Устройство для формирования интерференционных световых полей

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ СВЕТОВЫХ ПОЛЕЙ(71) Заявители Краморева Лариса Ивановна Савицкий Александр Иванович(72) Авторы Краморева Лариса Ивановна Савицкий Александр Иванович(73) Патентообладатели Краморева Лариса Ивановна Савицкий Александр Иванович(57) Устройство для формирования интерференционных световых полей, состоящее из источника монохроматического излучения и экрана для наблюдения структуры интерференционных световых полей, отличающееся тем, что после источника монохроматического излучения помещены ирисовая диафрагма и две собирающие длиннофокусные линзы.(56) 1. Определение радиуса кривизны линзы и величины деформации с помощью колец Ньютона Электронный ресурс. - Физический практикум БГПУ им. М. Танка, физический факультет. Режим доступа ///////4/410. Дата доступа 10.08.2013. Фиг. 1 Полезная модель относится к физике, а именно к оптике, и может быть использована для формирования интерференционных световых полей многокольцевого типа с центральным круговым максимумом и минимумом с целью их использования в качестве оптического пинцета-манипулятора в областях медицины и биотехнологий. Наиболее близким по результату действия предлагаемой полезной модели является устройство для формирования интерференционных световых полей, состоящее из источника монохроматического излучения, наклонной стеклянной пластинки, дублета плоскопараллельная пластинка - плосковыпуклая линза, двух собирающих линз и двух экранов для наблюдения структуры интерференционных полей. Монохроматический свет из источника монохроматического излучения направляют на наклонную стеклянную пластинку, пропускают через дублет плоскопараллельная пла 101712014.06.30 стинка - плосковыпуклая линза и формируют два интерференционных поля в виде колец Ньютона в двух различных плоскостях оптической схемы устройства, соответствующих направлению отраженного и проходящего света. С помощью собирающих линз получают увеличенное изображение структуры интерференционных световых полей. На экранах,которые располагают в направлениях проходящего и отраженного света, наблюдают увеличенное изображение структуры интерференционных световых полей, представляющее собой систему чередующихся светлых и темных колец. Причем в направлении, соответствующем отраженному свету, в центре системы колец регистрируют темный круговой минимум, а в направлении, соответствующему проходящему свету, - светлый круговой максимум. Радиус колец изменяют увеличением толщины воздушной прослойки в дублете между плоскопараллельной пластинкой и плосковыпуклой линзой или изменением показателя преломления воздушной прослойки 1 (прототип). Недостатками прототипа является невозможность формирования двух многокольцевых интерференционных световых полей с центральным круговым минимумом и максимумом в направлении проходящего света и ограниченное управление пространственной структурой поля, которое осуществляется увеличением толщины воздушной прослойки в дублете между плоскопараллельной пластинкой и плосковыпуклой линзой или изменением показателя преломления воздушной прослойки. Это не позволяет использовать устройство для захвата микрообъектов, их перемещения и манипуляции в плоскости,перпендикулярной направлению распространения пучка. Задача, на решение которой направлена полезная модель, заключается в создании устройства для формирования интерференционных световых полей, позволяющего генерировать пространственно разделенные многокольцевые интерференционные световые поля с центральным круговым минимумом и максимумом, в направлении проходящего света, с возможностью управления пространственной структурой. Задача решается за счет того, что устройство для формирования интерференционных световых полей состоит из источника монохроматического излучения и экрана для наблюдения структуры интерференционных световых полей. Причем после источника монохроматического излучения помещены ирисовая диафрагма и две собирающие длиннофокусные линзы. На фиг. 1 показан общий вид устройства. Устройство состоит из источника монохроматического излучения 1, ирисовой диафрагмы 2, собирающей длиннофокусной линзы 3, собирающей длиннофокусной линзы 4,экрана для наблюдения структуры интерференционных световых полей 5. Возможность реализации полезной модели и решения поставленной задачи подтверждена экспериментально. В установке источником монохроматического излучения 1 является гелий-неоновый лазер ЛГН-208 А с длиной волны 0,63 мкм. Монохроматический световой пучок пропускают через ирисовую диафрагму 2, идентичные собирающие длиннофокусные линзы 3 и 4. Диаметр линз составляет 6 см, фокусное расстояние 60 см,показатель преломления 1,5, радиус кривизны поверхностей линз 30 см, расстояние между центрами линз 7,5 см. Фиг. 2 демонстрирует реализацию наклонного падения монохроматического излучения на систему линз 3 и 4. Наклонное падение монохроматического излучения на систему линз реализуют поворотом линзы 3 в плоскости О на угол 4 против часовой стрелки,при этом линзу 4 также отклоняют в той же плоскости на угол 2 по часовой стрелке. Интерференционное поле формируют методом разделения падающей монохроматической световой волны на два фронта при ее частичном отражении и преломлении на границе двух сред с последующей суперпозицией пучков в проходящем поле. Исходный монохроматический пучок, попадая внутрь системы, состоящей из двух линз 2, 3, испытывает многократные отражения от передней и задней сферических поверхностей каждой из линз. В проходящем поле после линзы 3 формируется три пространственно разделен 2 101712014.06.30 ных пучка высокоинтенсивный пучок с гауссовым профилем распределения интенсивности, который распространяется вдоль оптической оси системы и не является интерференционным полем. Два других пространственно разделенных интерференционных пучка имеют одинаковую интенсивность и отличаются от центрального пучка наличием системы колец с круглым максимумом в центре одного пучка и минимумом в центре другого. На фиг. 3 представлено поперечное распределение интенсивности интерференционного пучка с круглым минимумом в центре, на фиг. 4 - с круглым максимумом в центре пучка. Многокольцевые интерференционные пучки распространяются под разными углами в 3 и 5 по отношению к оптической оси. Интенсивность каждого интерференционного пучка в проходящем поле составляет около 20 от интенсивности центрального пучка с гауссовым профилем распределения интенсивности. Расстояние между центрами пучков линейно увеличивается по мере распространения пучков в пространстве. На фиг. 5 представлена зависимость диаметра всех трех пучков от пространственной координатыв проходящем поле. Сплошная кривая соответствует изменению диаметра высокоинтенсивного пучка с гауссовым распределением интенсивности, пунктирная и точечная линии - изменению диаметров центрального максимума и минимума многокольцевых интерференционных пучков. Из графика видно, что диаметр пучков увеличивается с ростом координаты . Расстояние между линзамиопределяет величину диаметра интерференционных пучков. Так, при 7,5 см в проходящем поле диаметры многокольцевых интерференционных пучков становятся примерно одинаковыми. Фиг. 6 демонстрирует возможность изменения размеров интерференционных пучков. При условии 7,5 см диаметр многокольцевого интерференционного пучка распространяющегося под углом 3 по отношению к оптической оси уменьшается, в то время как диаметр многокольцевого пучка распространяющегося под углом 5 увеличивается, при этом происходит изменение соотношения интенсивностей пучков. На фиг. 7-9 зарегистрировано управляемое изменение поперечного распределения интенсивности в центре интерференционного пучка. На фиг. 7 представлен исходный интерференционный пучок с центральным круговым максимумом. На фиг. 8 зарегистрировано уменьшение размеров центрального максимума интерференционного пучка при смещении центра линзы 3 в плоскости О в направлении, перпендикулярном оптической оси схемы. Зарегистрированный профиль интенсивности демонстрирует промежуточный этап трансформации центрального кругового максимума в центральный круговой минимум. На фиг. 9 представлено поперечное распределение интерференционного пучка с центральным круговым минимумом как конечный результат трансформации. Для второго исходного интерференционного пучка с центральным круговым минимумом имеет место похожая динамика трансформации кругового минимума в круговой максимум. Обе трансформации происходят одновременно. Таким образом, смещение центров линз 2 или 3 в плоскости О в направлении, перпендикулярном оптической оси схемы (фиг. 2),приводит к одновременному попутному перемещению обоих многокольцевых пучков в той же плоскости с периодической заменой максимума на минимум и наоборот в центре каждого интерференционного многокольцевого пучка. Аналогичная динамика изменения пространственной структуры пучков имеет место при отклонении линзы 2 или 3 от исходного положения в плоскости О на угол . В рассматриваемой оптической схеме возможны манипуляции линзами 2, 3, приводящие к встречному смещению и совмещению обоих многокольцевых интерференционных пучков в горизонтальной плоскости экрана 5. Фиг. 10, 11 демонстрируют динамику совмещения двух интерференционных световых пучков. На фиг. 10 центры многокольцевых пучков находятся на расстоянии около 1 см друг от друга, при этом в центре профиля интенсивности такой суперпозиции формируется круговой минимум. На фиг. 11 центры многокольцевых пучков практически совпадают, при этом в центре профиля интенсивности суперпозиции пучков формируется круговой максимум. Фиг. 12 представляет резуль 3 101712014.06.30 тат перемещения интерференционных пучков в вертикальном направлении в плоскости экрана 5. Отклонение линзы 3 от ее исходного положения в плоскости О на уголэквивалентно перемещению интерференционных пучков в вертикальном направлении перпендикулярно оптической оси с периодической заменой максимума на минимум и наоборот в центре каждого пучка. Изменение пространственной структуры регистрируют в плоскости экрана 5. Устройство для формирования интерференционных световых полей позволяет генерировать два пространственно разделенных многокольцевых пучка с центральным круговым максимумом и минимумом в направлении проходящего поля. Отклонением соответствующих элементов оптической схемы легко осуществляется управление диаметрами пучков и их структурой, взаимной ориентацией пучков в плоскости, перпендикулярной оптической оси схемы. Простота конструкции предлагаемого устройства для формирования интерференционных световых полей и значительное расширение возможности управления структурой полей позволяют использовать устройство в качестве оптического пинцета-манипулятора в области медицины и биотехнологий. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6