Диссертация (1105151), страница 3
Текст из файла (страница 3)
17.P. 101510.• M.D. Khokhlova, E.V. Lyubin, A.G. Zhdanov, S.Yu. Rykova, I.A. Sokolova, A.A. Fedyanin. Normal and system lupus erythematosus red blood cell interactions studiedby double trap optical tweezers: direct measurements of aggregation forces// J.Biomed.
Opt. 2012. V. 17. P. 025001.• Д.А. Шилкин, Е.В. Любин, И.В. Соболева, А.А. Федянин. Управление положением ловушки вблизи отражающих поверхностей в оптическом пинцете// Письма в ЖЭТФ. 2013. Т. 98, С. 720–724.Также результаты диссертации изложены в более чем 20 работах в материалахвсероссийских и международных конференций, в том числе апробация работы проводилась на следующих международных конференциях :• E. Lyubin, M.
Khokhlova, A. Zhdanov and A. Fedyanin, “Magneto-optical tweezersfor magnetic nanoparticles diagnostics,” 4-th International Conference on MaterialsScience and Condensed Matter Physics (MSCMP), Chisinau, Moldova, Book ofAbstracts, p. 190 (2008).• E. Lyubin, M. Skryabina, M. Khokhlova and A. Fedyanin, “Direct measurements offemtonewton forces between two magnetic Brownian microparticles,” 12th JointMMM-INTERMAG Conference, Chicago, Illinois, USA, Abstract Book, p. 617(2013).• E.V. Lyubin, M.D. Khokhlova, M.N. Skryabina, A.G.
Zhdanov, A.A. Fedyanin“Laser trapping for optical manipulation of functional micro- and nanoparticles”,19th International Conference on Advanced Laser Technologies (ALT), Golden Sandsresort, Bulgaria, Book of abstracts, p. 66 (2011).• E.V. Lyubin, M.D. Khokhlova, M.N. Skryabina, A.A. Fedyanin, “Diagnostic of redblood cells viscoelastic properties by means of optical tweezers,” SPIE PhotonicsEurope, Brussels, Belgium, Technical Abstract Digest, p. 109 (2012).Введение12• E.V. Lyubin, M.D.
Khokhlova, A.G. Zhdanov, S.Y. Rykova, I.A. Sokolova, A.A. Fedyanin, “Red blood cell aggregation’s properties studied by double trap opticaltweezers,” International Conference on Lasers, Applications, and Technologies (LAT),Kazan, Russia, Technical Digest, LThN10 (2010).• E.V. Lyubin, I.V. Soboleva, A.A. Fedyanin, “Measurement of Radiation ForcesGenerated by Guided Mode of One-Dimensional Photonic Crystals,” InternationalConference on Coherent and Nonlinear Optics (ICONO), Moscow, Russia, TechnicalDigest, p.
11 (2013).• E.V. Lyubin, D.A. Shilkin, I.V. Soboleva, and A.A. Fedyanin, “Photonic-ForceMicroscopy of Surface Modes in One-Dimensional Photonic Crystals,” Frontiersin Optics (FiO), Orlando, Florida, USA, Technical Digest, FTh1D (2013).Глава IОбзор литературы: применение метода оптического пинцетадля исследования физических явлений1.
Метод оптического пинцетаИзлучение лазеров может обладать высокой степенью пространственной когерентности, что позволяет сфокусировать его в область, размеры которой сравнимы с длинойволны этого излучения. Жестко сфокусированный лазерный пучок формирует в области перетяжки пространственно неоднородное распределение электрического полясветовой волны и создает эффективную потенциальную яму для частиц, обладающихбольшей диэлектрической проницаемостью по сравнению с окружающей их средой.Захват в такую потенциальную яму единичных микрообъектов и управление их положением принято называть методом оптического пинцета.Пионерская работа по оптическому управлению положением микрочастиц былапроведена Робертом Эшкиным еще в 1970 году [17].
В его работе представлены результаты наблюдения действия сил давления света на различные прозрачные микрочастицы, и впервые показана экспериментальная возможность оптического захватамикрочастиц. А в 1986 году он совместно с коллегами опубликовал работу с описанием первого оптического пинцета на одном сильно сфокусированном лазерном луче [1].Возникновение сил, действующих на частицу вблизи перетяжки, проще всего объяснить, поставив условие сильного неравенства на размер частицы и длину волнызахватывающего излучения.Пусть, например, линейный размер частицы a много меньше длины волны.
В этомслучае определяющим параметром оказывается поляризуемость частицы, пропорциональная ее размеру. Электрическое поле волны E наводит в частице дипольныймомент d, что ведет к появлению силыF = ∇(dE) ∝ a3 ∇E2 ,(1)направленной вдоль градиента интенсивности электромагнитной волны, то есть кперетяжке сфокусированного лазерного пучка.Обзор литературы: применение метода оптического пинцета...14Пусть теперь размер частицы много больше длины волны.
В этом случае взаимодействие частицы со световым полем может быть описано в приближении геометрической оптики [18, 19]. Упрощенная схема, иллюстрирующая принцип работыоптического пинцета в этом приближении, представлена на рисунке 1. При попадании в область перетяжки лазерного пучка прозрачная микрочастица преломляет ирассеивает падающее на нее излучение. Если эта частица изготовлена из материала с показателем преломления больше, чем у окружающей ее среды, то существуетположение, в котором направление и величина суммарного импульса после прохождения через нее светового пучка не меняется, и микрочастица находится в положенииравновесия. Это положение является центром оптической ловушки. При смещениимикрочастиц в результате какого-либо внешнего возмущения происходит изменениенаправления суммарного импульса света после рассеяния на частице.
Вследствие закона сохранения импульса возникают действующие на микрочастицу силы, возвращающие ее в положение равновесия. Если же материал частицы имеет меньший посравнению с окружающей средой показатель преломления, то лазерное излучение будет выталкивать эту частицу из перетяжки [17, 19]. При более строгом описании следует учитывать поглощение света в частице и отражение от ее границ, что приводитк возникновению дополнительной силы, направленной вдоль распространения светового пучка. Если эта добавка велика, ловушка в области перетяжки не образуется,и частица выталкивается из нее. По этой причине при захвате частиц, особенно длятех, размер которых имеет порядок длины волны и более, существенно требованиепрозрачности на длине волны захватывающего излучения.Относительный вклад, соответствующий отражению света от границ частицы, темменьше, чем больше апертурный угол формирующего перетяжку пучка.
Этим обусловлена важность использования высокоапертурных объективов при формированииперетяжки. Такой принцип действия оптического пинцета является универсальнымдля любых размеров частиц и любых мод лазерного пучка. Существует множестворазличных реализаций установок оптического пинцета. Принципиальная схема однойиз них приведена на рисунке 2. Оптическое излучение одномодового лазерного источника (1) проходит через оптическую систему линз (2), в которой пучок расширяется.Затем пучок отражается от светоделителя (3), и поступает на вход объектива с большой числовой апертурой (4). Объектив фокусирует лазерное излучение в кювете сОбзор литературы: применение метода оптического пинцета...15Рис.
1: Иллюстрация принципа работы оптического пинцета. F — возвращающая сила,действующая на сферическую частицу при смещении этой частицы из перетяжки лазерногопучка перпендикулярно оптической оси (а), параллельно этой оси (б, в).Рис. 2: Принципиальная схема реализации метода оптического пинцета.
1 — лазер, 2 — формирователь пучка, 3 — диэлектрическое зеркало, 4 — объектив, 5 — исследуемый образец,6 — осветитель, 7 — линза, 8 — видеокамера.Обзор литературы: применение метода оптического пинцета...16исследуемым образцом (5), которая помещается на предметный столик. Для визуализации оптического захвата свет от осветителя (6) проходит через кювету с образцом, затем собирается объективом (4), проходит через светоделитель (3) и с помощьюлинзы (7) направляется на чувствительную матрицу цифровой камеры (8). Системалинз (2) настроена таким образом, чтобы полностью заполнить апертуру объективадля создания максимально возможного градиента электромагнитного поля (то естьжесткой перетяжки лазерного пучка).Для изучения взаимодействия между несколькими микрообъектами, а также дляуправления протяженными микрообъектами часто используют многолучевые оптические пинцеты, которые позволяют работать одновременно с несколькими оптическими ловушками.
Для создания многолучевых пинцетов часто применяют несколькоисточников лазерного излучения, разбиение одного лазерного луча на два по поляризации, применяют акустооптические дефлекторы, осуществляющие развертку и временную модуляцию лазерного луча с высокой частотой [20], жидкокристаллическиепространственные модуляторы света [21–23] и т.п.В первых опытах, посвященных оптическим ловушкам, использовались взвешенные в жидкости диэлектрические частицы, прозрачные на длине волны захватывающего излучения.
В классической работе Эшкина [1] экспериментально показан захватчастиц с размерами от 25 нм до 10 мкм в воде. Размер захватываемых частиц былограничен по следующим причинам. Во-первых, с увеличением размера растет силатяжести, действующая на частицу, тогда как сила со стороны ловушки ограничена мощностью лазерного излучения. Поэтому для управления большими частицамииспользуют более грубые методы, например, микропипетки. Во-вторых, посколькуполяризуемость частицы пропорциональна ее объему, то при уменьшении размерачастицы глубина потенциальной ловушки уменьшается и при некотором значениистановится соизмеримой с энергией теплового движения.
В этом случае броуновскиесилы выбивают частицу из ловушки, то есть захват оказывается нестабильным.Впоследствии, однако, было показано, что в иных схемах эксперимента ограничения снизу на размер практически отсутствуют: перетяжка жестко сфокусированноголазерного луча может быть также использована как ловушка для отдельных атомов [24]. В случае, если размер частицы существенно меньше длины волны, отсутствует и требование прозрачности. В этом случае метод оптического пинцета позволяетОбзор литературы: применение метода оптического пинцета...17работать с металлическими частицами [25], обладающими высокой поляризуемостью.Следует не забывать, что для реальных исследований свойств частиц и силовыхвзаимодействий между ними методом оптического пинцета так же необходима визуализация этих частиц.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
