Авторефераты по всем темам >>
Авторефераты по физике
На правах рукописи
Качалов Денис Георгиевич
РАСЧЕТ ДИФРАКЦИОННЫХ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ, ФОРМИРУЮЩИХ АКСИАЛЬНЫЕ СВЕТОВЫЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ В ЗАДАЧЕ ОПТИЧЕСКОГО ЗАХВАТА
01.04.05 - Оптика
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук
Самара - 2012
Работа выполнена на кафедре наноинженерии федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет)
Научный консультант: доктор физико-математических наук, доцент заведующий кафедрой наноинженерии Павельев Владимир Сергеевич
Официальные оппоненты:
Захаров Валерий Павлович, доктор физико-математических наук, профессор, заведующий кафедрой радиотехнических устройств, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королёва (национальный исследовательский университет).
Козлов Николай Петрович, кандидат физико-математических наук, доцент кафедры оптики и спектроскопии, федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Самарский государственный университет.
Ведущая организация - федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования Уфимский государственный авиационный технический университет.
Защита состоится 8 июня 2012 г. в 10.00 часов на заседании диссертационного совета Д 212.215.01 при федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования Самарский государственный аэрокосмический университет имени академика С.П. Королева (национальный исследовательский университет) (СГАУ) по адресу: 443086, г. Самара, Московское шоссе, 34.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке СГАУ.
Автореферат разослан 4 мая 2012 г.
Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, профессор В. Г. Шахов
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Диссертация посвящена расчету, а также численному и экспериментальному исследованию квантованных дифракционных оптических элементов (ДОЭ), формирующих аксиальные световые распределения в задаче оптического захвата.
Актуальность темы Появление методов расчета и технологий изготовления ДОЭ привело к возможности решения фундаментальных и прикладных задач, которые невозможно или затруднительно решать с использованием элементов традиционной (рефракционной) оптики. ДОЭ нашли широкое применение в оптическом приборостроении, медицине, диагностике материалов, сенсорике, лазерной обработке материалов. Одной из актуальных задач синтеза ДОЭ является создание элементов, формирующих оптические ловушки - световые распределения специального вида, позволяющие осуществлять различные манипуляции с микро- и наночастицами.
В 1986 году был продемонстрирован пространственный захват микрочастиц (Ashkin A.), помещенных в жидкость, градиентными световыми полями. Было показано, что микрочастицы со слабым поглощением и большим, чем у окружающей жидкости показателем преломления, могут быть захвачены и свободно перемещаться лазерным пучком с гауссовым распределением. Также было предложено использовать этот эффект для перемещения атомов, для микроманипуляций с биологическими объектами. Позднее вместо сфокусированного гауссова пучка для перемещения микрочастиц был использован соосный световой отрезок, формируемый аксиконом (Скиданов Р.В., Arlt J.).
Однако применение дифракционного аксикона дает неравномерное осевое распределение интенсивности. Известны методы расчета фазовых ДОЭ, предназначенных для формирования продольных отрезков, основанные на применении приближения геометрической оптики (Голуб М.А., Карпеев С.В., Сойфер В.А.).
Однако такие методы принципиально не позволяют учесть дифракционные эффекты, к тому же они крайне чувствительны к квантованию рельефа по уровням.
Численные процедуры, основанные на применении известного алгоритма Герчберга-Секстона (Котляр В.В., Хонина С.Н.), также не свободны от недостатков.
Во-первых, известно, что алгоритм Герчберга-Секстона в случае его применения к расчету фазовых ДОЭ принципиально не обладает сходимостью. Во-вторых, необходимость обратного пересчета (применения обратного оператора распространения) на каждой итерации алгоритма приводит к трудностям учета технологических ограничений, особенно в случае малого числа уровней квантования и небольшого числа отсчетов фазовой функции. Таким образом, разработка численных процедур расчета квантованных радиальных ДОЭ, формирующих аксиальное распределение, на основе методов прямого поиска является актуальной задачей.
Оптический захват в области максимума интенсивности не всегда применим.
Захватываемые частицы подвергаются разрушительному температурному воздействию в силу того, что центр оптического захвата находится в зоне острой фокусировки пучка, причем со снижением мощности лазера будет ослабевать сила захвата.
Альтернативой являются оптические ловушки более сложной структуры, в частности, ловушки типа Усветовая бутылкаФ (Arlt J., Phillip G.M.). Оптической ловушкой типа Усветовая бутылкаФ называется световое распределение в виде области низкой интенсивности (темновой зоны ловушки), окруженной световым барьером.
В работах (Wright W.H., Yelin D.) развит подход, основанный на формировании темнового фокуса на интерференционной картине двух пучков. Такой подход требует юстировки достаточно сложной экспериментальной установки.
Возможность формирования световых полей сложной структуры делает ДОЭ перспективным инструментом для реализации оптических ловушек типа световая бутылка. Однако технологии изготовления ДОЭ все еще несовершенны и хорошо отработаны лишь для изготовления квантованного (ступенчатого) микрорельефа с малым числом уровней квантования. Стоит отметить также, что изготовление радиально-симметричного микрорельефа в целом ряде случаев значительно проще и дешевле. Существующие технологические ограничения, таким образом, определяют актуальность разработки и исследования методов синтеза квантованных радиально-симметричных ДОЭ для решения задачи оптического захвата. Отметим, что размеры темновой зоны оптической ловушки определяются параметрами задачи оптического захвата.
В известных работах (Хонина С.Н., Arlt J., Kuga T.) развит подход к созданию оптических ловушек с темновой зоной на основе формирования с помощью ДОЭ многомодовых пучков специального вида. Среди недостатков такого подхода следует отметить следующие: возможность создания, как правило, двумерного темнового фокуса в плоскости, низкая дифракционная эффективность ДОЭ, нерадиально-симметричный микрорельеф элемента.
В работе (Menon R.) предложен метод расчета бинарной дифракционной линзы, формирующей темновой фокус. Однако эта процедура также рассчитана на формирование двумерного темнового фокуса в плоскости. Кроме того, автором не рассмотрено применение созданного элемента для решения задачи оптического захвата.
Таким образом, актуальной задачей является разработка и исследование метода формирования трехмерной оптической ловушки типа Усветовая бутылкаФ с заданными размерами темновой зоны, основанного на использовании одиночного параксиального ДОЭ. Технологические ограничения определяют актуальность разработки численных процедур расчета радиальных квантованных ДОЭ для формирования таких ловушек.
Задачи формирования заданного продольного (трехмерного) светового распределения (типа Усветовой бутылкиФ) обладают своей спецификой, отличающей их, например, от задачи формирования заданного распределения интенсивности в определенной плоскости. Если задача формирования двумерного распределения интенсивности в заданной области фокальной плоскости с помощью фазового ДОЭ (задача синтеза фокусатора) решается за счет подбора фазы в фокальной плоскости, обеспечивающей чисто фазовый характер функции пропускания ДОЭ, то в случае формирования продольного или трехмерного светового распределения этой возможности, очевидно, не существует.
Ранее была показана целесообразность применения методов прямого поиска в случаях, когда вычисление двумерного оператора распространения можно свести к вычислению одномерного оператора (например, в случае расчета ДОЭ, формирующего заданное радиально-симметричное распределение интенсивности в выходной плоскости - Павельев В.С.). В данной диссертации разработана и исследована численная процедура расчета квантованного радиально-симметричного микрорельефа ДОЭ, предназначенных для формирования продольных отрезков и трехмерных распределений типа Усветовой ловушкиФ заданных размеров. С помощью разработанной численной процедуры расcчитаны, изготовлены и исследованы методами численного моделирования и оптического эксперимента бинарные и четырехуровневые оптические элементы. Результаты численных и экспериментальных исследований оптических элементов находятся в хорошем взаимном соответствии.
Отметим также актуальность исследования различных методов и технологий формирования дифракционного микрорельефа. Электронная литография, обладающая высоким пространственным разрешением (до 10 нм и выше), весьма дорога при изготовлении полноапертурного оптического элемента (с площадью апертуры 11 мм2 и более), в то время как более дешевая фотолитография имеет разрешение, ограниченное длиной волны лазера (обычно не выше 0,4 мкм). В этом смысле, определенным компромиссным вариантом может быть использование метода двухфотонной полимеризации (ДФП) (Чичков Б.Н., Kawata S.) с разрешением 100-200 нм и даже 65 нм (Homburg O.). Ранее метод ДФП применялся для создания трехмерных фотонно-кристаллических устройств и для создания малоапертурных ДОЭ с непрерывным микрорельефом. В диссертации исследовалась возможность создания квантованных ДОЭ, формирующих аксиальные распределения интенсивности, с помощью метода ДФП. Результаты экспериментального исследования созданных оптических элементов подтверждают целесообразность использования метода ДФП для изготовления полноапертурных радиально-симметричных ДОЭ с квантованным микрорельефом, рассчитанным разработанной численной процедурой.
Отдельный класс ДОЭ образуют дифракционные делители пучка, которые могут применяться в интерференционных оптических схемах и в оптических системах множественного оптического захвата.
Дифракционные делители пучка (многопорядковые дифракционные решётки) представляют собой дифракционную структуру с периодическим фазовым микрорельефом и предназначены для формирования одно- или двумерного набора пучков с заданным соотношением энергии между пучками. В силу доминирования литографических технологий большая часть дифракционных делителей пучка имеет квантованный (лступенчатый) профиль дифракционного микрорельефа (Котляр В.В., Досколович Л.Л.). Квантование микрорельефа приводит к снижению дифракционной эффективности ДОЭ. Таким образом, актуальным является исследование применения технологий формирования непрерывного дифракционного микрорельефа к синтезу дифракционных делителей пучка.
Цель работы Разработка и исследование методов синтеза квантованных радиальных ДОЭ, предназначенных для решения задачи оптического захвата. В соответствии с целью работы были определены задачи диссертации:
1) Разработка и исследование численной процедуры расчета квантованных радиально-симметричных оптических элементов для решения задач оптического захвата.
2) Изготовление с помощью технологии фотолитографии и метода ДФП, а также исследование ДОЭ, рассчитанных разработанной численной процедурой.
3) Формирование светового трехмерного распределения типа световая бутылка на основе использования одиночного квантованного радиально-симметричного ДОЭ.
4) Экспериментальная реализация оптического захвата микрочастиц на основе применения ДОЭ, рассчитанных разработанной численной процедурой.
Методы исследования включают в себя методы численного моделирования и методы экспериментальной оптики.
Достоверность полученных результатов Достоверность полученных в ходе выполнения работы результатов подтверждена качественным соответствием результатов численного моделирования и экспериментальных результатов.
Научная новизна 1) Разработана численная процедура расчета квантованных радиальносимметричных ДОЭ для решения задачи оптического захвата, основанная на комбинации генетического алгоритма и фитнес-функции экспоненциального вида. Выбор фитнес-функции экспоненциального вида обеспечивает снижение в раза среднеквадратичной ошибки (СКО) формирования осевого распределения интенсивности в задаче синтеза фокусатора в продольный отрезок по сравнению с ранее использованной для расчета радиальных квантованных элементов квадратичной нормой.
2) Предложено использовать бинарные и четырехуровневые радиальносимметричные ДОЭ, рассчитанные с помощью разработанной численной процедуры, для решения задачи формирования трехмерных оптических ловушек типа световая бутылка.
3) Изготовлены методом двухфотонной полимеризации и исследованы радиально-симметричные бинарные и четырехуровневые ДОЭ видимого диапазона (длина волны =0,633 мкм), рассчитанные с помощью разработанной численной процедуры.
4) Экспериментально показана возможность трехмерного манипулирования прозрачными и непрозрачными микрочастицами в вязкой жидкой среде с помощью бинарных радиально-симметричных ДОЭ, рассчитанных с помощью разработанной численной процедуры.
Практическая ценность работы заключается в разработке численной процедуры расчета радиальных квантованных ДОЭ. Разработанная численная процедура и созданное программное обеспечение использовались для расчета ДОЭ в хоздоговорных работах с ЗАО УТидексФ (г. Санкт-Петербург), а также при вы полнении совместных научно-исследовательских работ СГАУ и ИСОИ РАН (г.
Самара), и совместных научно-исследовательских работ СГАУ и Ганноверского Лазерного Центра (г. Ганновер, Германия).
ичный вклад автора Результаты, представленные в диссертации, получены лично соискателем или при его непосредственном участии.
Основные положения, выносимые на защиту 1) Численная процедура расчета радиально-симметричных квантованных ДОЭ для решения задач оптического захвата, основанная на комбинации генетического алгоритма и фитнес-функции экспоненциального вида.
2) Метод формирования трехмерных оптических ловушек типа световая бутылка, основанный на использовании одиночного квантованного радиальносимметричного ДОЭ, рассчитанного с помощью разработанной численной процедуры.
3) Результаты численного моделирования бинарных и четырехуровневых ДОЭ, формирующих аксиальные распределения, микрорельеф которых рассчитан с помощью разработанной численной процедуры.
4) Сравнительный анализ результатов численных и натурных экспериментов по исследованию радиально-симметричных бинарных и четырехуровневых ДОЭ, рассчитанных с помощью разработанной численной процедуры.
Апробация работы Основные результаты диссертационной работы были изложены в докладах, представленных на международных конференциях Optical Modelling and Design (США, Беллингхэм, 2010), Micro-Optics 2010 (США, Беллингхэм, 2010), Optical Techniques and Nano-Tools for Material and Life Sciences (Белоруссия, Минск, 2010), CLEO/Europe and EQEC 2011 (Германия, Мюнхен, 2011), AsiaPacific Conference on Fundamental Problems of Opto- and Microelectronics (РФ, Москва-Самара, 2011), на конференциях VIII и IX Всероссийский молодежный Самарский конкурс-конференция научных работ по оптике и лазерной физике (Самара, 2010, 2011) и обсуждались на научных семинарах кафедры наноинженерии СГАУ.
Публикации По результатам диссертационной работы опубликовано 18 печатных работ, из них 8 статей - в журналах, рекомендуемых ВАК, 10 тезисов докладов конференций.
Структура и объем работы Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения А, списка цитируемой литературы (165 наименований), изложенных на 138 страницах, содержит 72 рисунка и 6 таблиц.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении обоснована актуальность выбранной темы диссертации, cформулированы цели и задачи, изложена научная новизна, практическая значимость, защищаемые положения, описаны содержание и структура диссертации.
В первой главе проведен обзор методов формирования оптического микрорельефа видимого и ближнего ИК-диапазона. Рассмотрены наиболее распростра ненные методы литографии: фотолитография и электронно-лучевая литография.
Среди методов прямой записи рассмотрены лазерная абляция, механическая микрообработка и метод ДФП. Сделан вывод о целесообразности разработки численных процедур расчета квантованного микрорельефа ДОЭ, формирующих аксиальные распределения в задачах оптического захвата. Сделан вывод о целесообразности исследования возможности применения метода ДФП для формирования квантованного радиально-симметричного микрорельефа ДОЭ.
Во второй главе рассмотрена постановка задачи расчета радиальносимметричных фазовых ДОЭ с квантованным микрорельефом, формирующих аксиальные световые распределения в задаче оптического захвата. Рассмотрен выбор параметров дискретизации области формирования заданного светового распределения и критериев оценки ДОЭ.
Проведен анализ методов расчета квантованного радиально-симметричного дифракционного микрорельефа. Проведено сравнение геометрооптического расчета радиальных ДОЭ с итеративными методами и методами прямого поиска.
Показана целесообразность применения методов прямого поиска для расчета радиальных квантованных ДОЭ, формирующих аксиальные распределения в задачах оптического захвата.
Предложена численная процедура расчета радиальных квантованных ДОЭ, формирующих аксиальные распределения, основанная на генетическом алгоритме оптимизации. Предложенная численная процедура основана на использовании хорошо известного генетического алгоритма (Holland J.H.) с использованием операторов рекомбинации, мутации и турнирной селекции.
Предложен общий вид минимизируемой фитнес функции для расчета ДОЭ, формирующих аксиальные распределения интенсивности:
M L I z, k I z, k j j 1, I zj, k c exp j I z, k j1 k 1 j zj, k (1) M L I zj, k I z, k c exp Iср 1, jj j1 k где I z, k - интенсивность, формируемая ДОЭ с фазовой функцией r в точке j с продольной и радиальной координатами zj, k, I zj, k - заданное распреде ление интенсивности, Iср - среднее значение заданной интенсивности по области формирования, константа определяет соотношение между дифракционной эффективностью элемента и погрешностью формирования заданного распределения интенсивности, - вещественный коэффициент.
Коэффициент cj выбирался из соображений компенсации спада интенсивности на оптической оси, связанного с расходимостью пучка.
Для подтверждения эффективности применения предложенной фитнесфункции в расчете квантованных ДОЭ, формирующих аксиальные распределения, был проведен модельный расчет ДОЭ, формирующего соосный световой отрезок. Модельный расчет проводился с использованием квадратичной нормы, ра нее использовавшейся при расчете радиально-симметричных квантованных ДОЭ, и предложенной фитнес-функции:
M 1 zj I z,0 I z,0, (2) j j jM I zj,0 I z, (3) j 2 zj exp c I zj,0 1.
j j1 Коэффициент cj в (3) выбирался в следующем виде:
z j 2 , cj exp A 1 (4) z1 где A - целочисленный множитель.
На рисунке 1 представлены осевые распределения интенсивности, соответствующие применению фитнес-функций (2), (3). Количество итераций генетического алгоритма было одинаковым и выбиралось равным 2100.
Рисунок 1 - Осевые распределения интенсивности, соответствующие использованию фитнес-функций Ф1 и Ф2.
Значения критериев оценки ДОЭ (энергетическая эффективность e и СКО ) для сравниваемых фитнес-функций Ф1 и Ф2 составили е=4,668%, =4,357%, е=4,832%, =2,108% соответственно. Таким образом, применение фитнесфункции Ф2 позволяет более чем в два раза снизить погрешность формирования аксиального распределения. Размер шага дискретизации по области формирования заданного распределения выбирался, исходя из ранее предложенного критерия (Piestun R., Spector B.).
Третья глава посвящена численному и экспериментальному исследованию ДОЭ, рассчитанных разработанной численной процедурой для формирования продольного светового отрезка. Были рассчитаны бинарный и четырехуровневый ДОЭ с радиусом R=3,6 мм и количеством радиальных отсчетов N=128, фокусирующие гауссовый пучок с параметрами: длина волны =1,06 мкм, радиус пучка =2мм в десять равномерно распределенных фокусов на расстоянии от F1=200 мм до F2=220 мм. Сравнение осевых распределений интенсивности, формируемых рассчитанными четырехуровневым и бинарным ДОЭ, а также четырехуровневой и бинарной линзами Френеля представлено на рисунке 2.
Рисунок 2 ЦОсевые распределения интенсивности, формируемые рассчитанными ДОЭ и линзой Френеля (f=208мм).
Получены значения энергетической эффективности и СКО для рассчитанных элементов: для бинарного ДОЭ - е=4,58%, =2,07%, для четырехуровневого - е=21,5%, =5%.
По рассчитанным радиальным отсчетам бинарного ДОЭ был изготовлен методом фотолитографии амплитудный фотошаблон на стеклянной подложке с нанесенным слоем хрома толщиной 100 нм.
Изготовленный амплитудный элемент исследовался методом натурного эксперимента с использованием твердотельного лазера на неодимовом стекле с длиной волны 1,064 мкм и гелий-неонового лазера с длиной волны 0,633 мкм. Результаты численного моделирования рассчитанного бинарного элемента находятся в хорошем соответствии с результатами экспериментального исследования амплитудного аналога. Экспериментально показано, что элемент, рассчитанный разработанной численной процедурой для фокусировки гауссова освещающего пучка в соосный отрезок, обладает оптической силой: при освещении его апертуры модой ТЕМ01 можно наблюдать самовоспроизведение изображения моды при распространении пучка вдоль оптической оси в области фокусировки (рисунок 3).
Рисунок 3 - Экспериментально зафиксированные распределения интенсивности на разных расстояниях от ДОЭ (негатив).
С целью исследования возможности применения метода ДФП для изготовления квантованных радиальных ДОЭ, рассчитанных предложенной численной процедурой, были рассчитаны и изготовлены бинарный и четырехуровневый ДОЭ для формирования продольного светового отрезка. В качестве параметров элемента были выбраны следующие: радиус апертуры R=1 мм, количество ради альных отсчетов N=200, длина волны освещающего пучка =0,633 мкм, модовый радиус освещающего гауссова пучка =0,5 мм, расстояние от плоскости установки элемента до начала и конца светового отрезка F1=22,2 мм и F2=23,5 мм, соответственно.
Получены следующие расчетные значения энергетической эффективности и СКО: для бинарного ДОЭ е=22%, =4,3%, для четырехуровневого е=45%, =4,2%.
Расчетные осевые распределения интенсивности, формируемые ДОЭ, представлены на рисунке 4. Рассчитанные элементы были изготовлены методом ДФП в Ганноверском Лазерном Центре (LZH, Ганновер, Германия).
На рисунке 5 приведены оптическое изображение и электронная фотография фрагментов микрорельефа бинарного ДОЭ, изготовленного методом ДФП. На рисунке 6 приведены результаты экспериментального исследования бинарного (6аб) и четырехуровневого (6в) ДОЭ, изготовленных методом ДФП.
Рисунок 4 - Расчетные осевые распределения интенсивности, формируемые бинарным и четырехуровневым ДОЭ.
а) б) Рисунок 5 Ца) Оптическое изображение и б) электронная фотография изготовленного бинарного ДОЭ.
а) б) в) Рисунок 6 ЦРезультат экспериментального исследования поперечного (а) и продольного (б) распределений интенсивности, формируемых бинарным элементом и поперечного распределения интенсивности (в), формируемого четырехуровневым элементом.
Результаты численного моделирования (Рис.4) и экспериментальных исследований (Рис.6б) имеют хорошее взаимное соответствие.
Показана целесообразность применения предложенной численной процедуры для расчета ДОЭ, формирующих равномерное осевое распределение, что имеет важное значение для решения задачи оптической манипуляции микро- и нанообъектами. На основе анализа результатов эксперимента показана целесообразность применения метода ДФП для формирования квантованного радиальносимметричного дифракционного микрорельефа, рассчитанного предложенной численной процедурой.
Четвертая глава посвящена синтезу радиально-симметричного ДОЭ для формирования распределения интенсивности типа световая бутылка. Проведен анализ методов формирования распределения интенсивности типа световая бутылка. Предложен и обоснован метод формирования распределения типа световая бутылка, основанный на применении одиночного параксиального квантованного радиального ДОЭ.
Постановка задачи расчета ДОЭ, формирующего оптическую ловушку на расстоянии F1 от плоскости установки элемента с протяженностью темновой зоны L0, представлена на рисунке 7.
Рисунок - 7 Оптическая схема формирования световой бутылки.
Предложенная во второй главе численная процедура применялась к расчету ДОЭ, формирующего распределение типа световая бутылка. Были рассчитаны элементы со следующими параметрами, выбранными из условий постановки натурного эксперимента: длина волны освещающего пучка =633 нм, радиус перетяжки освещающего гауссова пучка =0,5 мм, число уровней квантования микрорельефа M=2,4 число отсчётов вдоль радиуса N=200. Область формирования заданного светового распределения располагалась вдоль оптической оси на расстоянии от F1=50 мм до F2=55 мм от плоскости установки элемента; область низкой интенсивности (темновая зона оптической ловушки) имела длину L0=2 мм для бинарного ДОЭ и L0=4 мм для четырехуровневого ДОЭ.
На рисунке 8 приведены двумерные распределения интенсивности, формируемое рассчитанными бинарным (8а) и четырехуровневым (8б) ДОЭ (результат компьютерного моделирования).
Расчетные значения энергетической эффективности составили e=21,7%, а для четырехуровневого - e=12,4%, соответственно. Была отмечена сильная зависимость значения энергетической эффективности от расчетных параметров ДОЭ (протяженность темновой зоны оптической ловушки, число уровней квантования, радиус пучка).
а) б) Рисунок 8 - Распределения интенсивности, формируемые рассчитанными ДОЭ.
Рассчитанный бинарный ДОЭ был изготовлен методом ДФП в Ганноверском Лазерном Центре (LZH, Ганновер, Германия). В четвертой главе приведены результаты экспериментальных исследований, находящиеся в хорошем соответствии с результатами численного моделирования. Таким образом, на основе анализа результатов численного и экспериментального исследования был сделан вывод о целесообразности применения метода ДФП к изготовлению бинарных ДОЭ, рассчитанных разработанной численной процедурой для формирования оптических ловушек типа Усветовая бутылкаФ.
Для экспериментального исследования возможности осуществления оптического захвата микрочастиц был рассчитан с помощью предложенной численной процедуры, изготовлен и исследован ДОЭ со следующими параметрами: длина волны освещающего пучка =532 нм, радиус перетяжки освещающего гауссова пучка =1,5 мм, число уровней квантования микрорельефа M=2, число отсчетов вдоль радиуса - N=200, расстояние между областью формирования оптической ловушки и плоскостью ДОЭ F1=100 мм, длина темновой зоны оптической ловушки L0=1 мм. Бинарный микрорельеф рассчитанного ДОЭ формировался методом плазмохимического травления на поверхности кварцевой пластины (кварц КВ). Амплитудный шаблон изготавливался методом прямой лазерной записи по слою хрома, нанесенного на стеклянную подложку, с помощью станции лазерной записи CLWS-200 (производства Института автоматики и электрометрии РАН, г.
Новосибирск).
На рисунке 9а изображено продольное распределение интенсивности, формируемое рассчитанным ДОЭ (результат компьютерного моделирования). Результаты исследования изготовленного дифракционного микрорельефа методом микроинтерферометрии белого света приведены на рисунке 9б.
Были поставлены эксперименты по захвату сферических полистироловых микрошаров диаметром 5 мкм с помощью оптической ловушки, формируемой изготовленным элементом. Размер и положение пучка в оптической системе были подобраны таким образом, чтобы область высокой интенсивности попадала на край полистиролового микрошара. В этом случае за счёт френелевского отражения микрочастица удерживалась в области минимальной интенсивности пучка.
Это позволило перемещать микрочастицу в центре ловушки вслед за пучком.
а) б) Рисунок 9 - а) расчетное продольное распределение интенсивности, формируемое рассчитанным ДОЭ, б) Результат исследования сформированного дифракционного микрорельефа методом микроинтерферометрии белого света.
Стадии движения с интервалом в 2с приведены на рисунках 10абв. Скорость перемещения микрочастиц составила 2 мкм/с. Сила удержания микрочастицы в ловушке составила около 300 пкН. На рисунках 10где показано перемещение в этой же ловушке двух полистироловых микрошаров, захваченных уже на максимуме интенсивности.
Рисунок 10 - Результаты экспериментов по манипуляции частицами полистирола (стрелкой указано положение неподвижной частицы).
Для исследования возможности осуществления манипуляций поглощающими микрочастицами с помощью созданного элемента были также поставлены эксперименты с микрочастицами углерода размером 2-4 мкм. Типичный результат такого эксперимента приведен на рисунок 11.
Рисунок 11 ЦРезультаты экспериментов по манипуляции частицами углерода (стрелкой указано положение неподвижной частицы).
Как видно из рисунков 10 и 11, сформированная ловушка может захватывать как прозрачные, так и непрозрачные микрообъекты и удерживать их с силой, достаточной для перемещения в вязкой среде. Наличие максимумов интенсивности на оптической оси в начале и конце области формирования оптической ловушки позволило перемещать микрочастицы не только в плоскости, перпендикулярной оптической оси, но и вдоль оптической оси. То есть сформированная оптическая ловушка позволяла осуществлять заданное трехмерное манипулирование микрочастицей.
Таким образом, был рассчитан, изготовлен, численно и экспериментально исследован бинарный радиально-симметричный ДОЭ, формирующий распределение интенсивности типа Усветовая бутылкаФ. Результаты натурного и вычислительного экспериментов находятся в хорошем взаимном соответствии. Экспериментально показано, что сформированная ловушка может захватывать как прозрачные, так и непрозрачные (поглощающие) микрообъекты и удерживать их с силой, достаточной для перемещения в вязкой среде.
В приложении А рассмотрены синтез и исследование одномерных высокоэффективных дифракционных делителей пучка с непрерывным профилем. Для расчета микрорельефа делителей пучка использовался формализм (Romero L.A., Dickey F.M). Рассчитанные делители пучка 1:3 и 1:5 были реализованы технологией механической микрообработки (Lissotschenko V.N., Henze J.). Экспериментально измеренная энергетическая эффективность составила более 89%. Анализ полученных экспериментальных результатов показывает целесообразность применения технологии (Lissotschenko V.N., Henze J.) для синтеза дифракционных делителей пучка с непрерывным профилем.
ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ В диссертации разработаны и исследованы методы синтеза квантованных радиальных элементов дифракционной микрооптики, предназначенных для решения задачи оптического захвата. Основными результатами работы являются следующие:
1) Разработана численная процедура расчета квантованных радиальносимметричных ДОЭ для решения задачи оптического захвата, основанная на комбинации генетического алгоритма и фитнес-функции экспоненциального вида. Выбор фитнес-функции экспоненциального вида обеспечивает снижение в раза погрешность формирования осевого распределения интенсивности в задаче синтеза фокусатора в продольный отрезок по сравнению с ранее использованной для расчета радиальных квантованных элементов квадратичной нормой.
2) Бинарные и четырехуровневые элементы видимого диапазона (рабочая длина волны 0,633 мкм), рассчитанные с помощью разработанной численной процедуры, изготовлены методом ДФП и исследованы методами численного и натурного эксперимента. Результаты численного и натурного экспериментов находятся в хорошем взаимном соответствии.
3) Показано, что разработанная численная процедура позволяет рассчитывать бинарные радиально-симметричные элементы, формирующие трехмерное световое распределение типа Усветовая бутылкаФ с протяженностью темновой зоны оптической ловушки L0 более 1 мм и энергетической эффективностью более 20%.
4) Экспериментально осуществлено трехмерное манипулирование прозрачными и непрозрачными объектами размером 2-5 мкм в вязкой жидкой среде с помощью бинарного радиально-симметричного оптического элемента, рассчитанного разработанной численной процедурой.
5) Создано программное обеспечение, реализующее разработанную численную процедуру расчета квантованных радиально-симметричных ДОЭ и обладающее возможностями для моделирования рассчитанных элементов и записи данных в технологический формат представления, необходимый для реализации элементов методом ДФП и технологией фотолитографии.
Основное содержание работы
изложено в следующих публикациях в ведущих рецензируемых научных изданиях, определенных ВАК Минобрнауки России:
1) Качалов Д.Г. Стохастическая оптимизация квантованных ДОЭ для формирования продольных распределений интенсивности / Качалов Д.Г., Павельев В.С. // Краткие сообщения по физике ФИАН. - 2009. - Т. 11. - С.49-51 (Stochastic Optimization of Quantized Diffraction Optical Elements to Form Longitudinal Intensity Distributions / D. G. Kachalov and V. S. Pavelev // Bulletin of the Lebedev Physics Institute. - 2009. - Vol. 36, № 11. - P. 345Ц346.
2) Качалов, Д.Г. Оптимизация бинарных ДОЭ для формирования продольных распределений интенсивности / Качалов Д.Г., Павельев В.С., Хонина С.Н. // Компьютерная оптика. - 2009. - Т. 33, № 4. - С. 441 - 445.
3) Хонина, С.Н. Исследование формирования осевого отрезка с помощью оптимизированного бинарного ДОЭ / С.Н. Хонина, Р.В. Скиданов, Д.Г. Качалов, В.С.
Павельев, О.Ю.Моисеев // Компьютерная оптика. - 2010. - Т. 34, №. 3. - С. 3 - 359.
4) Osipov, V.P. Realization of binary radial diffractive optical elements by two-photon polymerization technique / V.P. Osipov, V.S. Pavelyev, D.G. Kachalov, A. Zukauskas, B.N. Chichkov // Optics Express. - Vol. 18, № 25. - P. 25808-25814.
5) Kachalov, D. G. Application of the direct search in solving a problem of forming longitudinal distribution of intensity / Kachalov, D. G., Pavelyev, V. S., Khonina, S.
N., Skidanov, R. V. and Moiseev, O. Yu // Journal of Modern Optics. - 2011. - Vol.
58, № 1. - P. 69 Ч 76.
6) Качалов Д.Г. Оптимизация бинарного ДОЭ для формирования световой бутылки / Качалов Д.Г., Гамазков К.А., Павельев В.С., Хонина С.Н. // Компьютерная оптика. - 2011. - Т.35, №1. - C. 70-76.
7) Микляев, Ю.В. Синтез и исследование дифракционных делителей пучка с непрерывным профилем / Ю.В. Микляев, В. Имгрунт, В.С. Павельев, В.А. Сойфер, Д.Г. Качалов, В.А. Ерополов, Л. Ашке, М.В. Большаков, В.Н. Лисоченко // Компьютерная оптика. - 2011. - Т.35, №1. - C. 42-46.
8) Качалов, Д.Г.Экспериментальная реализация оптического захвата микрочастиц на основе применения бинарного радиального ДОЭ / Д.Г. Качалов, В.С. Павельев, С.Н. Хонина, Р.В. Скиданов, А.П. Порфирьев // Компьютерная оптика.
- 2012. - Т. 36. - № 1. - С. 91 - 95.