Автореферат (1105150), страница 6
Текст из файла (страница 6)
Для возбуждения волноводноймоды в фотонном кристалле используется твердотельный Nd:АИГ лазер с длиной волныизлучения 532 нм. Управляемый с компьютера механический затвор может блокироватьизлучение лазера. В открытом положении затвора излучение данного лазера с помощьюасферической линзы заводится в одномодовое сохраняющее поляризацию оптическое волокно.
Второй конец оптического волокна установлен на поворотном плече совместноасферической линзой и с лазерной призмой Глана. Линза направляет выходящее из волокна излучение на образец фотонного кристалла, а лазерная призма Глана позволяет17Рис. 14:Установкадля фотонно-силовоймикроскопииэлектромагнитногополявблизиповерхностиобразцафотонногокристалла.установить заданную поляризацию падающего на фотонный кристалл излучения. Призма с основанием в виде трапеции позволяет эффективно возбуждать волноводную модув геометрии нарушенного полного внутреннего отражения и оставляет возможность дляосвещения образца и регистрации рассеянного частицей излучения через верхнюю грань.Для проведения угловой спектроскопии отраженное от фотонного кристалла излучениялазера 532 нм регистрируется с помощью измерителя мощности.
На рисунке 15 изображена зависимость мощности отраженного TE-поляризованного излучения от угла паденияна фотонный кристалл из подложки. Минимум на при угле падения около 74◦ возникаетиз-за перекачки энергии падающего света в волноводную моду. На вставке показано получаемое с видеокамеры изображение, соответствующее возбуждению волноводной модыв фотонном кристалле.
Из-за рассеяния на шероховатостях и дефектах на изображенииотчетливо виден след распространяющегося в фотонном кристалле излучения волноводной моды.Эксперимент по фотонно-силовой микроскопии проводился следующим образом. Воптическую ловушку вблизи поверхности фотонного кристалла захватывалась микрочастица. Расстояние между частицей и фотонным кристаллом выставлялась с точностью50 нм с помощью пьезоэлектрической подачи объектива. Затем область фотонного кристалла вблизи частицы освещалась через призму с помощью лазера 532 нм. Интенсивность оптического излучения в центре освещаемой области составляла около 1 кВт/см2 .Сигнал с квадрантного фотодиода соответствующий смещениям микрочастицы регистрировался анологово-цифровым преобразователем и записывался в постоянную память18Рис.
15:Зависимость мощностиотраженногоTEполяризованногоизлучениядлиной волны 532 нм от углападения этого излучения на фотонный кристалл из подложки.На вставке показано получаемоес видеокамеры изображение,соответствующее возбуждениюволноводной моды в фотонномкристалле.компьютера с частотой дискретизации 50 кГц в течении 30 секунд. Затем излучение лазера 532 нм блокировался затвором и аналогично в течении 30 секунд производиласьзапись сигнала. Запись в присутствии и отсутствии излучения лазера 532 нм повторялась поочередно по 10-50 раз для каждого из рассмотренных расстояний от частицы доповерхности фотонного кристалла и при всех рассмотренных углах падения лазерногоизлучения.
В эксперименте “захваченные” в ловушку оптического пинцета микрочастицыпостоянно смещались в связи с броуновским движением. Эти смещения изменяли картину рассеяния частицами и вызывали изменения в сигнале с секций квадрантного фотодиода, при этом регистрируемое напряжение считалось линейно связанным с даннымсмещением частицы из центра оптической ловушки. Поэтому спектральная плотностьмощности сигнала для каждой независимой декартовой координаты определялась [2]:S 2 D/(2π 2 )PV (f ) =,fc2 + f 2(5)k— частота отсечки, k — жесткость ловушки в данном направлении, γ —2πγкоэффициент вязкого трения, D = kB T /γ — коэффициент диффузии, S — коэффициентпропорциональности между сигналом с квадрантного фотодиода и реальным смещениемчастицы из центра оптической ловушки, например, для смещений вдоль оси x можнозаписать x = Sx Vx .Таким образом, аппроксимируя спектральную плотность мощности, рассчитанную пофлуктуациям приходящего на детектор сигнала с помощью алгоритма быстрого преобразования Фурье, лоренцевой формой линии (5) для каждого направления были рассчитана жесткость ловушки k и коэффициент S.
Умножая найденную величину жесткостиоптической ловушки k на среднюю величину смешения частицы при возбуждении волноводной моды, можно определить величину силового воздействия на частицу со стороныполя этой моды. На рисунке 16 показаны результаты измерения силы. Как видно изграфиков максимальное силовое воздействие на частицу происходит при угле падениялазерного излучения из подложки на фотонный кристалл около 74◦ , что соответствуетрезонансному возбуждению волноводной моды в схеме нарушенного полного внутреннего отражения.
Серия измерений показывает, что при приближении пробной частицык поверхности фотонного кристалла сила также увеличивается, и в случае расположения частицы на расстоянии 0,25 мкм от фотонного кристалла достигает величины около0,03 пН.где fc =19Рис. 16: Результаты измерения силы, действующей на частицу со стороны электромагнитногополя волноводной моды фотонного кристалла: a) иллюстрация эксперимента; б) зависимостьнормальной составляющей силы; в) зависимость тангенциальной составляющей силы.Основные результаты и выводыОсновные результаты диссертационной работы могут быть сформулированы следующимобразом.• Создан экспериментальный комплекс оптического пинцета с двумя независимымиловушками и возможностью создания магнитного поля в области оптических ловушек для исследования взаимодействия магнитных микрочастиц.
Установка позволяет создавать внешнее магнитное поле напряженностью 0–62 Э в области образцаи осуществлять регистрацию малых смещений частиц с нанометровой точностью.Расстояние между ловушками можно устанавливать в диапазоне от 0 до 50 мкм.• Экспериментально, численно и теоретически получена корреляционная функцияброуновских смещений двух магнитных микрочастиц, расположенных на расстоянии друг от друга в двух оптических ловушках. Вид корреляционной функциизависит от силы магнитного взаимодействия между частицами. При наличии силпритяжения между частицами значения корреляционной функции увеличиваются,а при отталкивании – уменьшается.
С помощью аппроксимации функции кросскорреляций теоретическими выражениями была получена зависимость градиентасилы магнитного взаимодействия.• Предложен метод определения величины и градиента силы взаимодействия междумагнитными микрочастицами на основе корреляционного анализа смещений этихчастиц из оптических ловушек. Измерена сила магнитного притяжения двух 3-мкмчастиц из полистирола с вкрапления наночастиц магнетита (2% по массе, расположенных на расстоянии от 4 до 9 мкм друг от друга, во внешнем магнитном поле на-20пряженностью до 62 Э.
Сила взаимодействия имеет разные знаки для параллельнойи перпендикулярной ориентаций магнитного поля. Величина этой силы монотоннорастет при увеличении напряженности внешнего поля и сближении микрочастици имеет порядок 0,1 пН, что подтверждено результатами, полученными с помощьювибрационного магнитометра.• Проведены экспериментальные исследования магнитного взаимодействия с применением метода активной микрореологии в присутствии магнитного поля напряженностью 62 Э, в параллельной и перпендикулярной ориентации внешнего магнитногополя относительно линии, соединяющей положения частиц.
Внешнее механическоевоздействие, осуществлялось изменением по гармоническому закону с амплитудой200 нм и частотой 1 Гц координаты одной из ловушек. Измерены амплитуды смещений частиц на частоте внешнего воздействия. Получено выражение для градиентасилы магнитного взаимодействия от отношения амплитуд смещений частиц на частоте внешнего механического воздействия.• Измерен модуль эластичности эритроцита в аутологичной плазме, захваченного вза противоположные края в две оптические ловушки. Для растягивающих сил менее 15 пН этот модуль равен 13 ± 3 пН/мкм.
Измерена средняя сила, необходимаядля сдвиговой дезагрегации эритроцитов из парного агрегата на заданное расстояние между центрами клеток. Сила сдвиговой дезагрегации увеличивается с увеличением расстояния между центрами клеток, что говорит о пороговом характерепроцесса дезагрегации эритроцитов.• Предложен метод для диагностики вязко-упругих свойств эритроцитов, основанный на анализе фазового сдвига в осцилляциях краев клетки, захваченных одновременно в две оптические ловушки, положение одной из которых периодическименяется со временем.
Тангенс угла фазовой задержки колебаний края клетки внеподвижной ловушке относительно колебаний края в осциллирующей ловушкепропорционален частоте в диапазоне от 0,1 до 1 кГц.• Создан экспериментальный комплекс для одновременного проведения угловойспектроскопии фотонного кристалла и фотонно-силовой микроскопии вблизи границы раздела фотонного кристалла с жидкостью. Проведена спектроскопия коэффициента отражения фотонного кристалла, состоящего из 11 пар слоев диоксидакремния и диоксида циркония на стеклянной подложке, при контакте кристаллас водой. Средняя оптическая толщина каждого слоя составляла около 750/4 нм.В зависимости коэффициента отражения образца от частоты падающего на негоизлучения наблюдался минимум на длине волны 532 нм и угле падения 74◦ на фотонный кристалл из подложки, соответствующий возбуждению волноводной моды.• Методом фотонно-силовой микроскопии обнаружено силовое воздействие на пробную микрочастицу, расположенную в воде вблизи границы раздела с одномернымфотонным кристаллом, в котором присутствует электромагнитное поле, соответствующее первой волноводной моде с существенной локализацией электромагнитного излучения вблизи рассматриваемой границы раздела.
Максимальное силовоевоздействие на частицу наблюдается вблизи резонанса возбуждения волноводной21моды фотонного кристалла в схеме Кретчмана с интенсивностью падающего на фотонный кристалл излучения порядка 1 кВт/см2 . С уменьшением расстояния междупробной частицей и фотонным кристаллом наблюдается рост силового воздействия.Сила, действующая на 1-мкм микрочастицу, расположенную на расстоянии около0,25 мкм от фотонного кристалла, достигает величины порядка 0,03 пН.Список цитируемой литературы[1] Ashkin A., Dziedzic J. M., Bjorkholm J. E., Chu S. Observation of a single-beam gradientforce optical trap for dielectric particles // Opt.
Lett. — 1986. — v. 11, no. 5. — pp. 288–290.[2] Neuman K. C., Block S. M. Optical trapping. // Rev. Sci. Instrum. — 2004. — v. 75,no. 9. — pp. 2787–2809.[3] Zhdanov A., Kreuzer M. P., Rao S., Fedyanin A., Ghenuche P., Quidant R., Petrov D.Detection of plasmon-enhanced luminescence fields from an optically manipulated pairof partially metal covered dielectric spheres // Opt. Lett. — 2008. — v. 33, no. 23. —pp.
2749–2751.[4] Vidal X., Fedyanin A. A., Molinos-Gómez A., Rao S., Martorell J., Petrov D. Nonlinearoptical response from single spheres coated by a nonlinear monolayer // Opt. Lett. —2008. — v. 33, no. 7. — pp. 699–701.[5] Romano G., Sacconi L., Capitanio M., Pavone F. S.
Force and torque measurementsusing magnetic micro beads for single molecule biophysics // Opt. Commun. — 2003. —v. 215, no. 4-6. — pp. 323–331.[6] Cecconi C., Shank E. A., Marqusee S., Bustamante C. DNA molecular handles for singlemolecule protein-folding studies by optical tweezers. // Methods Mol. Biol.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
