Данное устройство 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 данное устройство не позволяет формировать световое поле в виде локальных округлых максимумов интенсивности. Известно также устройство на основе бипризмы Френеля 2 для формирования статичного градиентного светового поля в виде параллельных полос. Однако данное устройство не позволяет формировать переменное градиентное световое поле. Кроме того, это устройство, как и предыдущее, также не обеспечивает возможности формирования светового поля в виде отдельных округлых максимумов интенсивности. Наиболее близким по технической сущности к заявляемому устройству является устройство 3, включающее источник лазерного излучения, телескоп-коллиматор и пирамиду с четырьмя гранями для формирования градиентного светового поля (квадропучка) из четырех сходящихся под некоторым углом к одной оси когерентных между собой свето 2 76702011.10.30 вых пучков. Формируемое на выходе устройства посредством интерференции ячеистое световое поле является статичным градиентным световым полем со множеством периодически расположенных округлых максимумов интенсивности примерно одинаковых размеров в поперечном сечении. Однако данное устройство не позволяет формировать ячеистое градиентное световое поле с изменяющимися размерами максимумов интенсивности. Задачей предлагаемой полезной модели является формирование градиентного светового поля, представляющего собой в плоскости поперечного сечения совокупность периодически расположенных округлых максимумов интенсивности, период которых можно контролируемо регулировать в произвольной плоскости, расположенной в выходном поле перпендикулярно его оси симметрии. Предложенное устройство для формирования светового поля с ячеистым распределением интенсивности в поперечном сечении включает следующие элементы источник лазерного излучения, телескоп-коллиматор, обеспечивающие формирование начального коллимированного когерентного светового пучка с аксиально симметричным распределением интенсивности излучения, и стеклянную четырехгранную пирамиду, основание которой ориентировано перпендикулярно к оси симметрии светового пучка, вершина лежит на этой оси, а наклонные грани образуют с основанием одинаковые углы в пределах 0,0145 градусов. Устройство обладает следующими отличительными признаками перед четырехгранной пирамидой дополнительно установлена оптическая система, выполненная эквивалентной по своему действию сферической линзе с переменным фокусным расстоянием,для контролируемого изменения расходимости проходящего через нее светового пучка. Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана оптическая схема установки для исследования свойств формируемого ячеистого поля, включающей предлагаемое устройство на фиг. 2 показан ход лучей после пирамиды для случая сходящегося пучка, падающего на пирамиду на фиг. 3 показан ход лучей после пирамиды для случая расходящегося пучка, падающего на пирамиду на фиг. 4 приведена фотография используемой для реализации устройства четырехгранной пирамиды на фиг. 5 показано продольное распределение интенсивности в сходящемся ячеистом поле на фиг. 6 приведено продольное распределение интенсивности в расходящемся ячеистом поле. Предлагаемое устройство состоит из источника лазерного излучения 1, телескопаколлиматора 2, оптической системы 3, выполненной эквивалентной по своему действию сферической линзе с переменным фокусным расстоянием, для контролируемого изменения расходимости проходящего через нее светового пучка, стеклянной четырехгранной пирамиды 4, основание которой перпендикулярно оптической оси начального пучка, вершина лежит на оптической оси начального пучка, а наклонные грани образуют с основанием одинаковые углы в пределах 0,0145 градусов. Устройство работает следующим образом. Источник лазерного излучения 1 и телескоп-коллиматор 2 формируют коллимированный когерентный световой пучок с аксиально симметричным распределением интенсивности, который направляется на оптическую систему 3 для контролируемого изменения расходимости проходящего через нее светового пучка, эквивалентную по своему действию сферической линзе с переменным фокусным расстоянием. В зависимости от своей настройки система формирует сходящийся либо расходящийся световой пучок, падающий на стеклянную пирамиду 4. Если на пирамиду 4 направляют сходящийся пучок, она формирует сходящийся квадропучок (фиг. 2), т.е. ячеистое поле, в котором расстояние между максимумами и диаметры максимумов (т.е. период ячеек) пропорционально уменьшаются с расстоянием. Если на пирамиду 4 направляют расходящийся пучок, она формирует расходящийся квадропучок (фиг. 3), т.е. ячеистое поле, в котором расстояние между максимумами и диаметры максимумов увеличиваются с расстоянием. Предлагаемое устройство обеспечивает несколько возможностей пере 3 76702011.10.30 стройки ячеистого поля по периоду ячеек интенсивности. При плавном увеличении посредством системы 3 расходимости пучка, падающего на пирамиду 4, в каждом сечении выходного ячеистого поля происходит плавное увеличение размеров максимумов интенсивности и расстояний между ними, т.е. периода ячеек, и, соответственно, наоборот. При увеличении расстояния между пирамидой 4 и конкретной поверхностью период ячеистого поля увеличивается, при уменьшении расстояния - уменьшается. Возможно изменение периода ячеистого поля путем комбинации этих двух действий. Возможность реализации предлагаемой полезной модели подтверждена экспериментально с помощью экспериментальной установки, оптическая схема которой приведена на фиг 1. На фиг. 4 показана стеклянная четырехгранная пирамида, входящая в состав созданного авторами экземпляра устройства. В качестве перестраиваемой оптической системы был использован объектив с регулируемым фокусным расстоянием. Наличие ячеистого светового поля, формируемого предлагаемой полезной моделью в зоне интерференции, при необходимости можно наблюдать, регистрировать и исследовать с помощью не входящих в состав устройства микроскопа 5 и -камеры 6. На фиг. 5 показана экспериментально зарегистрированная зависимость от расстояния после пирамиды распределения интенсивности в поперечном сечении формируемого сходящегося ячеистого светового поля, на фиг. 6 - экспериментально зарегистрированная зависимость от расстояния после пирамиды распределения интенсивности в поперечном сечении формируемого расходящегося ячеистого светового поля. Устройство обеспечивает все описанные выше возможности перестройки ячеистого поля по периоду ячеек интенсивности. В качестве системы для изменения расходимости светового пучка, падающего на пирамиду, кроме системы сферических линз с перестраиваемым фокусным расстоянием, может быть также использована перестраиваемая электрооптическая линза, оптоакустическая линза, пространственный модулятор света и т.п. либо комбинации этих оптических элементов. Поскольку предлагаемое устройство может быть собрано из лучепрочных оптических элементов,сформированные с его помощью мощные ячеистые поля могут быть использованы для нелинейно-частотного преобразования лазерного излучения. Таким образом, изготовленный авторами предлагаемой полезной модели экземпляр устройства подтвердил ее работоспособность. Предлагаемое устройство применимо для выполнения поставленной задачи - формирования градиентного поля в виде периодически расположенных округлых максимумов интенсивности, период которых можно контролируемо изменять в каждой конкретной плоскости, расположенной в выходном поле перпендикулярно его оси симметрии. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 5