Устройство для формирования динамического градиентного светового поля

(51) МПК (2009) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ФОРМИРОВАНИЯ ДИНАМИЧЕСКОГО ГРАДИЕНТНОГО СВЕТОВОГО ПОЛЯ(71) Заявитель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(72) Авторы Рыжевич Анатолий Анатольевич Железнякова Татьяна Александровна Солоневич Сергей Васильевич(73) Патентообладатель Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси(57) Устройство для формирования динамического градиентного светового поля, содержащее источник лазерного излучения и телескоп-коллиматор, обеспечивающие формирование начального коллимированного когерентного светового пучка с аксиально симметричным распределением интенсивности излучения, и стеклянную трехгранную пирамиду, основание которой ориентировано перпендикулярно к оси светового пучка, а наклонные грани образуют с основанием три одинаковых угла в пределах 0,01-45, отличающееся тем, что перед пирамидой установлена диафрагма из непрозрачного для излучения материала с тремя круглыми отверстиями равных диаметров, центры которых расположены в вершинах равностороннего треугольника, центр треугольника лежит на оптической оси начального светового пучка, все отверстия полностью освещены начальным световым пучком,на пути одного из пучков, выделяемых диафрагмой из начального, закреплена плоскопараллельная стеклянная пластина толщиной 0,1-2 мм с возможностью поворота на контролируемый угол, лежащий в плоскости, содержащей оптическую ось начального пучка и центр закрываемого пластиной отверстия, каждый из трех выделенных диафрагмой пучков проходит через основание и только через одну наклонную грань трехгранной пирамиды, вершина которой лежит на оптической оси начального 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. 3.,,,... 22-262001, ,(., ). 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 2 70532011.02.28 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 на основе пирамиды с тремя гранями для формирования градиентного светового поля (3-пучка) из трех сходящихся под некоторым углом к одной оси когерентных между собой световых пучков. Формируемое посредством интерференции световое поле является статичным градиентным световым полем со множеством периодически расположенных округлых максимумов интенсивности. Однако данное устройство не позволяет формировать динамическое, т.е. переменное, градиентное световое поле. Задача предлагаемой полезной модели - формирование градиентного светового поля,представляющего собой в плоскости поперечного сечения совокупность округлых, близких между собой по размеру максимумов интенсивности, которые можно контролируемо перемещать в указанном сечении. Предложенное устройство для формирования динамического градиентного светового поля характеризуется следующими существенными признаками устройство содержит источник лазерного излучения и телескоп-коллиматор, обеспечивающие формирование начального коллимированного когерентного светового пучка с аксиально симметричным распределением интенсивности излучения, и стеклянную трехгранную пирамиду, основание которой ориентировано перпендикулярно к оси светового пучка, а наклонные грани образуют с основанием три одинаковых угла в пределах 0,01-45. Устройство обладает следующими отличительными признаками перед трехгранной пирамидой установлена диафрагма из непрозрачного для излучения материала с тремя круглыми отверстиями равных диаметров, центры которых расположены в вершинах равностороннего треугольника, центр треугольника лежит на оптической оси начального светового пучка, все отверстия полностью освещены начальным световым пучком, на пути одного из пучков, выделяемых диафрагмой из начального, закреплена плоскопараллельная стеклянная пластина толщиной 0,1-2 мм с возможностью поворота на контролируемый угол, лежащий в плоскости, содержащей оптическую ось начального пучка и центр закрываемого пластиной отверстия, каждый из трех выделенных диафрагмой пучков проходит через основание и только через одну наклонную грань трехгранной пирамиды, вершина которой лежит на оптической оси начального пучка. Сущность полезной модели поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана оптическая схема установки, включающей предлагаемое устройство, на фиг. 2 приведена фотография общего вида установки, содержащей предлагаемое устройство, реализованной для исследования эксплуатационных характеристик предлагаемого устройства и свойств создаваемых с его помощью световых полей, на фиг. 3 показан один из возможных для использования вариантов диафрагмы с тремя отверстиями, являющейся частью устройства, на фиг. 4 показана фотография используемой в составе устройства трехгранной пирамиды, на фиг. 5 показана рассчитанная зависимость интенсивности светового поля в поперечном сечении от разницы в фазе одного из трех интерферирующих пучков, на фиг. 6 приведена экспериментальная зависимость интенсивности светового поля в поперечном сечении от угла поворота стеклянной пластины, обусловливающего разницу в фазе одного из трех интерферирующих пучков. Предлагаемое устройство состоит из источника лазерного излучения 1, телескопаколлиматора 2, диафрагмы 3 с тремя одинаковыми круглыми отверстиями, центры которых являются вершинами равностороннего треугольника, центр треугольника лежит на оптической оси начального пучка, прозрачной стеклянной плоскопараллельной пластины 4 толщиной 0,1-2 мм, полностью перекрывающей одно из отверстий диафрагмы и закрепленной с возможностью поворота пластины на контролируемый угол в плоскости, содер 3 70532011.02.28 жащей оптическую ось начального пучка и центр указанного отверстия, и стеклянной трехгранной пирамиды 5, основание которой перпендикулярно оптической оси начального пучка, вершина лежит на оптической оси 6 начального пучка, а наклонные грани образуют с основанием три одинаковых угла в пределах 0,01-45. 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 диафрагму 3 с тремя круглыми отверстиями, расположенными в вершинах равностороннего треугольника, и полностью их освещает симметрично относительно оптической оси начального пучка. На пути одного из этих отверстий установлена плоскопараллельная стеклянная пластина 4 толщиной 0,1-2 мм с возможностью поворота на контролируемый угол, лежащий в плоскости, содержащей оптическую ось начального пучка и ось того выделенного диафрагмой пучка, который проходит сквозь эту пластину. При повороте пластины 4 на некоторый угол изменяется оптический путь пучка, проходящего сквозь нее, и, соответственно, возникает и изменяется разница в фазе этого пучка по отношению к двум другим. Параллельное смещение пучка, проходящего сквозь заклоненную пластину, в силу ее малой толщины также мало и поэтому не оказывает существенного влияния на вид выходного интерференционного поля. После прохождения трех выделенных диафрагмой пучков сквозь трехгранную пирамиду 5 (каждый из трех выделенных диафрагмой пучков проходит только через одну наклонную грань пирамиды) в области интерференции пучков за пирамидой формируется динамическое градиентное поле, все максимумы интенсивности которого при повороте пластины 4 по причине изменения разницы в фазе одного из пучков с двумя другими одновременно во всех поперечных сечениях смещаются в плоскости,перпендикулярной одновременно плоскости поворота пластины и оптической оси начального пучка. Наличие динамического градиентного поля, формируемого предлагаемой полезной моделью в зоне интерференции, можно зарегистрировать с помощью микроскопа 7 и -камеры 8. Возможность реализации предлагаемой полезной модели подтверждена расчетным образом и экспериментально. На фиг. 2 показана реализованная экспериментальная установка для исследования характеристик предлагаемого устройства, а также свойств формируемого динамического градиентного поля. Устройство включает в себя диафрагму(фиг. 3) и трехгранную пирамиду (фиг. 4). На фиг. 5 показана рассчитанная теоретически зависимость распределения интенсивности в поперечном сечении формируемого интерференционного поля от разницы в фазе одного из трех интерферирующих пучков относительно двух других. На фиг. 6 показана экспериментально зарегистрированная зависимость распределения интенсивности в поперечном сечении формируемого интерференционного поля от угла поворота стеклянной пластины толщиной 1 мм, обеспечивающего разницу в фазе одного из трех интерферирующих пучков, проходящего сквозь нее, относительно двух других. При изменении угла поворота пластины световые максимумы интерференционного поля контролируемо смещаются. Градиент интенсивности в поперечном сечении формируемого поля существенно больше, чем в интерференционном поле в виде параллельных полос, формируемом при интерференции двух пучков. Таким образом, изготовленный авторами предлагаемой полезной модели пробный экземпляр устройства подтвердил ее работоспособность. Предлагаемое устройство применимо для выполнения поставленной задачи - формирования градиентного поля, световые максимумы которого можно контролируемо перемещать в его поперечном сечении. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6