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

2 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.

3 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 фокуса тора Конструкция и принцип действия фокуса тора Формирование полей различных типов Эксперименты по манипуляции ПЛАН ЛЕКЦИИ

4 Джеймс Клерк Максвелл ( ) В 1860 – 1865 создал теорию электромагнитного поля, которую сформулировал в виде системы уравнений. Эта теория предсказывала давление света.

5 Петр Николаевич Лебедев ( ) В 1900 г. экспериментально подтвердил давление света

6 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

7 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

8 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 фокуса тора.

ФАЗОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ СВЕТА В НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ 5 Схема электрооптической ЖК ячейки: 1 стеклянные подложки, 2 – прозрачные низкоомные покрытия (контакты), 3 ЖК слой, 4 прокладки (задают толщину образца), 5 ориентирующие покрытия.

ФАЗОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ СВЕТА В НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ 5 Переход Фредерикса в планарной структуре. Пороговое напряжение составляет примерно 0,7 В.

ФАЗОВАЯ МОДУЛЯЦИЯ СВЕТА В НЕМАТИЧЕСКИХ ЖИДКИХ КРИСТАЛЛАХ 5 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. аб

12 ФОРМИРОВАНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ЛОВУШЕК С ПОМОЩЬЮ МНОГОЭЛЕМЕНТНОГО ЖК ПВМС ПВМС

13 МНОГОЭЛЕМЕНТНЫЙ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЙ ПРОСТРАНСТВЕННЫЙ МОДУЛЯТОР СВЕТА 13 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/см 2.

ФОРМИРОВАНИЕ ФАЗОВОГО ПРОФИЛЯ 5 Фазовый профиль линзы Фазовый профиль клина

МАССИВЫ ОПТИЧЕСКИХ ЛОВУШЕК 15

ФОРМИРОВАНИЕ МАССИВОВ ЛОВУШЕК 5 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

ФОРМИРОВАНИЕ МАССИВОВ ЛОВУШЕК 6

5 Сформировано 8 ловушек

19 СХЕМА ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ МАНИПУЛЯЦИИ МИКРОСКОПИЧЕСКИМИ ОБЪЕКТАМИ 19 laser Spatial Light Modulator Mirror Semitransparent mirror Microscopic objective PC Cell with particles CCD Cell view from above modulator control module mover control module λ = 0,53 mkm P = 500 mW

20 ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО МАНИПУЛЯЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО МАНИПУЛЯЦИИ 8 независимо управляемых точечных ловушек Захват и перемещение двух микросфер из латекса

ОПТИЧЕСКИЕ ЛОВУШКИ В ФОРМЕ КРИВЫХ 21

ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ЛОВУШКАМИ В ФОРМЕ КОЛЕЦ, ПРЕОБРАЗУЕМЫХ В ЭЛЛИПСЫ 5 Latex spheres, diameter – 1.2 μm. Laser power – 100 mW. 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.

ЭКСПЕРИМЕНТЫ С ЛОВУШКАМИ В ФОРМЕ ОТРЕЗКА 5 Latex spheres, diameter – 1.2 μm. Laser power – 100 mW. 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 – 0.98 μm. Laser power - 40 mW. 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 vortex field is used. ДВА ВИХРЕВЫХ АКСИКОНА

25 ФОРМИРОВАНИЕ ВИХРЕВЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЛОВУШЕК В ФОРМЕ ПРОИЗВОЛЬНЫХ КРИВЫХ НА ОСНОВЕ ОПТИКИ СПИРАЛЬНЫХ ПУЧКОВ СВЕТА

26 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 E.Abramochkin and V.Volostnikov. Spiral-type beams: optical and quantum aspects // Optics Comm., 1996, v.125, pp Результаты по этой проблеме изложены в книге: Е.Г.Абрамочкин и В.Г.Волостников. Современная оптика гауссовых пучков. М., Физматлит, 2010.

27 СПИРАЛЬНЫЕ ПУЧКИ СВЕТА СПИРАЛЬНЫЕ ПУЧКИ СВЕТА Спиральные пучки света являются структурно устойчивыми при распространении с точностью до масштаба и поворота. Теория Эксперимент

28 СПИРАЛЬНЫЕ ПУЧКИ СВЕТА Комплексная амплитуда спиральных пучков в виде кривых задается выражением.

29 СПИРАЛЬНЫЕ ПУЧКИ СВЕТА Spiral beams may be of various form and size and topology: closed, open and self-intersecting curves Black color corresponds to the zero intensity and zero phase, white color corresponds to the maximum intensity and the phase 2π. Intensity Phase Intensity Phase

30 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 non- uniform deformations

31 F F

32 1 iteration 4 iteration 10 iteration

33 СРАВНЕНИЕ СВЕТОВЫХ ПОЛЕЙ Input intensity Input phase Output theoretical and experimental intensities, 15% efficiency Input intensity Input phaseOutput theoretical and experimental intensities, 60% efficiency Spiral beam Pure phase element

34 Scheme of a beam ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО МАНИПУЛЯЦИИ 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.

μ The light field power is 140 mW. The largest velocity is observed for 1.2 µm- size particles 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. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО МАНИПУЛЯЦИИ 1.2 μ 3.2 μ

36 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. ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО МАНИПУЛЯЦИИ

ЖК ФОКУСАТОР. ЖК ФОКУСАТОР. КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИП РАБОТЫ 37

38. Variation of the control voltage parameters in these lenses allows building adaptive optical systems 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), (1999).Liquid-crystal lenses with a controlled focal length. I. Theory, 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), (1999).Liquid-crystal lenses with a controlled focal length. II. Numerical optimisation and experiments

39 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.

40 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

41 МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОПИСАНИЕ ФОКУСАТОРА Здесь φ 1, φ 2, ρ 1S и ρ 2S – соответственно потенциалы и поверхностные сопротивления высокоомных электродов, g и c – удельные (на единицу площади) проводимость и емкость слоя ЖК, а U – разность потенциалов φ 1 и φ 2. Величины g и c выражаются через электрофизические характеристики ЖК стандартными выражениями

42 where ρ is the surface resistance of high resistive electrodes, g and c are the specific (per unit of area) conductance and capacitance of the LC-layer, l is the aperture characteristic size, ω ° is the cyclic frequency of voltage. 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

43 The voltage distribution applied to LC layer over the aperture is determined by the expression РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ПОТЕНЦИАЛОВ 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.

44 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

45. РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ Voltage distributionPhase delay distribution Polarization interference pattern Change of amplitude and phase of control voltages leads to relocation of point trap

46 Polarization interferograms for the case with = 0 (c) and for the case with = 30º.(d) РЕЗУЛЬТАТЫ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ a b c d Change of phase of control voltages lead to rotation of line segment trap. VoltagePhase delay

ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО ФОРМИРОВАНИЮ СВЕТОВЫХ ПОЛЕЙ 47

48 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

49 ( 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 mm 2, at a voltage frequency of 500 Hz and different contact potential amplitudes (a – d, f – i); the focusing device is switched off (e, j) ТОЧЕЧНАЯ ОПТИЧЕСКАЯ ЛОВУШКА 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 point- type trap in the screen plane.

50 Intensity distributions (а,b,c,d) obtained for the focusing device with the 1 х 1 mm 2 -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. ОПТИЧЕСКАЯ ЛОВУШКА В ФОРМЕ ОТРЕЗКА 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%

51 СВЕТОВЫЕ ПОЛЯ. СФОРМИРОВАННЫЕС ПОМОЩЬЮ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ЛАЗЕРОВ Управляемые оптические ловушки: точечная, в форме отрезка, в форме кольца. Длина волны 870 нм. Перестраиваемая ловушка. Длина волны 650 нм

52 \ ОПТИЧЕСКАЯ ЛОВУШКА В ФОРМЕ КОЛЬЦА

ЭКПЕРИМЕНТЫ ПО МАНИПУЛЯЦИИ МИКРООБЪЕКТАМИ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ФОКУСАТОРА 53

54 ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНАЯ УСТАНОВКА ДЛЯ МАНИПУЛЯЦИИ λ=532 nm P=500 mW

55 Relocation of a 1,2 μm-diameter latex sphere realized with the point trap ТОЧЕЧНАЯ ЛОВУШКА

56 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. ЛОВУШКА В ВИДЕ ОТРЕЗКА a c b

57 ЛОВУШКА В ФОРМЕ КОЛЬЦА Capture and keeping of absorbing particle Al2O3 Relocation of ring trap

58 ОСОБЕННОСТИ ЖК ФОКУСАТОРА 1. Работа в режиме пропускания 2. Упрощенная схема калибровки 3. Время переключения – доли секунд.. 4. Достаточно высокая лучевая (до >30 Вт/см 2) 5. Невысокая стоимость изготовления.

59 Коллектив исследователей В,Г. Волостников Н.Н. Лосевский Е.Г.Абрамочкин Е.В.Разуева А.М. Майорова К.Н. Афанасьев А.В. Коробцов Е.Н.Воронцов С.А.СамагинВ.В. Патлань С.П. Котова

60 СПАСИБО ЗА ВНИМАНИЕ САМАРСКАЯ ЛУКА