Оптическое манипулирование пучками, сформированными с применением пространственных модуляторов света

Недавние исследования показали, что высокофокусированные лазерные пучки могут применяться в оптических пинцетах благодаря наличию градиента силы и углового момента. Для получения таких лазерных пучков служат формирователи профиля интенсивности. Различные фазовые элементы, пространственные модуляторы света позволяют настроить необходимое распределение интенсивности лазерного пучка.

Недостатки фазовой модуляции заключаются в большом объеме вычислений, которые необходимо заложить в эксперимент заранее. Holoeye предлагает метод фазовой модуляции излучения, в котором профиль пучка модулируется напрямую на образце (например, при наблюдении через микроскоп). Метод модуляции интенсивности с помощью оптической ловушки отличается от методов формирования профиля интенсивности, так как модуляция происходит посредством управления траекторией движения микрочастиц. Нет необходимости в сложных расчетах, фазовом кодировании.

Кроме того, пространственные модуляторы могут переключаться между модуляцией интенсивности по фазе и модуляцией интенсивности путем вращения полуволновой пластины. Эффективность восстановления волнового фронта, как показывает опыт, достаточно высока для лазерного излучения мощностью до 1 Вт. Этой мощности достаточно для свободного управления частицами. Метод модуляции интенсивности с использованием оптических пинцетов значительно облегчает преобразования профиля интенсивности лазерного пучка и является более удобным и простым решением.

В предлагаемой оптической системе использовали пространственные модуляторы LCR3000 от Holoeye. Пространственные модуляторы Holoeye отличаются непревзойденно высоким разрешением (1920 х 1200 пикселей), поддержкой формата изображения WUXGA, шагом пикселя 9,5 мкм. Коэффициент заполнения составляет 92%.Матрица пространственного модулятора принимает 8-битные изображения в оттенках серого, где серая шкала соответствует уровню интенсивности пучка.

Рисунок 1. Схема оптических ловушек.

Система оптических ловушек схематично показана на рис. 1. В качестве источника света используется неодимовый лазер с удвоенной частотой и диодной накачкой, длина волны 532 нм. Лазер работает в непрерывном режиме, излучение линейно поляризовано, его мощность может непрерывно регулироваться от 10 МВт до 8 Вт. После коллимации и расфокусировки пучка двумя выпуклыми линзами с соответствующими фокусными расстояниями f1 и f2 лазерный пучок, проходящий через светоделительный куб, расщепляется на две компоненты. Один из пучков проецируется на экран пространственного модулятора, а затем снова проходит через куб. Для переключения между модуляциями после линзы f2 вставляется полуволновая пластина, которая может менять направление поляризации падающего пучка. После этого диаметр пучка уменьшается с помощью оборачивающей телескопической системы (f3 и f4), нежелательные дифракционные порядки блокируются диафрагмой, помещенной между двумя линзами. Затем пучок направляется в оборачивающий микроскоп (Carl-Zeiss Axiovert 25) и, наконец, фокусируется масляно-иммерсионным объективом с числовой апертурой 1,25.

Рисунок 2. Восстановленные изображения на предметном столике. На рисунках указан масштаб.

Контрастные резкие изображения создаются на предметном столике. Четыре статические картины показаны на рис. 2, где заштрихованные сферы представляют собой сферы молекул кремния (5 мкм).  На рис. 2 также показаны различные распределения лазерного пучка, сформированных на предметном столике.

Видео или файл .gif воспроизводился на экране ПК для подготовки к визуализации движения микрочастиц. Снимки показаны на рис. 3a. Движения пятна лазерного пучка на предметном столике показаны на рис. 3b.

Рисунок 3. Изображения с матрицы пространственного модулятора. (а) – снимки экрана ПК, (b) – движение лазерного пучка, (с) – захваченная частица

На рис. 3 яркое пятно на экране ПК, пятно лазерного пучка и захваченная частица на предметном столике двигаются одинаково, перемещаясь по четырем сторонам прямоугольника. Частицы могут передвигаться по определенной спиральной траектории как показано на рис. 4.

Рисунок 4. Снимки экрана, демонстрирующие захваченные частицы, двигающиеся по спирали.

В эксперименте белое пятно перемещалось произвольно, наблюдалось на черном фоне экрана ПК, в результате чего обнаруживалось, что захваченная частица точно следует траектории движения белого пятна. Некоторые кадры представлены на рис. 5, где захваченные частицы обозначены стрелкой. Захваченная частица могла не только перемещаться в плоскости изображения, но и левитировать вне плоскости изображения.

Рисунок 5. Снимки экрана ПК, демонстрирующие захваченные частицы. Частица, попавшая в ловушку, отмечена стрелкой.

Поскольку шкала серого пропорциональна уровню интенсивности лазерного пучка на предметном столике, при увеличении яркости пятна выше критического значения частицы будут реагировать и «плавать» в плоскости изображения, а при уменьшении яркости частицы будут падать и возвращаться в исходную плоскость. Обратите внимание, что на фотографиях после всех манипуляций только захваченная частица может передвигаться свободно, другие же частицы статичны в поле зрения.

В эксперименте обнаружено, что частицы начали следовать за движением пятна, когда мощность лазера увеличили до 300 МВт. Для стабильной работы такого модулятора и наблюдения четкой резкой картины потребуется лазер мощностью 500 МВт и более. Этот уровень мощности намного выше, чем в системах обычных оптических ловушек; причина в том, что в нашей экспериментальной установке лазерный пучок дважды проходил через светоделительный куб, поэтому фактическая энергия, поступающая в микроскоп, была уменьшена до 25% от исходного уровня. На самом деле, куб не обязателен в установке, но применяется для удобства управления. Пучок попадает в модулятор прямо, без дополнительной оптики, поэтому рабочую мощность лазера требуется значительно уменьшить. Кроме того, модулятор имеет много дифракционных порядков.

Практическое применение оптических пинцетов для модуляции излучения вполне возможно. Одна из возможных проблем заключается в ограниченном диапазоне движения захваченных частиц; эта проблема в основном связана с ограниченным размером сфокусированного пятна на предметном столике. В системе мы использовали телескопическую систему для расфокусировки лазерного пучка, исходящего от источника, но диаметра пучка не хватало для охвата всей матрицы пространственного модулятора. Для конденсации энергии пучка использована оборачивающая телескопическая система с увеличением, поэтому максимальный размер изображения на предметном столике составил 15 мм, как показано на рис. 2c и 2d. Размах движения захваченных частиц может быть увеличен до 60 мм, как показано на рис. 2a и 2b. Следует отметить, что аберрации или искажения в изображениях на предметном столике влияют на траектории движения захваченных частиц.

© Holoeye
 

Компания INSCIENCE помогает своим заказчикам решать любые вопросы и потребности по продукции Holoeye на территории РФ