Диссертация (1105151), страница 10
Текст из файла (страница 10)
К обоим эритроцитам в двойном агрегатеприкреплялись диэлектрические частицы, захват которых в оптические ловушки более эффективен и, соответственно, позволяет прикладывать большие силы. Среднеезначение для силы агрегации двух эритроцитов вычислялось непосредственно по смещению диэлектрических частиц из положения равновесия (рисунок 11в) при передвижении ловушек в противоположные стороны и составило 14 ± 10 пН.Описанная работа [90] является единственной попыткой исследования агрегацииэритроцитов методом оптического пинцета без использования химической обработкиклеток и прикрепления к ним диэлектрических сфер.
Однако в этой работе статистика измерений крайне мала: в ходе работы использовались образцы крови четырехдоноров. Также не было проведено количественных оценок сил агрегации и дезагрегации эритроцитов при разведении их друг относительно друга с помощью оптическихловушек.4. Применение оптического пинцета для измерения пондеромоторных сил,действующих на микрочастицы со стороны ближнепольной компоненты электромагнитного поля вблизи границы раздела средВ последние годы растет интерес к методам оптического манипулирования с помощьюближнего поля. В частности, большое количество работ посвящено изучению поведения частиц, локализованных вблизи поверхности, где реализуется полное внутреннееотражение [91–93].
Применение метода фотонно-силовой микроскопии для изучениявоздействия на ближнего поля на пробную частицу вблизи поверхности впервые опи-Обзор литературы: применение метода оптического пинцета...51сано в работе [91]. Авторы показывают, что при полном внутреннем отражении лазерного излучения от границы раздела стекла с водой, возникает сила, действующаяна частицу, которую в эксперименте удерживали оптической ловушкой в воде вблизи границы раздела. Эта сила имеет две составляющие, первая — является силойградиентной природы, сдвигает частицу к поверхности, вторая — связана с рассеянием излучения на частице — направлена вдоль границы раздела. Таким образом, состороны затухающего поля на частицы действуют силы, которые могут иметь применение, в частности, в методах оптической сортировки. Для увеличения силовоговоздействия на частицу можно использовать поверхностно-активные структуры, вкоторых возможно распространение поверхностных электромагнитных волн.4.1.
Общие свойства поверхностных электромагнитных волнПоверхностными электромагнитными волнами, или поверхностными поляритонами, называют волны, распространяющиеся вдоль границы раздела двух разнородныхсред и существующие одновременно в них обеих [94]. Поле этих волн локализовановблизи поверхности и экспоненциально затухает по обе стороны от нее.Благодаря высокой локализации поверхностных поляритонов и, как следствие,значительному усилению поля, они вызывают интерес в нелинейной оптике [95], аблагодаря высокой чувствительности к изменениям свойств границы – при разработкеоптических сенсоров [96].Поверхностная электромагнитная волна может возбуждаться на границе среды сотрицательной действительной частью диэлектрической проницаемости.
Такие средыв контексте поверхностных волн называют поверхностно-активными.Отрицательная диэлектрическая проницаемость присуща, в частности, металламна частотах, лежащих ниже плазменной, а также сильно легированным полупроводникам [94]. Поверхностные волны при этом называют поверхностными плазмонполяритонами, поскольку в этом случае отрицательная диэлектрическая проницаемость определяется поляризуемостью газа свободных электронов.Иным примером поверхностно-активных сред служат, например, диэлектрики иполупроводники в среднем ИК-диапазоне, где поверхностные волны, так называемыефонон-поляритоны, возбуждаются при взаимодействии света с атомной решеткой [97].Поверхностные волны в видимом диапазоне можно возбуждать на искусственноОбзор литературы: применение метода оптического пинцета...52созданных поверхностно-активных средах – одномерных фотонных кристаллах [98,99].
Причем свойства таких волн существенно отличаются от обсуждаемых выше. Вчастности, они могут возбуждаться как в TM-, так и в TE-поляризациях.В силу граничных условий поляритон не может быть возбужден объемной волной,распространяющейся в поверхностно-активной среде. Поэтому при световом возбуждении поверхностных волн необходимо использовать специальные методы, которыеможно разделить на две основные группы: дифракционные и призменные [100].В первом случае на поверхностно-активную среду наносится дифракционная решетка.
Если волна, претерпевшая дифракцию на такой решетке, направлена вдольповерхности, то она представляет собой поверхностный поляритон. В случае призменных методов объемная волна, возбуждающая поверхностный поляритон, падаетиз среды с показателем преломления, бо́льшим показателя преломления, на границураздела со средой с меньшим показателем, и испытывает полное внутренне отражение. Однако в этом случае часть энергии излучения может перейти в поверхностнуюволну.
При этом возможны две принципиальные схемы, изображенные на рисунке 15.В более популярной схеме Кречманна тонкий слой поверхностно-активной среды2 расположен между призмой 3 и диэлектриком 1. Если толщина этого слоя достаточно мала (обычно она составляет несколько десятков нанометров), поле объемнойволны, распространяющейся в призме, способно возбуждать поверхностные волны напротивоположной грани слоя.В схеме Отто слой диэлектрика 1 расположен между поверхностно-активной средой 2 и призмой 3.
Благодаря тому, что поле поверхностной волны в этой геометрииубывает на масштабах, сравнимых с шириной диэлектрического слоя, этот метод, вчастности, находит применение в тех задачах, где помимо возбуждения поверхностных волн необходимо добиться их обратного преобразования в объемные [101].4.2. Поверхностные плазмон-поляритоныУсиление поля при возбуждении поверхностных плазмон-поляритонов может значительно увеличивать силы, действующие на частицы в такой геометрии.В работе [102] было показано, что золотая частица диаметром 250 нм, находясь вполе поверхностного плазмон-поляритона, приобретает скорость направленного движения вплоть до 20 мкм/c. Схема установки, используемой в эксперименте, изображе-Обзор литературы: применение метода оптического пинцета...53на на рисунке 16а. Поверхностный плазмон-поляритон распространяется на границезолотой пленки толщиной 55 нм.
Во избежание адгезии золотых наночастиц поверхность дополнительно покрыта слоем диоксида кремния толщиной 5 нм.В поле поверхностной волны на частицу действует сила, связанная со световымдавлением, толкающая ее в направлении, обозначенном осью Ox. Перпендикулярнаясоставляющая связана с тем, что золотая частица обладает высокой поляризуемостью, и в неоднородном электромагнитном поле на нее действует градиентная сила, направленная к максимуму интенсивности. В результате частица локализуетсявблизи поверхности и приобретает скорость направленного движения вдоль оси Ox.Экспериментально полученная зависимость этой скорости от угла падения лазерногоизлучения изображена на рисунке 16б.
Показанный также угловой спектр отражениясвидетельствует о возбуждении поверхностной волны. Различие в полученном экспериментально и рассчитанном теоретически спектрах отражения авторы объясняютрасходимостью пучка.Измерение сил, действующих на частицы вблизи поверхностных электромагнитных волн, может быть проведено методом фотонно-силовой микроскопии. Так, в 2006году была опубликована работа [103], где были измерены силы, действующие на полистироловые частицы в поле поверхностного плазмон-поляритона, возбужденного награнице золотой пленки толщиной 40 нм. Схема экспериментальной установки изображена на рисунке 17а. Для возбуждения поверхностной волны авторы использовалилазерное излучение с длиной волны 633 нм.
Размер диэлектрических частиц составлял при этом от 600 нм до 4,5 мкм. Было показано, что в условиях резонанса силы,действующие на частицы вблизи поверхности, увеличиваются в 40 раз относительнонерезонансного освещения. На рисунке 17б показано изменение профиля потенциальной энергии при возбуждении на золотой пленке поверхностной волны. Первыйстолбец соответствует частице, захваченной на расстоянии h = 500 нм до поверхности,второй — h = 300 нм. Характерные силы, наблюдаемые авторами, составили сотнифемтоньютон.В работе [104] была реализована двумерная локализация диэлектрических частиц,основанная на возбуждении поверхностных волн в золотых дисках, нанесенных наповерхность призмы. На рисунке 18 изображена схема такого захвата.
В направлении, перпендикулярном поверхности, на частицы действует градиентная сила, соот-Обзор литературы: применение метода оптического пинцета...54Рис. 15: Призменный метод возбуждения поверхностных волн: а – схема Кречманна;б – схема Отто. 1 – диэлектрик; 2 – поверхностно-активная среда; 3 – призма.Рис. 16: Управление золотой наночастицей посредством поля поверхностного плазмон-поляритона: а – схема экспериментальной установки; б – зависимость коэффициента отраженияи скорости частицы от угла падения лазерного излучения [102].Обзор литературы: применение метода оптического пинцета...55ветствующая экспоненциальному затуханию поля поверхностной волны. В плоскостиповерхности действуют сила, связанная с давлением света, и добавка, соответствующая градиенту поля в поперечном направлении.Возбуждению поверхностного плазмон-поляритона соответствует узкий провалкак в частотном, так и в угловом спектре отражения от металлической пленки, положение и глубина которого зависят от оптических свойств границы.
Этим обусловленото, что одной из основных областей применения плазмонного резонанса являютсяоптические сенсоры [96]. Чувствительность такого метода ограничена шириной плазмонного резонанса, которая, в свою очередь, определяется поглощением в металле.Преодолеть это ограничение оказалось возможным, используя искусственно созданные поверхностно-активные среды – одномерные фотонные кристаллы.4.3. Поверхностные электромагнитные волны и волноводные моды в одномерных фотонных кристаллахОбласти отрицательной диэлектрической проницаемости в фотонных кристаллах соответствует запрещенная зона.
Объемные электромагнитные волны на длинах волн,лежащих в этих зонах, не распространяются, однако, в этом диапазоне частот могутсуществуют решения, представляющие собой поверхностные волны и волноводныемоды [99, 105]. В связи с тем, что поглощение в фотонном кристалле может бытьнамного меньше, нежели в металлах, практически вся энергия возбуждающего излучения может перейти в энергию поверхностной волны или волноводной моды. Крометого, для фотонных кристаллов характерен более узкий провал, соответствующийвозбуждению этих состояний, в угловом и частотном спектрах отражения.
Это позволяет наблюдать даже незначительные изменения оптических свойств границы.Например, в работе [106] были исследованы поверхностные волны и волноводныемоды одномерного фотонного кристалла на основе пористого кремния. Возбуждениепроводилось в схеме Отто на границе с воздухом. Было показано, что спектр отражения значительно меняется при пропускании через воздушный слой паров спирта.Иной особенностью поверхностных волн и волноводных мод в фотонных кристаллах является то, что положение резонанса особенно чувствительно к свойствам граничного слоя. В связи с этим свойством в работе [107] было предложено использоватьфотонные кристаллы для характеризации тонких пленок, напыленных на их поверх-Обзор литературы: применение метода оптического пинцета...56Рис.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
