ДИНАМИЧЕСКОЕ ФОРМИРОВАНИЕ СВЕТОВЫХ ПОЛЕЙ ДЛЯ ЗАДАЧ ЛАЗЕРНОЙ МАНИПУЛЯЦИИ ВОЛНЫ- 2014 С.П. Котова

ДИНАМИЧЕСКОЕ ФОРМИРОВАНИЕ СВЕТОВЫХ
ПОЛЕЙ ДЛЯ ЗАДАЧ ЛАЗЕРНОЙ МАНИПУЛЯЦИИ
С.П. Котова
Самарский филиал ФИАН
kotova@fian.smr.ru
ВОЛНЫ- 2014
Методы лазерной манипуляции микроскопическими и
наноразмерными объектами представляют большой
интерес для биологии, медицины, микромеханических
технологий и продолжают интенсивно развиваться.
Функциональные возможности оптических пинцетов во
многом
определяются
пространственной
структурой
оптических ловушек и их динамической перестройкой.
2
ПЛАН ЛЕКЦИИ
1.Введение
2. Формирование ловушек с помощью многоэлементного ЖК ПВМС

Массивы ловушек

Ловушки в виде кривых

Вихревые ловушки, сформированные с использованием оптики
спиральных пучков
3. Формирование ловушек с помощью четырехканального ЖК фокусатора

Конструкция и принцип действия фокусатора

Формирование полей различных типов

Эксперименты по манипуляции
3
В 1860 – 1865 создал теорию
электромагнитного поля, которую
сформулировал в виде системы
уравнений.
Эта теория предсказывала давление
света.
Джеймс Клерк Максвелл
(1831 - 1879)
4
В 1900 г. экспериментально
подтвердил давление света
Петр Николаевич Лебедев
(1866 - 1912)
5
В 1970 Артур Эшкин показал, что сила светового давления, производимая
лазерным пучком, достаточно велика для захвата, удержания и перемещения
в различных средах нейтральных частиц микронных размеров
6
Лазерная манипуляция микроскопическими объектами
является одним из бурно развивающихся направлений
фотоники.
Разновидности оптических пинцетов:
• Однопучковые и многопучковые
• Интерференционные
• Голографические
• Формируемые с помощью световодов
• Для манипуляции в плоскости (2D) и в объеме (3D)
• Для манипуляции микроскопическими объектами и
наноразмерными объектами
• Пинцеты на основе ловушек со сложной
пространственной структурой,
• Пинцеты на основе ловушек, имеющих вихревую
компоненту
• Пинцеты на основе ловушек с неоднородным
распределением состояния поляризации
7
Использование массивов и одиночных ловушек с заданной
пространственной конфигурацией, в том числе имеющих
вихревую
компоненту,
значительно
расширяет
функциональные возможности этого инструментария.
Для формирования световых полей в реальном времени
наиболее привлекательными являются пространственные
модуляторы на основе жидких кристаллов.
В лекции представлены результаты по формированию
массивов и одиночных ловушек для манипуляции
микроскопическими
объектами
с
помощью
многоэлементного
пространственного
модулятора
HOLOEYE HEO-1080P и разработанного авторами
жидкокристаллического фокусатора.
8
ФАЗОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ СВЕТА В НЕМАТИЧЕСКИХ
ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ
Схема электрооптической ЖК ячейки: 1 стеклянные подложки, 2 –
прозрачные низкоомные покрытия (контакты), 3
ЖК слой, 4
прокладки (задают толщину образца), 5 ориентирующие покрытия.
5
ФАЗОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ СВЕТА В НЕМАТИЧЕСКИХ
ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ
Переход Фредерикса в планарной структуре. Пороговое напряжение
составляет примерно 0,7 В.
5
ФАЗОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ СВЕТА В НЕМАТИЧЕСКИХ
ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ
3.5
22
20
3
18
16
14
2

I, отн. ед.
2.5
1.5
12
10
8
1
6
0.5
4
2
0
0
0
1
2
3
4
5
U, В
а
6
7
8
9 10
0
1
2
3
4
5
U, В
6
7
8
9 10
б
Типичная зависимость (б) (вольт-фазная характеристика) от напряжения на
ЖК ячейке в интенсивности света за анализатором (а) (вольт-контрастная
характеристика) и фазы схеме со скрещенными поляроидами. Использована
ячейка с ЖК BL037 толщиной 25 мкм. Длина волны лазерного излучения 0,63
мкм.
5
ФОРМИРОВАНИЕ
ОПТИЧЕСКИХ ЛОВУШЕК С ПОМОЩЬЮ
МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО ЖК
ПВМС
12
МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ
ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ МОДУЛЯТОР СВЕТА
The Spatial Phase Modulator
HOLOEYE HEO-1080P
• количество управляемых элементов : 1920×1080 pixels;
• размер пикселя: 8 µm;
• размеры активной зоны: 15.36×8.64 мм;
• количество градации фазы 256 (8 bit);
• глубина модуляции фазы: 2π;
• режим работы: отражение;
• максимальная частота (обновления): 60 Гц;
• интенсивность освещения: 2 Ватт/см2.
13
ФОРМИРОВАНИЕ ФАЗОВОГО ПРОФИЛЯ
Фазовый профиль линзы
Фазовый профиль клина
5
МАССИВЫ
ОПТИЧЕСКИХ ЛОВУШЕК
15
ФОРМИРОВАНИЕ МАССИВОВ ЛОВУШЕК
Разработано
специализированное
программное
обеспечение,
позволяющее формировать массивы ловушек количеством до тридцати
двух, с возможностью независимого или группового управления.
Используется принцип пространственного разделения рабочей области
модулятора. Для дифракционного элемента, соответствующего каждой из
ловушек,
независимо
задаются
сферический,
астигматический
компоненты, а также компоненты, соответствующие сдвигу и коническому
аксикону
5
ФОРМИРОВАНИЕ МАССИВОВ ЛОВУШЕК
6
ФОРМИРОВАНИЕ МАССИВОВ ЛОВУШЕК
Сформировано 8 ловушек
5
СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ
МАНИПУЛЯЦИИ МИКРОСКОПИЧЕСКИМИ
ОБЪЕКТАМИ
λ = 0,53 mkm
P = 500 mW
Cell with
particles
Mirror Microscopic
objective
Cell view
from above
mover
control
module
Spatial
Light
Modulator
Semitransparent
mirror
modulator
control
module
CCD
PC
19
ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО МАНИПУЛЯЦИИ
8 независимо
управляемых
точечных
ловушек
Захват и
перемещение двух
микросфер из латекса
20
ОПТИЧЕСКИЕ ЛОВУШКИ В ФОРМЕ КРИВЫХ
21
ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ЛОВУШКАМИ В ФОРМЕ КОЛЕЦ,
ПРЕОБРАЗУЕМЫХ В ЭЛЛИПСЫ
The change of the trap form from
ring to ellipse can be realized.
One of the possible applications of
this manipulation is the deformation
of cells.
It is needed to form the ellipse of the
size of diameter comparable with
diameter of the cell.
Latex spheres, diameter – 1.2 μm.
Laser power – 100 mW.
5
ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ЛОВУШКАМИ В ФОРМЕ ОТРЕЗКА
Line segment can be used as
the optical shield for particles:
pure area is formed in the fluid
flow.
Line segment optical trap can
be interested for separation of
objects by their size.
Latex spheres, diameter – 1.2 μm.
Laser power – 100 mW.
5
ДВА ВИХРЕВЫХ АКСИКОНА
The phase distribution. White colour – 0;
Black colour – π.
The particles movement along ring
trajectory is realized due to the
transmission of the light beam angular
momentum to the particles as the
Latex spheres, diameter – 0.98 μm.
vortex field is used.
Laser power - 40 mW.
ФОРМИРОВАНИЕ ВИХРЕВЫХ ОПТИЧЕСКИХ
ЛОВУШЕК В
ФОРМЕ ПРОИЗВОЛЬНЫХ КРИВЫХ
НА ОСНОВЕ ОПТИКИ СПИРАЛЬНЫХ ПУЧКОВ
СВЕТА
25
СПИРАЛЬНЫЕ ПУЧКИ СВЕТА
Спиральные пучки света были впервые получены и описаны
Е.Г.Абрамочкиным и В.Г.Волостниковым:
E.Abramochkin and V.Volostnikov. Spiral-type beams // Optics
Comm., 1993, v.102, N 3-4, pp.336-350.
E.Abramochkin and V.Volostnikov. Spiral-type beams: optical and
quantum aspects // Optics Comm., 1996, v.125, pp.302-323.
Результаты по этой проблеме изложены в книге:
Е.Г.Абрамочкин и В.Г.Волостников. Современная
гауссовых пучков. М., Физматлит, 2010.
оптика
26
СПИРАЛЬНЫЕ ПУЧКИ СВЕТА
Спиральные пучки света являются структурно устойчивыми при
распространении с точностью до масштаба и поворота.
Теория
Эксперимент
27
СПИРАЛЬНЫЕ ПУЧКИ СВЕТА
Комплексная амплитуда спиральных пучков в виде кривых
задается выражением.
  zz 
S ( z , z |  (t ), t  [0, T ])  exp  2  
 
  (t ) (t ) 2 z (t ) 1 t

 exp 

 2   ( ) ( )   ( ) ( )  d  |  (t ) | dt ,
2
2


 0


0
T
где  - гауссов параметр пучка,  (t ) - порождающая кривая, а черта
означает комплексное сопряжение.
28
СПИРАЛЬНЫЕ ПУЧКИ СВЕТА
Spiral beams may be of various form and size and topology: closed,
open and self-intersecting curves
Intensity
Phase
Intensity
Phase
Black color corresponds to the zero intensity and zero phase, white color
corresponds to the maximum intensity and the phase 2π.
29
СПИРАЛЬНЫЕ ПУЧКИ СВЕТА
Intensity
Phase
Angular
momentum
density
Spiral beams have the
angular momentum. This
property
causes
the
movement of particles along
various traces and their nonuniform deformations
30
F
F
31
1 iteration
4 iteration
10 iteration
32
СРАВНЕНИЕ СВЕТОВЫХ ПОЛЕЙ
Spiral beam
Input intensity
Input phase
Output theoretical and experimental
intensities, 15% efficiency
Pure phase element
Input intensity
Input phase
Output theoretical and experimental
intensities, 60% efficiency
33
ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО МАНИПУЛЯЦИИ
Scheme of a beam
Latex particles
moving under the
fields profile control
The rate of movement depends on the light field spatial structure and
power, indexes of refraction of particles and environment, geometrical
parameters of particles.
34
ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО МАНИПУЛЯЦИИ
0.46 μ
1.2 μ
3.2 μ
The light field power is 140 mW. The largest velocity is observed for 1.2 µmsize particles. 0.46 µm-size particles are influenced with the Brownian
movement.
In the case of a mirror reflection of the phase pattern on the LC SLM, the
direction of the spiral twirling is changed as well as the particles motion
direction.
35
ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО МАНИПУЛЯЦИИ
The rotation of an ensemble of particles effectuated with light field in the form
of the Archimedes spiral.
The effect can be used in micro-mixers production.
36
ЖК ФОКУСАТОР.
КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ
37
МОДАЛЬНАЯ ЖК ЛИНЗА
Modal LC adaptive lenses of spherical and cylindrical forms have been
developed at the Samara Branch of P.N.Lebedev Physical Institute:
G. Vdovin, I. Guralnik, S. Kotova, M. Loktev and A.Naumov “Liquid-crystal lenses with a
controlled focal length. I. Theory,” Quantum Electronics, 29(3), 256-260 (1999).
G. Vdovin, I. Guralnik, S. Kotova, M. Loktev and A.Naumov “Liquid-crystal lenses with a
controlled focal length. II. Numerical optimisation and experiments,” Quantum Electronics,
29(3), 261-264 (1999).
. Variation of the control voltage parameters in these lenses allows building
adaptive optical systems
38
СХЕМА ЖК ФОКУСАТОРА
We developed new LC focusing
device on the base of crossed
substrates of two cylindrical modal
liquid crystals lenses.
It has 4 control electrodes and
new focusing properties.
1 – glass substrates, 2 – contact electrodes,
3 – high resistive conductive layer,
4 – orienting coating, 5 – LC-layer, 6 – spacers.
Contacts layout for the upper (b) and lower (c)
substrate.
The LC-layer is sandwiched
between two glass substrates.
The inner surfaces of both
substrates are covered with
transparent conductive coatings
and non-transparent strip-shaped
contacts. The device has square
aperture.
39
СХЕМА ЖК ФОКУСАТОРА
When alternating electric
potentials with a given amplitude
and phase are applied to the
contacts, the voltage spatial
distribution is formed in the
aperture zone inducing the
reorientation of molecules in the
LC layer.
Thus the spatial distribution of the
phase delay of the light wave
passed through the LC cell can be
controlled.
Equivalent scheme of distributed
voltage divider
40
МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ФОКУСАТОРА
Здесь φ1, φ2, ρ1S и ρ2S – соответственно потенциалы и
поверхностные сопротивления высокоомных электродов, g и
c – удельные (на единицу площади) проводимость и емкость
слоя ЖК, а U – разность потенциалов φ1 и φ2. Величины g и c
выражаются через электрофизические характеристики ЖК
стандартными выражениями
41
РЕЖИМ МАЛОГО МОДАЛЬНОГО ПАРАМЕТРА
Within the framework of the present work we consider the LC-focusing
device operating in the regime of small modal parameter.
To achieve this operation regime it is required to decrease the frequency
and/or resistance of the transparent conductive coatings to meet the
condition
l  ( g  ic)  1
ρ is the surface resistance of high resistive electrodes,
g and c are the specific (per unit of area) conductance and capacitance of
where
the LC-layer,
l is the aperture characteristic size,
ω° is the cyclic frequency of voltage.
42
РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛОВ
The voltage distribution applied to LC layer over the aperture is determined
by the expression
12  11 12  11  22  21  22  21
U  1   2 
x

y
.
2a
2
2b
2
The equipotential lines in the operating range of the device can be only
elliptic and parabolic.
Potential distributions in the form of circles and parallel straight lines
are most interesting for practical purposes, because such distributions
allow the device to focus light to a spot or a line segment.
43
OPTICAL PHASE DELAY DISTRIBUTION
Using the known
dependence of the of
the optical phase
delay of the LC layer
on voltage, one can
calculate the profile of
the wavefront formed
44
РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Voltage distribution
Phase delay distribution
Polarization interference
pattern
Change of amplitude and phase of control voltages leads to relocation of point trap
.
45
РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
b
a
Voltage
Phase delay
c
d
Change of phase
of control voltages
lead to rotation of
line segment trap.
Polarization interferograms for the case with  = 0 (c) and
for the case with  = 30º.(d)
46
ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ФОРМИРОВАНИЮ
СВЕТОВЫХ ПОЛЕЙ
47
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ОБРАЗЦЫ ФОКУСАТОРОВ
Several samples of the tunable LC focusing device with
square apertures side length of 1, 2 and 5 mm were
prepared.
A nematic LC of the type BL037 (Merck company) forming
a 10 µm thick layer between two high-ohmic coated
substrates with a surface resistance of 100 kOhm1/ was
used as a base for the device
48
ТОЧЕЧНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ЛОВУШКА
(a – e) Experimental polarization interference patterns and (f – j) intensity distributions at a
distance of 9 cm from the focusing device, obtained for a focusing device with an aperture of 1 х 1
mm2, at a voltage frequency of 500 Hz and different contact potential amplitudes (a – d, f – i); the
focusing device is switched off (e, j)
It is feasible to form point-type traps. By changing the amplitude and phase
of the control voltage fed to the contacts it is possible to move the pointtype trap in the screen plane.
49
ОПТИЧЕСКАЯ ЛОВУШКА В ФОРМЕ ОТРЕЗКА
Intensity distributions (а,b,c,d) obtained for the focusing device with the 1х1 mm2-aperture
at the voltage frequency of 500 Hz, and different contact potential amplitudes and phases;
(e) the focusing device is switched off. The distance to the screen is 5 cm.
Line segment traps. By changing the amplitude and phase of the control
voltage fed to the contacts it is possible to rotate the line segment trap. The
achieved focusing energy efficiency was about 50%
50
СВЕТОВЫЕ ПОЛЯ. СФОРМИРОВАННЫЕС ПОМОЩЬЮ
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ
Перестраиваемая ловушка.
Длина волны 650 нм
Управляемые оптические ловушки: точечная,
в форме отрезка, в форме кольца.
Длина волны 870 нм.
51
ОПТИЧЕСКАЯ ЛОВУШКА В ФОРМЕ КОЛЬЦА
\
52
ЭКПЕРИМЕНТЫ ПО МАНИПУЛЯЦИИ
МИКРООБЪЕКТАМИ С
ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФОКУСАТОРА
53
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ
МАНИПУЛЯЦИИ
λ=532 nm
P=500 mW
54
ТОЧЕЧНАЯ ЛОВУШКА
Relocation of a 1,2 μm-diameter latex sphere realized with the point trap
55
ЛОВУШКА В ВИДЕ ОТРЕЗКА
a
c
b
Capture and rotation of 1,2 μm-diameter (a-b) and 3,2 μm-diameter (c)
latex spheres with the optical trap of the line-segment form.
56
ЛОВУШКА В ФОРМЕ КОЛЬЦА
Relocation of ring trap
Capture and keeping of absorbing
particle Al2O3
57
ОСОБЕННОСТИ ЖК ФОКУСАТОРА
1.
2.
3.
4.
5.
Работа в режиме пропускания
Упрощенная схема калибровки
Время переключения – доли секунд..
Достаточно высокая лучевая (до >30 Вт/см2)
Невысокая стоимость изготовления.
58
Коллектив исследователей
В,Г. Волостников
Н.Н. Лосевский
Е.В.Разуева
Е.Г.Абрамочкин
А.М. Майорова
К.Н. Афанасьев
А.В. Коробцов
Е.Н.Воронцов
59
С.А.Самагин
В.В. Патлань
С.П. Котова
СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ
САМАРСКАЯ ЛУКА
60