Диссертация (1105151), страница 20
Текст из файла (страница 20)
Проходя ослабляющий фильтр, лазерное излучение попадает на системулинз для управления положением ловушки в образце. Первый элемент этой системы представляет собой асферическую линзу, установленную на трехкоординатныйтрансляционный столик. Вращение микрометрических винтов данного столика позволяет изменять угол, под которым излучение попадает в объектив, при этом неменяя интенсивности заводимого в объектив излучения. Второй и третий элементысистемы управления положением ловушки представляют собой две линзы с подобранной кривизной поверхностей для минимизации сферических аберраций. Падающее наобъектив излучение имеет Гауссов профиль распределения, при этом интенсивностьубывает в e2 раз при смещении на 2,2 мм от оси пучка. Объектив с фокусным расстоянием 1,8 мм и числовой апертурой 1,3 фокусирует излучение инфракрасного лазерав герметичной кювете, образованной покровным стеклом и фотонным кристалломна подложке с зазором 10–20 мкм, и заполненной водой с небольшим количеством1-мкм частиц полистирола (концентрация около 5 · 106 мл−1 ).
При этом вблизи фокальной точки формируется оптическая ловушка для микрочастиц. Чтобы предотвратить адгезию микрочастиц к поверхности фотонного кристалла, образец фотонного кристалла предварительно очищался с помощью смеси анионных и неионогенныхповерхностно-активных веществ, промывался в 3% растворе перекиси водорода, а затем промывался в 1% растворе бычьего сывороточного альбумина.
Для повышенияэффективности оптического захвата вблизи поверхности фотонного кристалла пока-Фотонно-силовая микроскопия электромагнитного поля...116затель преломления иммерсионного масла был увеличен с 1,515 до 1,529 добавлениемв него 10% по объему 1-бромнафталина, отличающегося высоким показателем преломления (по результатам измерения на рефрактометре — 1,659), покровное стеклоимело размер 0,1 мм вместо стандартных для данного объектива 0,17 мм и такженемного увеличенный показатель преломления 1,526. Повышение эффективности захвата в данном случае обеспечивалось частичной компенсацией сферических аберраций, возникающих на границе раздела стекло–вода [126–129].
Для позиционированияотносительного положения образца и ловушки кювета с образцом расположена наоборудованном микрометрическими винтами предметном столике, который позволяет смещать образец в плоскости поверхности фотонного кристалла, объектив располагается на трансляционном столике, совмещенном с подачей на основе обратногопьезоэффекта, что позволяет перемещать этот объектив и положение ловушки вдольоптической оси с нанометровой точностью.
Рассеянное вперед захваченной частицейизлучение инфракрасного лазера затем собирается вторым объективом, имеющимфокусное расстояние 16 мм и числовую апертуру 0,5. Собранное вторым объективомизлучение направляется с помощью системы линз на чувствительную поверхностьквадрантного фотодиода. Примененная оптическая схема совместно с использованием гальванически развязанного биполярного источника питания фотодиода на основеаккумуляторных элементов и подключения к высокоразрядному дифференциальномуаналогово-цифровому преобразователю с уровнем собственных шумов менее 21 мкВв диапазоне измеряемых напряжений ±0, 2 B позволяет осуществлять контроль положения “захваченной” частицы внутри оптической ловушки c нанометровой точностью.
Дополнительный светофильтр, пропускающий излучение в узком спектральномдиапазоне 980 ± 10 нм, исключает влияние других источников излучения на регистрируемый квадрантным фотодиодом сигнал. Наблюдение за локализованной в оптической ловушке частицей осуществлялось с помощью подключенной к компьютеручерно-белой КМОП-видеокамеры Thorlabs DCC1545M с разрешением 1280×1024 пикселя. Освещение образца проводилось в геометрии “на просвет” с помощью осветителяна основе белого светодиода. Излучение светодиода собиралось с помощью асферической коллекторной линзы и направлялось на полевую диафрагму. Затем изображениедиафрагмы строилось в области образца с помощью ахроматической линзы и второго объектива.
Для заведения света в этот объектив применено дихроичное зеркалоФотонно-силовая микроскопия электромагнитного поля...117Thorlabs DMLP900L, которое пропускает 98% излучения 975 нм и отражает более97% в диапазоне 400–870 нм. Такое же зеркало служит для направления видимогоизлучения на видеокамеру после первого объектива. Фотоокуляр видеокамеры изготовлен из ахроматического линзового дуплета для видимого диапазона с фокуснымрасстоянием 60 мм и обеспечивает 33х кратное увеличение области 200×160 мкм. Дляпредотвращения засветки видеокамеры перед дуплетом установлены светофильтрыSchott OG-570 и S-8612, которые практически полностью поглощают излучение надлинах волн лазерных источников в установке. Для возбуждения волноводной модыв фотонном кристалле используется твердотельный Nd:АИГ лазер с внутрирезонаторным удвоителем и длиной волны излучения 532 нм.
Управляемый с компьютерамеханический затвор может блокировать излучение лазера. В открытом положениизатвора излучение данного лазера с помощью асферической линзы заводится в одномодовое сохраняющее поляризацию оптическое волокно. Второй конец оптическоговолокна установлен на поворотном плече совместно асферической линзой и с лазернойпризмой Глана. Линза направляет выходящее из волокна излучение на образец фотонного кристалла, а лазерная призма Глана позволяет установить TE-поляризациюпадающего на фотонный кристалл излучения.
Специально изготовленная призма соснованием в виде трапеции позволяет не только эффективно возбуждать волноводную моду в геометрии нарушенного полного внутреннего отражения, но оставляетвозможность для освещения образца и регистрации рассеянного частицей излучениячерез верхнюю грань. Для проведения угловой спектроскопии отраженное от фотонного кристалла излучение лазера 532 нм регистрируется с помощью подключенногок компьютеру измерителя мощности Ophir PD300. На рисунке 43 изображена зависимость мощности отраженного TE-поляризованного излучения от угла падения нафотонный кристалл из подложки. Минимум при угле падения около 74◦ возникаетиз-за перекачки энергии падающего света в волноводную моду.
На вставке показанополучаемое с видеокамеры изображение, соответствующее возбуждению волноводной моды в фотонном кристалле. Из-за рассеяния на шероховатостях и дефектахна изображении отчетливо виден след распространяющегося в фотонном кристаллеизлучения волноводной моды.При работе на установке нужно учитывать, что, поскольку в эксперименте используется иммерсионный объектив, и показатель преломления иммерсионного маслаФотонно-силовая микроскопия электромагнитного поля...118существенно отличается от показателя преломления воды 1,333, смещение объектива∆d0 не равно смещению перетяжки ∆d. Действительно, если луч, распространяющийся в иммерсионном масле, составляет угол β с оптической осью (см.
рисунок 44),то в воде он будет составлять угол θ c этой осью, причем эти углы связаны закономСнеллиуса sin β/ sin θ = 1, 333/1, 526. Численные расчеты, проведенные в приближении геометрической оптики с учетом экспериментальных условий (апертура и фокусное расстояние объектива, профиль пучка), показывают, что смещение объектива на1 мкм соответствует изменению положения ловушки в образце на 0,75 мкм. Чтобыподтвердить результаты расчетов, была дополнительно проведена следующая серияэкспериментов.
В установку была помещена кювета с суспензией, в качестве верхней стенки которой вместо фотонного кристалла было установлено покровное стекло. Вблизи этого стекла осуществлялся захват микрочастицы и регистрировалосьнапряжение Vz сигнала с детектора на квадрантном фотодиоде, пропорциональноесуммарной освещенности всех секций фотодиода рассеянным на частице излучением лазера с длиной волны 975 нм. В стандартной методике по этому напряжениюопределяется смещение микрочастицы вдоль оси Oz, так как оно обычно линейносвязано со смещением частицы из центра перетяжки в направлении распространенияпучка [2]. С другой стороны, среднее значение напряжения hVz i может быть использовано для определения расстояния между поверхностью кюветы и равновесным положением частицы.
На рисунке 45а показан пример экспериментальной зависимостиhVz i от ∆d в случае, когда верхней стенкой кюветы служило покровное стекло. При∆d = 0 перетяжка формируется выше поверхности стекла, так что частица прижатак поверхности и ее смещение из перетяжки велико. С ростом ∆d положение перетяжки приближается к поверхности, и Vz монотонно растет. Наконец, при смещенииперетяжки внутри образца частица локализуется в ней, однако наблюдается слабоеувеличение Vz , так же монотонное. Это может быть использовано для определениярасстояния между частицей и поверхностью.Однако, когда на поверхность верхнего покровного стекла методом термическоговакуумного напыления нанесли полупрозрачный слой серебра толщиной примерно40 нм и коэффициентом отражения на длине волны 975 нм около 0,9, зависимостьперестала иметь монотонный характер (см.
рисунок 45б). Это объясняется формированием стоячей волны, которая сама по себе может использоваться для управленияФотонно-силовая микроскопия электромагнитного поля...119Рис. 43: Зависимость мощности отраженного TE-поляризованного излучения длиной волны 532 нм от угла падения этого излучения на фотонный кристалл из подложки. На вставкепоказано получаемое с видеокамеры изображение, соответствующее возбуждению волноводной моды в фотонном кристалле.Рис. 44: Иллюстрация к расчету связи между смещением объектива ∆d0 и смещением перетяжки ∆d.Фотонно-силовая микроскопия электромагнитного поля...120положением микрочастиц, что может быть использовано для сортировки [130].
Тоесть стоячая волна оказывает значительное влияние на потенциал оптической ловушки, так что положение захваченной микрочастицы перестает однозначно управлятьсяперемещением объектива. Несмотря на то, что величина апертурного угла захватывающего объектива составляет более 70◦ , то есть вклад интенсивности отраженного излучения быстро убывает с расстоянием до поверхности, искажение потенциалаловушки наблюдается более чем на 10 мкм от нее. Характер этой зависимости можно объяснить, положив в первом приближении, что равновесные положения частицыопределяются в основном конфигурацией стоячей волны, а положение перетяжки вносит вторичный вклад.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
