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.

sitemap
Наш сайт использует cookies. Продолжая просмотр, вы даёте согласие на обработку персональных данных и соглашаетесь с нашей Политикой Конфиденциальности
Согласен
Поиск:

Вход
Архив журнала
Журналы
Медиаданные
Редакционная политика
Реклама
Авторам
Контакты
TS_pub
technospheramag
technospheramag
ТЕХНОСФЕРА_РИЦ
© 2001-2025
РИЦ Техносфера
Все права защищены
Тел. +7 (495) 234-0110
Оферта

Яндекс.Метрика
R&W
 
 
Вход:

Ваш e-mail:
Пароль:
 
Регистрация
Забыли пароль?
Книги по фотонике
Урик Винсент Дж.-мл., МакКинни Джейсон Д., Вилльямс Кейт Дж.
Другие серии книг:
Мир фотоники
Библиотека Института стратегий развития
Мир квантовых технологий
Мир математики
Мир физики и техники
Мир биологии и медицины
Мир химии
Мир наук о Земле
Мир материалов и технологий
Мир электроники
Мир программирования
Мир связи
Мир строительства
Мир цифровой обработки
Мир экономики
Мир дизайна
Мир увлечений
Мир робототехники и мехатроники
Для кофейников
Мир радиоэлектроники
Библиотечка «КВАНТ»
Умный дом
Мировые бренды
Вне серий
Библиотека климатехника
Мир транспорта
Мир станкостроения
Мир метрологии
Мир энергетики
Книги, изданные при поддержке РФФИ
Выпуск #3/2020
Ю.В. Пичугина, А.С. Мачихин
Разработка акустооптического устройства для управления положением микрообъектов
Просмотры: 3146
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.
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
 
 Отзывы читателей
Разработка: студия Green Art