Введение к работе
Актуальность. Проблема создания вращательного момента в микромеханических системах с помощью специальных пучков имеет долгую историю. Основной упор в работах по этой теме делается как на принципиальную возможность вращения элементов микромеханических систем, так и на саму технологию изготовления таких элементов. Есть работы, посвященные теоретическим аспектам процесса вращения микрообъектов в световых пучках. Развитие этой тематики в настоящее время сводится в основном к практическому приложению вращения микрообъектов в световых пучках к конкретным задачам. В некоторых работах задача вращения рассматривается в совокупности с другими задачами: сортировки, перемещения, позиционирования и др.
Есть множество работ, в которых рассматриваются световые пучки с особыми свойствами применительно к задаче оптического вращения микрообъектов. Наиболее удобны для оптического вращения микрочастиц пучки Бесселя и гипергеометрические пучки. Бесселевые пучки (БП) обладают рядом замечательных свойств: распространяются на конечном отрезке оптической оси без дифракции; могут образовывать световую «трубку» или световую полость на оптической оси; могут восстанавливаться через некоторое расстояние после препятствия, расположенного на оптической оси; могут обладать орбитальным угловым моментом. В основном все эти свойства присущи и гипергеометрическим пучкам.
В последнее время появились работы, в которых форму вращаемого объекта согласуют с формой простого вихревого пучка, таким образом, чтобы преломляясь через объект, пучок передавал максимальный вращающий момент. Есть работы по вращению микрообъектов, изготовленных из двулучепрелом-ляющих материалов. При прохождении сфокусированного циркулярно-поляризованного пучка через такие объекты лучи будут отклоняться таким образом, что объекту будет передаваться вращающий момент. Есть готовые системы наноманипулирования, изготовленные методом двухфотонной полимеризации. В работе S. Машо, Journal of Microelectromechanical Systems 12, 533 (2003) таким методом изготавливают шестеренки, закрепленные на оси, и демонстрируют их вращение, захватывая один из зубцов лазерным лучом и перемещая этот луч по кругу. В работе Hiroo Ukita, Optical Review 15, 97 (2008) осуществлено вращение трехлопастной турбинки в простом гауссовом пучке. Вращение достигалось за счет того, что пучок был сходящимся, а прямые лопасти были смещены относительно оси вращения таким образом, чтобы падающие под наклоном лучи, преломляясь и отражаясь на поверхностях этих лопастей, передавали турбине вращающий момент.
Исходя из приведённого обзора, следует заметить, что все рассмотренные выше публикации можно условно разделить на следующие пять основных типов:
1. Вращение микрообъектов вращением светового поля (Shoji Машо,
Hiroyuki Inoue).
-
Выбор особого материала, который вращается в циркулярно поляризованном свете (Xiudong Sun; L. Paterson; Bretenaker F., Le Floch A.; Chang S., Lee S. S.).
-
Вращение микрообъектов специальной формы плоским или гауссовым пучком (S.K. Mohanty; Ye Tian; N К Metzger, М Mazilu, L Kelemen, P Ormos and К Dholakia; Hiroo Ukita; S. Мато).
-
Вращение микрообъектов в световом пучке известного типа (пучке Бесселя (К. Volke-Sepulveda; С.Н. Хонина ), гипергеометрическом пучке (В.В. Котляр), простом вихревом пучке (Friese М. Е. J.; Не Н.) и т.д.).
-
Вращение микрообъекта с формой, оптимизированной под форму вихревого пучка (работы группы Xiao-Feng Lin).
Первые три способа имеют очень мало требований к световому полю, но при этом накладывают много ограничений на вращаемый микрообъект. В первом случае также добавляется необходимость системы, которая будет вращать световое поле, это может быть как механическое вращение дифракционного оптического элемента, так и изменение поля с помощью динамического модулятора света, и то и другое значительно усложняет систему манипулирования. Во втором случае - жесткие ограничения на материал вращаемого микрообъекта - он должен быть двулучепреломляющим, что также накладывает большие сложности на изготовление таких объектов, так как в них еще нужно соблюдать правильную ориентацию оси кристалла. Третий тип вращения жестко привязан к форме микрообъекта, в этих работах приводятся конкретные сложные формы микрообъектов, которые будут вращаться при освещении их световым полем с конкретно заданными параметрами. Это делает третий способ не универсальным и требует изготовления специальных микрообъектов сложной формы.
По сравнению с первыми тремя типами вращений микрообъектов, метод, представленный в данной работе, не накладывает больших ограничений на вращаемый объект, а также не требует дополнительных элементов, которые будут вращать световое поле.
Рассматриваемый в данной работе способ вращения микрообъектов по своему подходу ближе к четвертой и пятой группе работ. В них вращение осуществляется с помощью пучков известного типа, имеющих орбитальный угловой момент. Такой подход накладывает совсем небольшие ограничения на форму объекта и в этом плане является более универсальным, вращение можно осуществлять с помощью одного лазерного пучка, получившего нужную задержку по фазе с помощью ДОЭ или динамического модулятора света. Увеличивать эффективность передачи вращающего момента и соответственно скорость вращения микрообъекта при использовании вихревых пучков можно несколькими способами. Во первых, можно существенно увеличить скорость вращения микрообъекта, увеличивая орбитальный угловой момент. Однако этот процесс имеет естественное ограничение. В самом деле, максимально эффективная передача вращательного момента возможна в том случае, если световой пучок в результате взаимодействия с микрообъектом сменит первоначальный вектор своего импульса, на вектор лежащий в плоскости вращения микрообъекта. При определенной форме микрообъекта и заданном
порядке вихревого пучка этого можно достичь и дальнейшее повышение скорости вращения микрообъекта возможно уже только за счет повышения мощности. В силу геометрии вихревого пучка высокого порядка вся его мощность будет сосредоточена в очень узкой области, что при большом повышении мощности может привести к тепловому повреждению микрообъекта. Для предотвращения разрушения необходимо формировать вихревые пучки, в которых энергия будет распределяться в как можно более широкой области, заполняя всю поверхность микрообъекта. Это могут быть вихревые пучки, состоящие из нескольких колец равной яркости, а также вихревые пучки, не имеющие кольцевой структуры. Такие пучки сохранят все преимущества, получаемые при вращении микрообъектов вихревыми пучками известного типа, и позволят при этом использовать лазерные пучки с гораздо большей мощностью, не опасаясь повредить микрообъект. Наряду с этим преимуществом сложные вихревые пучки не исключают и позволяют, также как в работах пятого типа, оптимизировать форму микрообъекта под форму пучка, что даст возможность увеличить скорость вращения микрообъекта еще больше.
Цель диссертационной работы:
Формирование с помощью составных фазовых дифракционных оптических элементов композиционных лазерных вихревых пучков для повышения уровня предельно допустимой мощности пучка, передающего вращающий момент микрообъекту, и экспериментальный захват и вращение в таких пучках прозрачных микрообъектов сложной формы с размерами сопоставимыми с размерами пучков.
В соответствии с поставленной целью определены основные задачи диссертации:
-
Экспериментально осуществить захват и вращение прозрачных микрообъектов в распределенном вихревом лазерном пучке, формируемом многоуровневым дифракционным оптическим элементом за счет предыскажения формы поверхности микрорельефа.
-
Разработать метод формирования лазерных вихревых пучков с равномерным распределением интенсивности в сечении пучка и одинаковым углом наклона волнового фронта на основе использования бинарных дифракционных оптических элементов для увеличения рабочей площади падающего на вращаемый микрообъект пучка с целью повышения уровня предельно допустимой мощности пучка и величины передаваемого микрообъекту вращающего момента.
-
Экспериментально подтвердить возможность оптического захвата и вращения микрообъекта сложной формы в лазерных вихревых пучках с равномерным распределением интенсивности в сечении и одинаковым углом наклона волнового фронта.
Научная новизна полученных результатов состоит в следующем:
1. Экспериментально осуществлен захват и вращение группы прозрачных полистироловых сферических микрочастиц в вихревом лазерном пучке седьмого порядка, сформированном многоуровневым дифракцион-
ным оптическим элементом с предыскажением формы поверхности микрорельефа. Показано, что группа полистироловых микросфер вращалась с линейной скоростью на 40% выше, чем такая же группа в аналогичном по мощности и порядку пучке Бесселя.
-
Сформированы композиционные лазерные вихревые пучки, содержащие два и более соосных когерентных вихревых световых пучков, для вращения сопоставимых по размеру с пучком микрообъектов сложной формы. Такие пучки позволяют повысить уровень предельно допустимой мощности пучка, передающего вращающий момент микрообъекту без теплового повреждения микрообъекта.
-
Экспериментально осуществлен стабильный оптический захват и вращение микрообъектов в композиционных лазерных вихревых пучках (вплоть до 48 порядка), сформированных составными ДОЭ, в том числе захват и вращение агломераций полистироловых сферических микрочастиц и микротурбины, оптимизированной для вращения в составном когерентном вихревом пучке.
На защиту выносятся:
-
Результаты экспериментов по захвату и вращению группы прозрачных полистироловых сферических микрочастиц в вихревом лазерном пучке седьмого порядка, сформированном многоуровневым дифракционным оптическим элементом с предыскажением формы поверхности микрорельефа, показывающие, что скорость вращения частиц в таком пучке превосходит скорость вращения таких же частиц в аналогичном по энергии и порядку пучке Бесселя на 40%.
-
Результаты экспериментов по формированию композиционных лазерных вихревых пучков, содержащих два и более соосных когерентных вихревых световых пучков, для вращения сопоставимых по размеру с пучком микрообъектов сложной формы, которые позволяют повысить уровень предельно допустимой мощности пучка, передающего вращающий момент микрообъекту без теплового повреждения микрообъекта.
-
Результаты экспериментов по оптическому захвату и вращению микрообъектов в композиционных лазерных вихревых пучках(вплоть до 48 порядка), сформированных составными ДОЭ, в том числе захвату и вращению агломераций полистироловых сферических микрочастиц и микротурбины, оптимизированной для вращения в составном когерентном вихревом пучке.
Достоверность полученных результатов
Достоверность полученных результатов подтверждается корректностью математических выкладок и соответствием результатов расчетов и моделирования экспериментальным данным.
Авторский вклад
Все результаты, изложенные в диссертации, получены автором лично, либо при его определяющем личном участии.
Публикации
Основные результаты диссертации опубликованы в 9 статьях в изданиях, рекомендованных ВАК РФ, а также в материалах 8 Международных и Всероссийских научных конференций.
Апробация работы
Результаты, вошедшие в диссертационную работу, представлялись на 8 конференциях, в том числе на 5 Международных и 3 Всероссийских: VII, VIII, X Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике (г. Самара, 2009, 2010, 2012); 8-я Международная конференция ТОЛОЭКСПО-20 И" (HOLOEXPO-2011) (Республика Беларусь, г. Минск, 2011); 9-я Международная конференция ТолоЭкспо-2012". Голография. Наука и практика, (г. Суздаль, 2012); 10-я Международная конференция «ГолоЭкспо-2013» (г.Москва, Россия, 2013); Перспективные информационные технологии для авиации и космоса (ПИТ-2010). Международная конференция с элементами научной школы для молодежи (г. Самара, 2010); Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics (г. Самара, 2011).
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка литературы (93 наименования), изложена на 89 страницах, содержит 57 рисунков.
