Введение к работе
Диссертация посвящена расчету, а также численному и экспериментальному исследованию квантованных дифракционных оптических элементов (ДОЭ), формирующих аксиальные световые распределения в задаче оптического захвата.
Актуальность темы
Появление методов расчета и технологий изготовления ДОЭ привело к возможности решения фундаментальных и прикладных задач, которые невозможно или затруднительно решать с использованием элементов традиционной (рефракционной) оптики. ДОЭ нашли широкое применение в оптическом приборостроении, медицине, диагностике материалов, сенсорике, лазерной обработке материалов. Одной из актуальных задач синтеза ДОЭ является создание элементов, формирующих оптические ловушки - световые распределения специального вида, позволяющие осуществлять различные манипуляции с микро- и наночастицами. В 1986 году был продемонстрирован пространственный захват микрочастиц (Ashkin А.), помещенных в жидкость, градиентными световыми полями. Было показано, что микрочастицы со слабым поглощением и большим, чем у окружающей жидкости показателем преломления, могут быть захвачены и свободно перемещаться лазерным пучком с гауссовым распределением. Также было предложено использовать этот эффект для перемещения атомов, для микроманипуляций с биологическими объектами. Позднее вместо сфокусированного гауссова пучка для перемещения микрочастиц был использован соосный световой отрезок, формируемый аксиконом (Скиданов Р.В., Arlt J.).
Однако применение дифракционного аксикона дает неравномерное осевое распределение интенсивности. Известны методы расчета фазовых ДОЭ, предназначенных для формирования продольных отрезков, основанные на применении приближения геометрической оптики (Голуб М.А., Карпеев СВ., Сойфер В.А.). Однако такие методы принципиально не позволяют учесть дифракционные эффекты, к тому же они крайне чувствительны к квантованию рельефа по уровням. Численные процедуры, основанные на применении известного алгоритма Герчберга-Секстона (Котляр В.В., Хонина С.Н.), также не свободны от недостатков. Во-первых, известно, что алгоритм Герчберга-Секстона в случае его применения к расчету фазовых ДОЭ принципиально не обладает сходимостью. Во-вторых, необходимость обратного пересчета (применения обратного оператора распространения) на каждой итерации алгоритма приводит к трудностям учета технологических ограничений, особенно в случае малого числа уровней квантования и небольшого числа отсчетов фазовой функции. Таким образом, разработка численных процедур расчета квантованных радиальных ДОЭ, формирующих аксиальное распределение, на основе методов прямого поиска является актуальной задачей.
Оптический захват в области максимума интенсивности не всегда применим. Захватываемые частицы подвергаются разрушительному температурному воздействию в силу того, что центр оптического захвата находится в зоне острой фокусировки пучка, причем со снижением мощности лазера будет ослабевать сила захвата.
Альтернативой являются оптические ловушки более сложной структуры, в частности, ловушки типа "световая бутылка" (Arlt J., Phillip G.M.). Оптической ловушкой типа "световая бутылка" называется световое распределение в виде области низкой интенсивности (темновой зоны ловушки), окруженной световым барьером.
В работах (Wright W.H., Yelin D.) развит подход, основанный на формировании темнового фокуса на интерференционной картине двух пучков. Такой подход требует юстировки достаточно сложной экспериментальной установки.
Возможность формирования световых полей сложной структуры делает ДОЭ перспективным инструментом для реализации оптических ловушек типа «световая бутылка». Однако технологии изготовления ДОЭ все еще несовершенны и хорошо отработаны лишь для изготовления квантованного (ступенчатого) микрорельефа с малым числом уровней квантования. Стоит отметить также, что изготовление радиально-симметричного микрорельефа в целом ряде случаев значительно проще и дешевле. Существующие технологические ограничения, таким образом, определяют актуальность разработки и исследования методов синтеза квантованных радиально-симметричных ДОЭ для решения задачи оптического захвата. Отметим, что размеры темновой зоны оптической ловушки определяются параметрами задачи оптического захвата.
В известных работах (Хонина С.Н., Arlt J., Kuga Т.) развит подход к созданию оптических ловушек с темновой зоной на основе формирования с помощью ДОЭ многомодовых пучков специального вида. Среди недостатков такого подхода следует отметить следующие: возможность создания, как правило, «двумерного» темнового фокуса в плоскости, низкая дифракционная эффективность ДОЭ, не-радиально-симметричный микрорельеф элемента.
В работе (Menon R.) предложен метод расчета бинарной дифракционной линзы, формирующей темновой фокус. Однако эта процедура также рассчитана на формирование «двумерного» темнового фокуса в плоскости. Кроме того, автором не рассмотрено применение созданного элемента для решения задачи оптического захвата.
Таким образом, актуальной задачей является разработка и исследование метода формирования трехмерной оптической ловушки типа "световая бутылка" с заданными размерами темновой зоны, основанного на использовании одиночного параксиального ДОЭ. Технологические ограничения определяют актуальность разработки численных процедур расчета радиальных квантованных ДОЭ для формирования таких ловушек.
Задачи формирования заданного продольного (трехмерного) светового распределения (типа "световой бутылки") обладают своей спецификой, отличающей их, например, от задачи формирования заданного распределения интенсивности в определенной плоскости. Если задача формирования двумерного распределения интенсивности в заданной области фокальной плоскости с помощью фазового ДОЭ (задача синтеза фокусатора) решается за счет подбора фазы в фокальной плоскости, обеспечивающей чисто фазовый характер функции пропускания ДОЭ, то в случае формирования продольного или трехмерного светового распределения этой возможности, очевидно, не существует.
Ранее была показана целесообразность применения методов прямого поиска в случаях, когда вычисление двумерного оператора распространения можно свести к вычислению одномерного оператора (например, в случае расчета ДОЭ, формирующего заданное радиально-симметричное распределение интенсивности в выходной плоскости - Павельев B.C.). В данной диссертации разработана и исследована численная процедура расчета квантованного радиально-симметричного микрорельефа ДОЭ, предназначенных для формирования продольных отрезков и трехмерных распределений типа "световой ловушки" заданных размеров. С помощью разработанной численной процедуры рассчитаны, изготовлены и исследованы методами численного моделирования и оптического эксперимента бинарные и четырехуровневые оптические элементы. Результаты численных и экспериментальных исследований оптических элементов находятся в хорошем взаимном соответствии.
Отметим также актуальность исследования различных методов и технологий формирования дифракционного микрорельефа. Электронная литография, обладающая высоким пространственным разрешением (до 10 нм и выше), весьма дорога при изготовлении полноапертурного оптического элемента (с площадью апертуры 1x1 мм и более), в то время как более дешевая фотолитография имеет разрешение, ограниченное длиной волны лазера (обычно не выше 0,4 мкм). В этом смысле, определенным компромиссным вариантом может быть использование метода двухфотонной полимеризации (ДФП) (Чичков Б.Н., Kawata S.) с разрешением 100-200 нм и даже 65 нм (Homburg О.). Ранее метод ДФП применялся для создания трехмерных фотонно-кристаллических устройств и для создания малоапертурных ДОЭ с непрерывным микрорельефом. В диссертации исследовалась возможность создания квантованных ДОЭ, формирующих аксиальные распределения интенсивности, с помощью метода ДФП. Результаты экспериментального исследования созданных оптических элементов подтверждают целесообразность использования метода ДФП для изготовления полноапертурных ра-диально-симметричных ДОЭ с квантованным микрорельефом, рассчитанным разработанной численной процедурой.
Отдельный класс ДОЭ образуют дифракционные делители пучка, которые могут применяться в интерференционных оптических схемах и в оптических системах множественного оптического захвата.
Дифракционные делители пучка (многопорядковые дифракционные решётки) представляют собой дифракционную структуру с периодическим фазовым микрорельефом и предназначены для формирования одно- или двумерного набора пучков с заданным соотношением энергии между пучками. В силу доминирования литографических технологий большая часть дифракционных делителей пучка имеет квантованный («ступенчатый») профиль дифракционного микрорельефа (Котляр В.В., Досколович Л.Л.). Квантование микрорельефа приводит к снижению дифракционной эффективности ДОЭ. Таким образом, актуальным является исследование применения технологий формирования непрерывного дифракционного микрорельефа к синтезу дифракционных делителей пучка.
Цель работы
Разработка и исследование методов синтеза квантованных радиальных ДОЭ, предназначенных для решения задачи оптического захвата. В соответствии с целью работы были определены задачи диссертации:
Разработка и исследование численной процедуры расчета квантованных ради-ально-симметричных оптических элементов для решения задач оптического захвата.
Изготовление с помощью технологии фотолитографии и метода ДФП, а также исследование ДОЭ, рассчитанных разработанной численной процедурой.
Формирование светового трехмерного распределения типа «световая бутылка» на основе использования одиночного квантованного радиально-симметричного ДОЭ.
Экспериментальная реализация оптического захвата микрочастиц на основе применения ДОЭ, рассчитанных разработанной численной процедурой.
Методы исследования включают в себя методы численного моделирования и методы экспериментальной оптики.
Достоверность полученных результатов
Достоверность полученных в ходе выполнения работы результатов подтверждена качественным соответствием результатов численного моделирования и экспериментальных результатов.
Научная новизна
Разработана численная процедура расчета квантованных радиально-симметричных ДОЭ для решения задачи оптического захвата, основанная на комбинации генетического алгоритма и фитнес-функции экспоненциального вида. Выбор фитнес-функции экспоненциального вида обеспечивает снижение в 2 раза среднеквадратичной ошибки (СКО) формирования осевого распределения интенсивности в задаче синтеза фокусатора в продольный отрезок по сравнению с ранее использованной для расчета радиальных квантованных элементов квадратичной нормой.
Предложено использовать бинарные и четырехуровневые радиально-симметричные ДОЭ, рассчитанные с помощью разработанной численной процедуры, для решения задачи формирования трехмерных оптических ловушек типа «световая бутылка».
Изготовлены методом двухфотонной полимеризации и исследованы радиаль-но-симметричные бинарные и четырехуровневые ДОЭ видимого диапазона (длина волны ^=0,633 мкм), рассчитанные с помощью разработанной численной процедуры.
Экспериментально показана возможность трехмерного манипулирования прозрачными и непрозрачными микрочастицами в вязкой жидкой среде с помощью бинарных радиально-симметричных ДОЭ, рассчитанных с помощью разработанной численной процедуры.
Практическая ценность работы заключается в разработке численной процедуры расчета радиальных квантованных ДОЭ. Разработанная численная процедура и созданное программное обеспечение использовались для расчета ДОЭ в хоздоговорных работах с ЗАО "Тидекс" (г. Санкт-Петербург), а также при вы-
полнении совместных научно-исследовательских работ СГАУ и ИСОИ РАН (г. Самара), и совместных научно-исследовательских работ СГАУ и Ганноверского Лазерного Центра (г. Ганновер, Германия).
Личный вклад автора
Результаты, представленные в диссертации, получены лично соискателем или при его непосредственном участии.
Основные положения, выносимые на защиту
Численная процедура расчета радиально-симметричных квантованных ДОЭ для решения задач оптического захвата, основанная на комбинации генетического алгоритма и фитнес-функции экспоненциального вида.
Метод формирования трехмерных оптических ловушек типа «световая бутылка», основанный на использовании одиночного квантованного радиально-симметричного ДОЭ, рассчитанного с помощью разработанной численной процедуры.
Результаты численного моделирования бинарных и четырехуровневых ДОЭ, формирующих аксиальные распределения, микрорельеф которых рассчитан с помощью разработанной численной процедуры.
Сравнительный анализ результатов численных и натурных экспериментов по исследованию радиально-симметричных бинарных и четырехуровневых ДОЭ, рассчитанных с помощью разработанной численной процедуры.
Апробация работы
Основные результаты диссертационной работы были изложены в докладах, представленных на международных конференциях «Optical Modelling and Design» (США, Беллингхэм, 2010), «Micro-Optics 2010» (США, Беллингхэм, 2010), «Optical Techniques and Nano-Tools for Material and Life Sciences» (Белоруссия, Минск, 2010), «CLEO/Europe and EQEC 2011» (Германия, Мюнхен, 2011), «Asia-Pacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics» (РФ, Москва-Самара, 2011), на конференциях «VIII и IX Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике» (Самара, 2010, 2011) и обсуждались на научных семинарах кафедры наноинжене-рии СГАУ.
Публикации
По результатам диссертационной работы опубликовано 18 печатных работ, из них 8 статей - в журналах, рекомендуемых ВАК, 10 тезисов докладов конференций.
Структура и объем работы
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения А, списка цитируемой литературы (165 наименований), изложенных на 138 страницах, содержит 72 рисунка и 6 таблиц.
