eng
Выпуск #3/2020
Ю.В. Пичугина, А.С. Мачихин
Разработка акустооптического устройства для управления положением микрообъектов
Разработка акустооптического устройства для управления положением микрообъектов
Просмотры: 3031
DOI: 10.22184/1993-7296.FRos.2020.14.3.254.259
В работе рассматривается метод акустооптического сканирования. Его характеризует высокая точность и возможность независимого управления несколькими оптическими ловушками при манипулировании микрообъектами с помощью оптического пинцета. Брэгговская дифракция света ультразвуковыми волнами позволяет создавать надежные твердотельные устройства для точного и быстрого отклонения лазерного луча. Описана схема оптического пинцета с двухмерным сканированием на базе ПК, реализованная двумя последовательными акустооптическими ячейками.
В работе рассматривается метод акустооптического сканирования. Его характеризует высокая точность и возможность независимого управления несколькими оптическими ловушками при манипулировании микрообъектами с помощью оптического пинцета. Брэгговская дифракция света ультразвуковыми волнами позволяет создавать надежные твердотельные устройства для точного и быстрого отклонения лазерного луча. Описана схема оптического пинцета с двухмерным сканированием на базе ПК, реализованная двумя последовательными акустооптическими ячейками.
Теги: acousto-optic deflector bragg diffraction optical trap optical tweezers paratellurite. акустооптический дефлектор брэгговская дифракция оптическая ловушка оптический пинцет парателлурит
Разработка акустооптического устройства для управления положением микрообъектов
Ю. В. Пичугина 1, 2, А. С. Мачихин 1
Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН, Москва, Россия
Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН, Москва, Россия
Статья поступила: 22.02.2020
Принята к публикации: 18.03.2020
Введение
В настоящее время разработка, изучение и использование оптических пинцетов вызывают большой научный и практический интерес. Оптический пинцет представляет собой оптический инструмент, который позволяет манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного света. Данный метод основан на возможности жесткой фокусировки лазерного излучения, в котором пространственно неоднородное оптическое поле вблизи перетяжки сильно сфокусированного лазерного луча формирует эффективную пространственную потенциальную яму.
Ключевым элементом оптического пинцета является система сканирования, предназначенная для управления пучком и его параметрами [1–2]. В большинстве существующих оптических пинцетов для управления положением световой ловушки используют зеркальные и зеркально-линзовые системы. Такие системы не позволяют быстро перемещать ловушку из одной произвольной точки поля зрения в другую из-за высокой инерционности систем перемещения зеркал и линз, а к юстировке схем на основе таких систем предъявляются высокие требования, что ведет к необходимости использовать дорогие и сложные приводные механизмы и делает невозможным создание нескольких световых ловушек одновременно. Системы управления, в основе которых лежат жидкокристаллические (немеханические) модуляторы оптического излучения, лишены некоторых недостатков, свойственных зеркальным и зеркально-линзовым системам, однако обладают низким быстродействием. В сравнении с известными системами манипулирования, акустооптический дефлектор характеризуется на порядок более высоким быстродействием, возможностью независимого управления несколькими оптическими ловушками, мгновенным, высокоточным, адресным (скачкообразным) перемещением ловушки в пределах поля зрения.
В данной работе рассматривается двухкоординатная акустооптическая (АО) сканирующая система для немеханического манипулирования микрообъектами с помощью оптического пинцета. В АО системе, положение ловушки определяется только частотой акустических волн, возбуждаемых в кристаллах. Скорость настройки ограничена в основном временем прохождения акустической волны в кристалле, которое обычно составляет несколько микросекунд [3].
Полученные результаты показывают преимущества и перспективы АО немеханического манипулирования микрообъектами с помощью оптического пинцета.
Принципиальная схема
Схема оптических пинцетов для манипулирования микрообъектами с помощью двумерного АО‑сканирования показана на рис. 1. Диаметр лазерного луча увеличен с помощью расширителя пучка, и после направлен к двухкоординатному акустооптическому дефлектору (АОД), который представляет собой две одинаковые ортогональные АО ячейки.
Первая АО ячейка отклоняет лазерный луч в меридиональной плоскости, вторая – в сагиттальной плоскости, так что диаметр луча не изменяется. Система линз необходима для сопряжения AO ячеек и микрообъектива, которая фокусирует лазерное излучение на исследуемый образец, расположенный в кювете. Двигая последнюю линзу можно перемещать перетяжку лазерного излучения вдоль оси, т. е. выполнять фокусировку пучка.
Цифровая камера с микроскопической системой визуализации размещена на противоположной стороне образца, и позволяет в режиме реального времени наблюдать и контролировать положение световой ловушки.
Акустооптический дефлектор
АО ячейка представляет собой кристалл ТеО2, к одному из краев которого прикреплен пьезопреобразователь. При подаче напряжения на пьезопреобразователь в кристалле распространяется акустическая волна, которая создает динамическую дифракционную решетку для лазерного пучка, проходящего через кристалл [4]. Изменяя и модулируя напряжение на АОД, первый дифракционный максимум лазерного пучка отклоняется на контролируемые углы. Возбуждение звуковых волн происходит при подаче сигналов от электронного драйвера на электроды. Драйвер состоит из генератора и широкополосного усилителя. Для реализации режима бегущей звуковой волны к противоположной грани кристалла прикреплен акустический поглотитель. Быстрая модуляция приводит к тому, что оптическая ловушка переключается между разными положениями, т. е. создается несколько ловушек. Схематическая конструкция и состав однокоординатной акустооптической сканирующей системы в режиме дифракции Брэгга показан на рис. 2.
Для двумерного пространственного сканирования дефлектор состоит из двух последовательных АО ячеек, повернутых на 90°. На рис. 3 показана схема двухкоординатного дефлектора с двухканальным электронным драйвером.
Для этого исследования мы разработали двухкоординатную сканирующую АО систему, состоящую из двух идентичных ячеек из кристаллов TeO2. Каждая из них работает в режиме анизотропной дифракции Брэгга. Разработанный дефлектор имеет типичную конфигурацию: угол падения света в кристалле θ0 = 5,56° и длину акустооптического взаимодействия L = 2 мм. Медленная сдвиговая акустическая волна в кристалле распространяется в плоскости (001) под углом α = 7,5° к направлению [110] (рис. 4а).
Вектор звуковой волны направлен под углом γ = 91,5° к оси [110] и по касательной к поверхности показателей преломления дифракционного света. Векторная диаграмма этого типа AO дифракции показана на рис. 4b.
Максимальные углы отклонения Δϕx × Δϕy можно рассчитать как:
(1)
(2)
где Δx × Δy – размеры образца, fMO – фокусное расстояние микрообъектива, ΓRS – увеличение релейной системы.
Угловое разрешение АОД ограничено дифракцией и не может превышать 1,22 (λ / D). Число положений Nx × Ny, разрешенных дефлектором, определяется отношением углового диапазона сканирования Δϕx × Δϕy и угловым разрешением:
(3)
(4)
где D0 – диаметр лазерного луча, λ – длина волны лазера.
Диаметр входного зрачка АО ячейки D должен быть больше, чем диаметр лазерного луча D0:
(5)
где ΓBE – увеличение расширителя пучка, d – начальный диаметр лазерного пучка.
Диапазон изменения частоты ультразвука, приложенного к АО ячейкам находится как:
(6)
С помощью этих формул мы можем вычислить параметры АО ячеек. Например, это необходимо для улавливания частиц диаметром δ = 1 мкм в диапазоне Δx × Δy = 100 мкм × 100 мкм, используя микрообъектив с fMO = 3,6 мм, и He-Ne лазер (λ = 632,8 нм) с диаметром пучка d = 1,2 мм. Используя формулы, мы установили параметры нашей установки: ГBE = 5, ГRS = 1, D0 = 6 мм, Δϕx × Δϕy ≈ 1,5° × 1,5°, Nx × Ny ≈ 250 × 250, Δf = 32 МГц. В настоящее время мы собираем установку, показанную на рис. 1 с приведенными параметрами.
Заключение
В данной работе обсуждается АО двумерная система отклонения для немеханического манипулирования микрообъектами с помощью оптического пинцета. Мы разработали и изготовили ячейки АО, которые могут стать основой такой сканирующей системы. Правильное назначение параметров АОД и параметров других компонентов позволяет построить систему оптического захвата [5–7].
REFERENCES
Grover S., Skirtach A., Gauthier R., Grover C. Automated single-cell sorting system based on optical trapping. J. Biomed. Opt. 2001; 6 (1): 14–22. DOI: 10.1117 / 1.1333676.
Jing Liu, Zhiyuan Li. Controlled Mechanical Motions of Microparticles in Optical Tweezers Micromachines. 2018; 9(5): 232. DOI: 10.3390 / mi9050232.
Merenda F., Rohner J., Fournier J., Salathé R. Miniaturized high-NA focusing-mirror multiple optical tweezers. Opt. Express. 2007;15 (10): 6075–6086. DOI: 10.1364 / oe.15.006075.
Магдич Л.Н., Молчанов В. Я. Акустооптические устройства и их применение. – М.: Сов.радио. 1978. 112 с.
Magdich L. N., Molchano V. Y. Acoustooptic devices and their applications. – M.: Sov.radio. 1978. 112 p.
Галкин М. Л., Носов П. А., Ковалев М. С., Вереникина Н. М. Расчет и анализ распределения поля лазерного пучка после реальной оптической системы. J. Physics: Conf. Series. 1096.012120. DOI:10.1088/1742-6596/1096/1/012120.
Galkin M. L., Nosov P. A., Kovalev M. S., Verenikina N. M. Calculation and analysis of the laser beam field distribution after a real optical system. J. Physics: Conf. Series. 1096.012120. DOI:10.1088/1742-6596/1096/1/012120.
Bobrinev V. I., Kovalev M. S., Odinokov S. B., Sagatelyan G. R. Investigation of the properties of a beam reconstructed from volume holographic optical elements used in optical observation devices Russ. Phys. J. 2016; 58(10): 1457–66. DOI:10.1007/s11182-016-0668-0.
Kovalev M. S., Krasin G. K., Odinokov S. B., Zherdev A. Y. Optical wavefields measurement by digital holography methods. J. Phys.: Conf. Series. 2018; 1096(1). DOI:10.1088/1742-6596/1096/1/012112.
АВТОРЫ
Пичугина Юлия Владимировна, e-mail: pichuginaa@yandex.ru, младший научный сотрудник, Лаборатория наноградиентной оптики, магнитных материалов и структур, Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН; аспирант, Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН, Москва, Россия
ORCID: 0000-0002-0095-2066
Мачихин Александр Сергеевич, д. т. н., ведущий научный сотрудник, Лаборатория акустооптической спектроскопии, Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-2864-3214
Ю. В. Пичугина 1, 2, А. С. Мачихин 1
Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН, Москва, Россия
Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН, Москва, Россия
Статья поступила: 22.02.2020
Принята к публикации: 18.03.2020
Введение
В настоящее время разработка, изучение и использование оптических пинцетов вызывают большой научный и практический интерес. Оптический пинцет представляет собой оптический инструмент, который позволяет манипулировать микроскопическими объектами с помощью лазерного света. Данный метод основан на возможности жесткой фокусировки лазерного излучения, в котором пространственно неоднородное оптическое поле вблизи перетяжки сильно сфокусированного лазерного луча формирует эффективную пространственную потенциальную яму.
Ключевым элементом оптического пинцета является система сканирования, предназначенная для управления пучком и его параметрами [1–2]. В большинстве существующих оптических пинцетов для управления положением световой ловушки используют зеркальные и зеркально-линзовые системы. Такие системы не позволяют быстро перемещать ловушку из одной произвольной точки поля зрения в другую из-за высокой инерционности систем перемещения зеркал и линз, а к юстировке схем на основе таких систем предъявляются высокие требования, что ведет к необходимости использовать дорогие и сложные приводные механизмы и делает невозможным создание нескольких световых ловушек одновременно. Системы управления, в основе которых лежат жидкокристаллические (немеханические) модуляторы оптического излучения, лишены некоторых недостатков, свойственных зеркальным и зеркально-линзовым системам, однако обладают низким быстродействием. В сравнении с известными системами манипулирования, акустооптический дефлектор характеризуется на порядок более высоким быстродействием, возможностью независимого управления несколькими оптическими ловушками, мгновенным, высокоточным, адресным (скачкообразным) перемещением ловушки в пределах поля зрения.
В данной работе рассматривается двухкоординатная акустооптическая (АО) сканирующая система для немеханического манипулирования микрообъектами с помощью оптического пинцета. В АО системе, положение ловушки определяется только частотой акустических волн, возбуждаемых в кристаллах. Скорость настройки ограничена в основном временем прохождения акустической волны в кристалле, которое обычно составляет несколько микросекунд [3].
Полученные результаты показывают преимущества и перспективы АО немеханического манипулирования микрообъектами с помощью оптического пинцета.
Принципиальная схема
Схема оптических пинцетов для манипулирования микрообъектами с помощью двумерного АО‑сканирования показана на рис. 1. Диаметр лазерного луча увеличен с помощью расширителя пучка, и после направлен к двухкоординатному акустооптическому дефлектору (АОД), который представляет собой две одинаковые ортогональные АО ячейки.
Первая АО ячейка отклоняет лазерный луч в меридиональной плоскости, вторая – в сагиттальной плоскости, так что диаметр луча не изменяется. Система линз необходима для сопряжения AO ячеек и микрообъектива, которая фокусирует лазерное излучение на исследуемый образец, расположенный в кювете. Двигая последнюю линзу можно перемещать перетяжку лазерного излучения вдоль оси, т. е. выполнять фокусировку пучка.
Цифровая камера с микроскопической системой визуализации размещена на противоположной стороне образца, и позволяет в режиме реального времени наблюдать и контролировать положение световой ловушки.
Акустооптический дефлектор
АО ячейка представляет собой кристалл ТеО2, к одному из краев которого прикреплен пьезопреобразователь. При подаче напряжения на пьезопреобразователь в кристалле распространяется акустическая волна, которая создает динамическую дифракционную решетку для лазерного пучка, проходящего через кристалл [4]. Изменяя и модулируя напряжение на АОД, первый дифракционный максимум лазерного пучка отклоняется на контролируемые углы. Возбуждение звуковых волн происходит при подаче сигналов от электронного драйвера на электроды. Драйвер состоит из генератора и широкополосного усилителя. Для реализации режима бегущей звуковой волны к противоположной грани кристалла прикреплен акустический поглотитель. Быстрая модуляция приводит к тому, что оптическая ловушка переключается между разными положениями, т. е. создается несколько ловушек. Схематическая конструкция и состав однокоординатной акустооптической сканирующей системы в режиме дифракции Брэгга показан на рис. 2.
Для двумерного пространственного сканирования дефлектор состоит из двух последовательных АО ячеек, повернутых на 90°. На рис. 3 показана схема двухкоординатного дефлектора с двухканальным электронным драйвером.
Для этого исследования мы разработали двухкоординатную сканирующую АО систему, состоящую из двух идентичных ячеек из кристаллов TeO2. Каждая из них работает в режиме анизотропной дифракции Брэгга. Разработанный дефлектор имеет типичную конфигурацию: угол падения света в кристалле θ0 = 5,56° и длину акустооптического взаимодействия L = 2 мм. Медленная сдвиговая акустическая волна в кристалле распространяется в плоскости (001) под углом α = 7,5° к направлению [110] (рис. 4а).
Вектор звуковой волны направлен под углом γ = 91,5° к оси [110] и по касательной к поверхности показателей преломления дифракционного света. Векторная диаграмма этого типа AO дифракции показана на рис. 4b.
Максимальные углы отклонения Δϕx × Δϕy можно рассчитать как:
(1)
(2)
где Δx × Δy – размеры образца, fMO – фокусное расстояние микрообъектива, ΓRS – увеличение релейной системы.
Угловое разрешение АОД ограничено дифракцией и не может превышать 1,22 (λ / D). Число положений Nx × Ny, разрешенных дефлектором, определяется отношением углового диапазона сканирования Δϕx × Δϕy и угловым разрешением:
(3)
(4)
где D0 – диаметр лазерного луча, λ – длина волны лазера.
Диаметр входного зрачка АО ячейки D должен быть больше, чем диаметр лазерного луча D0:
(5)
где ΓBE – увеличение расширителя пучка, d – начальный диаметр лазерного пучка.
Диапазон изменения частоты ультразвука, приложенного к АО ячейкам находится как:
(6)
С помощью этих формул мы можем вычислить параметры АО ячеек. Например, это необходимо для улавливания частиц диаметром δ = 1 мкм в диапазоне Δx × Δy = 100 мкм × 100 мкм, используя микрообъектив с fMO = 3,6 мм, и He-Ne лазер (λ = 632,8 нм) с диаметром пучка d = 1,2 мм. Используя формулы, мы установили параметры нашей установки: ГBE = 5, ГRS = 1, D0 = 6 мм, Δϕx × Δϕy ≈ 1,5° × 1,5°, Nx × Ny ≈ 250 × 250, Δf = 32 МГц. В настоящее время мы собираем установку, показанную на рис. 1 с приведенными параметрами.
Заключение
В данной работе обсуждается АО двумерная система отклонения для немеханического манипулирования микрообъектами с помощью оптического пинцета. Мы разработали и изготовили ячейки АО, которые могут стать основой такой сканирующей системы. Правильное назначение параметров АОД и параметров других компонентов позволяет построить систему оптического захвата [5–7].
REFERENCES
Grover S., Skirtach A., Gauthier R., Grover C. Automated single-cell sorting system based on optical trapping. J. Biomed. Opt. 2001; 6 (1): 14–22. DOI: 10.1117 / 1.1333676.
Jing Liu, Zhiyuan Li. Controlled Mechanical Motions of Microparticles in Optical Tweezers Micromachines. 2018; 9(5): 232. DOI: 10.3390 / mi9050232.
Merenda F., Rohner J., Fournier J., Salathé R. Miniaturized high-NA focusing-mirror multiple optical tweezers. Opt. Express. 2007;15 (10): 6075–6086. DOI: 10.1364 / oe.15.006075.
Магдич Л.Н., Молчанов В. Я. Акустооптические устройства и их применение. – М.: Сов.радио. 1978. 112 с.
Magdich L. N., Molchano V. Y. Acoustooptic devices and their applications. – M.: Sov.radio. 1978. 112 p.
Галкин М. Л., Носов П. А., Ковалев М. С., Вереникина Н. М. Расчет и анализ распределения поля лазерного пучка после реальной оптической системы. J. Physics: Conf. Series. 1096.012120. DOI:10.1088/1742-6596/1096/1/012120.
Galkin M. L., Nosov P. A., Kovalev M. S., Verenikina N. M. Calculation and analysis of the laser beam field distribution after a real optical system. J. Physics: Conf. Series. 1096.012120. DOI:10.1088/1742-6596/1096/1/012120.
Bobrinev V. I., Kovalev M. S., Odinokov S. B., Sagatelyan G. R. Investigation of the properties of a beam reconstructed from volume holographic optical elements used in optical observation devices Russ. Phys. J. 2016; 58(10): 1457–66. DOI:10.1007/s11182-016-0668-0.
Kovalev M. S., Krasin G. K., Odinokov S. B., Zherdev A. Y. Optical wavefields measurement by digital holography methods. J. Phys.: Conf. Series. 2018; 1096(1). DOI:10.1088/1742-6596/1096/1/012112.
АВТОРЫ
Пичугина Юлия Владимировна, e-mail: pichuginaa@yandex.ru, младший научный сотрудник, Лаборатория наноградиентной оптики, магнитных материалов и структур, Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН; аспирант, Институт общей физики им. А. М. Прохорова РАН, Москва, Россия
ORCID: 0000-0002-0095-2066
Мачихин Александр Сергеевич, д. т. н., ведущий научный сотрудник, Лаборатория акустооптической спектроскопии, Научно-технологический центр уникального приборостроения РАН, Москва, Россия.
ORCID: 0000-0002-2864-3214
Отзывы читателей
