eng
Выпуск #4/2016
С.Котова, А.Майорова, А.Коробцов, Н.Лосевский, С.Самагин
Жидкокристаллический фокусатор
Жидкокристаллический фокусатор
Просмотры: 3820
Создание сложных световых полей для реализации разнообразных оптических ловушек и их массивов, для управления фокусным расстоянием изображающих систем необходимо в биомедицине, астрономии, наноиндустрии. Уникальные возможности многоэлементных пространственных модуляторов света – формировать динамически управляемые световые поля с разнообразной структурой – находят широкое применение в схемах оптических пинцетов.
DOI:10.22184/1993-7296.2016.58.4.112.124
DOI:10.22184/1993-7296.2016.58.4.112.124
Теги: light fields liquid crystal modulator optical traps жидкокристаллический модулятор оптические ловушки световые поля
МОДАЛЬНЫЙ ПРИНЦИП УПРАВЛЕНИЯ И ЖК УСТРОЙСТВА НА ЕГО ОСНОВЕ
Модальный принцип управления жидкокристаллическими (ЖК) пространственными модуляторами был предложен более четверти века назад и впервые описан в работах [1, 2]. Авторы работ рассматривали принципиально новый подход формирования непрерывного профиля фазового пропускания слоя нематического ЖК с большой апертурой. В конструкцию модулятора на низкоомное покрытие с отверстием, играющим роль апертуры, вносится дополнительный однородный высокоомный прозрачный слой – управляющий электрод. Это позволяет реализовать адаптивные линзы различных конфигураций, управлять фокусирующими свойствами которых можно за счет изменения амплитуды и частоты напряжения. Возможность использования для управления параметрами ЖК-линзы частоты управляющего напряжения, а не только амплитуды, принципиально отличает рассматриваемый подход от подхода, описанного в [3, 4], где профиль фазовой задержки формируется за счет краевого поля. Кроме того, апертура реализованных линз, описанных в [3, 4] ограничена несколькими сотнями микрометров, а за счет использования управляющего электрода эти ограничения были сняты. На основе рассматриваемого подхода был разработан ряд модальных ЖК устройств: сферические и цилиндрические адаптивные линзы с размером апертуры более 1 мм с управляющими напряжениями не более 10 В, корректоры волнового фронта с перестраиваемой функцией отклика, адаптивные линзы с оптически управляемым фокусным расстоянием [2, 5–8].
Поскольку в ЖК-устройствах с модальным принципом управления используются всего несколько электродов и низкие управляющие напряжения, такие устройства характеризуются технологичностью изготовления, простотой управления и относительно невысокой стоимостью. Поэтому задача создания компактных и недорогих систем с использованием модальных ЖК-устройств по-прежнему является актуальной и активно исследуется в последнее десятилетие. Результатами этих исследований стало расширение возможностей рассматриваемых устройств и создание новых. Так, было показано [9], что изменяя режимы управления, модальные ЖК-линзы можно использовать для формирования наклонных и астигматических волновых фронтов, а также для реализации управляемых аксиконов. За счет использования нового резистивного покрытия и изменения геометрии удалось добиться уменьшения фокусного расстояния жидкокристаллических линз [10]. Использование двух высокорезистивных слоев и шести контактных электродов позволило авторам [11, 12] реализовать двумерную матрицу модальных ЖК линз – микроаксиконов, параметрами которых можно управлять в зависимости от прикладываемого напряжения. В [13] показано, что структура на основе ЖК и высокоомного слоя может использоваться в качестве спиральной фазовой пластики для формирования вихревых световых полей. Нами был предложен ЖК модулятор с четырьмя контактными электродами (ЖК фокусатор) [14–16], принцип действия и функциональные возможности которого описаны ниже.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЖК ФОКУСАТОРА
Жидкокристаллический фокусатор представляет собой устройство, реализованное на основе скрещенных подложек цилиндрических модальных ЖК линз, объединенных в одну конструкцию (см. рис.1). На стеклянные подложки наносятся прозрачные высокоомные покрытия (поверхностное сопротивление от 100 кОм/квадрат и до единиц МОм/квадрат) и низкоомные непрозрачные полосковые контакты. Подложки располагаются так, чтобы их контактные электроды были перпендикулярны друг другу. Между подложками заключается слой нематического ЖК, толщина которого задается прокладками, а первоначальная планарная ориентация – нанесенными на подложки ориентирующими покрытиями. В наших экспериментах использовался ЖК марки BL037 фирмы Merck, толщиной 10 мкм, апертура устройства составляла 1x1 мм. Тип используемого ЖК определяет спектральный диапазон, в котором может происходить модуляция света. В нашем случае – это видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра. Если к контактам устройства приложены переменные электрические потенциалы с заданной амплитудой и фазой, то в области апертуры устройства формируется пространственное распределение действующего значения напряжения, приводящее к переориентации молекул жидкого кристалла (S-эффект). Это приводит к изменению пространственного распределения фазовой задержки, вносимой ЖК слоем в проходящую световую волну.
Подробно принцип действия устройства, его математическая модель и основные режимы работы описаны в [14–16]. В частности, было показано, что практически значимые распределения фазовой задержки могут быть получены в режиме работы с малым модальным параметром, для реализации которого нужно уменьшить определенным образом частоту и/или сопротивление высокоомных покрытий. В этом режиме влияние частоты на распределение напряжения становится пренебрежимо малым, и его вид (и соответственно форма профиля фазовой задержки) определяются амплитудами и относительными фазами потенциалов.
Эквипотенциальные линии потенциалов в рабочей области устройства могут быть двух типов: эллиптического (в виде эллипсов и окружностей) и параболического (в частном случае, в виде параллельных прямых линий). Эти распределения потенциалов преобразуются в соответствующие фазовые профили в виде эллиптического и кругового усеченных конусов либо цилиндрической поверхности (примеры соответствующих фазовых профилей приведены на рис.2).
СВЕТОВЫЕ ПОЛЯ,
ФОРМИРУЕМЫЕ ЖК ФОКУСАТОРОМ
Четырех канальный ЖК модулятор позволяет фокусировать световое поле в точку и формировать поля с поперечным распределением интенсивности в виде отрезка, а также так называемые контурные световые поля (с поперечным распределением интенсивности в виде колец, эллипсов) (рис.3).
Для получения контурных световых полей либо фокусировки поля в точку необходимо сформировать фазовый профиль в виде усеченного кругового конуса. При прохождении плоской однородной световой волны через оптический транспарант с таким фазовым пропусканием в области дифракции Френеля, на небольшом расстоянии от ЖК фокусатора, в поперечной плоскости точки с максимальной интенсивностью будут располагаться на контуре кривой, повторяющей форму эквипотенциальных линий профиля напряжения. Таким образом, на общем фоне будет формироваться довольно яркое световое кольцо, для которого соотношение интенсивности светового контура к интенсивности окружающей темной области составляет 5–15 в зависимости от апертуры устройства и толщины ЖК слоя. Размеры кольца уменьшаются с ростом расстояния от фокусатора, и в некоторой плоскости распределение интенсивности фокусируется в точечное пятно (рис.4). Заметим, что поскольку кольца, а затем и пятна формируются в некотором диапазоне расстояний вдоль оси распространения излучения, то можно говорить о формировании ЖК фокусатором полой световой трубки, а в дальней зоне – продольного светового отрезка [17].
Аналогично полям с поперечным распределением интенсивности в виде кольца можно получать световые поля с поперечным распределением в виде эллипса. Для этого нужно формировать фазовый профиль ЖК фокусатора в форме эллиптического конуса. Одновременно можно реализовать распределения напряжения с эллиптическими эквипотенциальными линиями с произвольной ориентацией главных осей относительно границ апертуры. В таком случае напряжения, подаваемые на контакты, будут определенным образом зависеть от амплитуды на одном из контактов, координат центра эллиптического конуса, отношения его осей и угла поворота главных осей эллипса относительно границ апертуры ЖК фокусатора. Понятно, что эти зависимости более сложные, чем в случае ориентации главных осей эллипса параллельно границам амплитуды. Формируя эллиптический профиль фазовой задержки с произвольной ориентацией главных осей эллипса, можно получать соответствующие распределения интенсивности света.
Если сформировать распределения напряжения в виде эллипса, размеры которого будут несколько больше размеров апертуры, то линии с постоянной фазой профиля фазовой задержки будут не замкнуты в пределах апертуры, то есть иметь вид дуг окружностей или эллипсов. Это позволит получить в ближней зоне от фокусатора распределение светового поля, в котором точки с максимальной интенсивностью расположены по контуру аналогичной кривой, т. е. в виде дуги окружности или эллипса.
Для фокусировки света в поперечный отрезок нужно сформировать профиль фазовой задержки в виде поверхности цилиндрической линзы. Для этого необходимо задать распределения напряжения с эквипотенциальными линиями в виде параллельных прямых. Оптический транспарант с таким фазовым пропусканием будет фокусировать плоскую однородную световую волну в световой отрезок, положением и ориентацией которого можно управлять за счет изменения амплитуды и/или фазы приложенных к контактам потенциалов (рис.5).
УПРАВЛЕНИЕ СВЕТОВЫМИ ПОЛЯМИ,
СФОРМИРОВАННЫМИ ЖК ФОКУСАТОРОМ
Управление размерами поперечных распределений интенсивности
Для формирования светового кольца используется профиль фазовой задержки в виде усеченного конуса. Размеры кольца будут зависеть от ширины и глубины фазового прогиба фазового профиля. Изменяя потенциалы на контактах ЖК фокусатора, можно управлять глубиной фазового прогиба и, следовательно, размерами светового кольца в заданной плоскости. Чем больше амплитуда потенциалов, подаваемых на контакты ЖК фокусатора, тем меньше радиус кольца (рис.6). Аналогично можно менять размеры световых полей с поперечным распределением интенсивности в виде эллипса.
Управление формой световых полей
Меняя параметры управляющего напряжения, можно менять форму поперечного распределения интенсивности от кольца к эллипсу и наоборот. Например, если требуется преобразовать распределение напряжения так, чтобы эквипотенциальные линии в виде окружностей перешли в эллиптические без смещения центра, то нужно амплитуды потенциалов на одной из подложек изменить на одну и ту же величину (рис.7).
Управление положением световых колец и сфокусированных пятен
Изменяя амплитуду и/или фазу приложенных к контактам потенциалов, можно управлять положением центра основания кругового конуса. Соответственно, можно контролировать положение сформированного светового точечного пятна или кольца и перемещать эти распределения в заданной плоскости в пределах области отображения апертуры фокусатора.
Возможность перемещения световых колец либо эллипсов позволяет реализовать еще один способ формирования С-образных распределений. Незамкнутость линий постоянной фазы профиля фазовой задержки будет обеспечиваться смещением центров эллиптического либо кругового конуса к границам апертуры.
Управление ориентацией и положением световых отрезков и эллипсов
Распределения в виде отрезков либо эллипсов можно поворачивать (менять их ориентацию относительно границ апертуры), а также перемещать. При этом задача перемещения формируемых ЖК фокусатором полей в виде эллипсов произвольной ориентации либо распределений в виде световых отрезков существенно усложняется по сравнению с задачей перемещения распределения интенсивности в виде концентрических колец либо сфокусированных пятен. Однако и для этих случаев соотношения между параметрами фокусатора для реализации перемещений эллипсов и отрезков произвольной ориентации (в том числе с их одновременным поворотом) были получены [18], и соответствующие перемещения световых полей реализованы экспериментально. Так, два последних столбца на рис.3 иллюстрируют перемещение и поворот светового поля в виде эллипса.
Важно отметить, что управлять световыми полями – их формой и размерами – можно очень плавно (теоретически непрерывно). Такая возможность обеспечивается использованием в ЖК фокусаторе сплошного управляющего электрода для формирования распределения напряжений в области апертуры. Это позволяет получить гладкий непрерывный профиль фазовой задержки и плавно менять распределение напряжения на апертуре фокусатора путем изменения потенциалов на контактных электродах. На практике возможность плавного управления ограничивается дискретностью управляющих напряжений, подаваемых с блока управления, и может быть улучшена за счет уменьшения степени дискретности.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО МАНИПУЛЯЦИИ
Одним из возможных применений ЖК фокусатора является его использование в схеме оптического пинцета. Впервые эксперименты по оптической микроманипуляции с использованием ЖК устройств с модальным принципом управления были реализованы авторами работы [19]. ЖК линза выполняла дополнительную фокусировку излучения в точку на требуемом расстоянии. Перемещение микрообъекта осуществлялось с помощью двумерного ЖК дефлектора (призмы), который позволял менять угол наклона света, падающего на линзу. Четырехканальный ЖК модулятор позволил совместить обе эти функции, вместе с тем, наряду с управляемыми точечными ловушками, были реализованы контурные ловушки (в виде колец и эллипсов) [20], С-образные ловушки [20], ловушки в виде световых отрезков [21, 22].
Отличительной особенностью ЖК фокусатора является то, что он работает в режиме пропускания (хотя при необходимости может быть реализован и режим отражения), что позволяет конструктивно упростить схему встраивания его в оптический манипулятор (рис.8). Были реализованы разнообразные эксперименты по захвату и манипулированию отдельными микрочастицами, а также их группами. В качестве микрообъектов использовались взвешенные в воде сферы латекса различных диаметров, частицы алюминия, серебра, и их конгломераты, а также микрообъекты биологического происхождения. На рис.9–14 приведены кадры видеосъемки соответствующих экспериментов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассматриваемый четырехканальный ЖК модулятор позволяет реализовать фазовые задержки в виде усеченных конусов – цилиндрического и эллиптического с произвольной ориентацией, а также в виде квазицилиндрической линзы. Таким образом, используя всего четыре управляющих контакта, можно формировать разнообразные распределения интенсивности в виде колец, эллипсов и отрезков произвольной ориентации и за счет использования сплошного электрода очень плавно управлять их размерами, положением, формой за счет изменения потенциалов. Использование ЖК фокусатора в схеме оптического пинцета позволяет реализовать динамически управляемые точечные и контурные оптические ловушки, а также ловушки в виде световых отрезков. При этом за счет того, что рассматриваемый фокусатор работает в режиме пропускания, схема оптического пинцета упрощается, уменьшаются его габариты. Заметим, что ЖК фокусатор может быть выполнен в конструктивном варианте для работы на отражение. В силу рефракционного характера действия четырехканальный ЖК модулятор обладает большей эффективностью по сравнению с могопиксельными модуляторами, которые характеризуются дифракционными потерями. Устройство работает в видимом и ближнем ИК-диапазонах и обладает достаточно высокой лучевой прочностью: эксперименты проводились при плотностях мощности излучения, падающей на фокусатор, до 30 Вт/см 2.
Таким образом, функциональные возможности четырехканального ЖК модулятора с учетом его технологических особенностей и относительно невысокой стоимости позволяют говорить о перспективности его использования в различных прикладных задачах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Abramochkin E.G., Vasiliev A.A., Vashurin P.V., Zhmurova L.I., Ignatov V.A., Naumov A.F. Controlled liquid crystal lens. – Prepr. PN Lebedev Phys. Inst., 1988, 194, 18.
2. Naumov A.F., Loktev M.Y., Guralnik I.R., Vdovin G.V. Liquid-crystal adaptive lenses with modal control. – Opt. Lett., 1998, v.23 p.992–994.
3. Nose T., Masuda S., Sato S. Optical properties of a hybrid-aligned liquid crystal microlens. – Molecular Crystals and Liquid Crystals, 1991, v.199, p.27–35.
4. Nose T., Masuda S., Sato S. A liquid crystal microlens with hole-patterned electrodes on both substrates. – Jpn. J. Appl. Phys., 1992, v.31, p.1643–1646.
5. Vdovin G.V., Guralnik I.R., Kotova S.P., Loktev M.Y., Naumov A.F. Liquid-crystal lenses with a controlled focal length. I. Theory. – Quantum Electron., 1999, v.29, p.256–260.
6. Vdovin G.V., Guralnik I.R., Kotova S.P., Loktev M.Y., Naumov A.F. Liquid-crystal lenses with a controlled focal length. II. Numerical optimisation and experiments. – Quantum Electron., 1999, v.29 p.261–264.
7. Kotova S.P., P. Clark, Guralnik I.R., Klimov N.A., Kvashnin M.Y., Loktev M.Y., Love G.D., Naumov A.F., Rakhmatulin M.A., Saunter C.D., Vdovin G.V., Zayakin O.A. Technology and electro-optical properties of modal liquid crystal wavefront correctors. – J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 2003, v.5, №5, S231–8.
8. Vdovin G.V., Loktev M.Y., Guralnik I.R., Zayakin O.A., Kotova S.P., Naumov A.F., Patlan V.V., Samagin S.A., Klimov N.A. Modal liquid crystal wavefront correctors. – Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2008, v.72, № 1, p.71–77.
9. Kirby A.K., Hands P.J., Love G.D. Liquid crystal multi-mode lenses and axicons based on electronic phase shift control. – Opt. Express, 2007, v.15, p.13496–13501.
10. Fraval N., de Bougrenet de la Tocnaye J.L. Low aberrations symmetrical adaptive modal liquid crystal lens with short focal lengths. – Appl. Opt., 2010, v.49, p.2778–2783.
11. Algorri J.F., Urruchi V., Bennis N., Sбnchez-Pena J.M. Modal liquid crystal microaxicon array. – Opt. Lett., 2014, v.39, p.3476–3479.
12. Algorri J.F., Love G.D., Urruchi V. Modal liquid crystal array of optical elements. – Opt. Express, 2013, v.21, p.24809–24818.
13. Algorri J.F., Urruchi V., Garcia-Cбmara B., Sбnchez-Pena J.M. Generation of Optical Vortices by an Ideal Liquid Crystal Spiral Phase Plate. – Electron Device Letters, IEEE, 2014, v.35, Issue: 8, p.856–858.
14. Kotova S.P., Patlan V.V., Samagin S.A. Tunable liquid-crystal focusing device. 1. Theory. – Quantum Electronics, 2011, v.41 (1), p.58–64.
15. Kotova S.P., Patlan V.V., Samagin S.A. Tunable liquid-crystal focusing device. 2. Experiment. – Quantum Electronics, 2011, v.41 (1), p.65–70.
16. Kotova S.P., Patlan V.V., Samagin S.A. Focusing light into a line segment of arbitrary orientation using a four-channel liquid crystal light modulator. – Journal of Optics, 2013, v.15 (3), p.035706.
17. Котова С.П., Майорова А.М., Самагин С.А. Анализ световых полей, формируемых ЖК фокусатором, применительно к задачам трехмерной оптической манипуляции. – Известия высших учебных заведений. Физика, 2015, т. 58, № 10, с.22–28.
18. Kotova S., Mayorova A., Samagin S. Tunable 4-channel LC focusing device: summarized results and additional functional capabilities. – Journal of Optics, 2015, v.17, №5, p.055602.
19. Ph. J. W. Hands, S.A. Tatarkova, A.K. Kirby, G.D. Love. Modal liquid crystal devices in optical tweezing: 3D control and oscillating potential wells. – Optics express, 2006, v.14, №10, p.4525–4537.
20. Коробцов А.В., Котова С.П., Лосевский Н.Н., Майорова А.М., Самагин С.А. Формирование контурных оптических ловушек с помощью 4-х канального ЖК фокусатора. – Квантовая электроника, 2014, т.44, с.1157–1164.
21. Korobtsov A., Kotova S., Losevsky N., Mayorova A., Patlan V., Samagin S. Optical trap formation with a four-channel liquid crystal light modulator. – Journal of Optics, 2014, v.16, p.035704.
22. Korobtsov A., Kotova S., Losevsky N., Mayorova A., Samagin S. Line optical traps formed by LC SLM. – Journal of Biomedical Photonics & Engineering, 2015, v.1, № 1, p.64–69.
Модальный принцип управления жидкокристаллическими (ЖК) пространственными модуляторами был предложен более четверти века назад и впервые описан в работах [1, 2]. Авторы работ рассматривали принципиально новый подход формирования непрерывного профиля фазового пропускания слоя нематического ЖК с большой апертурой. В конструкцию модулятора на низкоомное покрытие с отверстием, играющим роль апертуры, вносится дополнительный однородный высокоомный прозрачный слой – управляющий электрод. Это позволяет реализовать адаптивные линзы различных конфигураций, управлять фокусирующими свойствами которых можно за счет изменения амплитуды и частоты напряжения. Возможность использования для управления параметрами ЖК-линзы частоты управляющего напряжения, а не только амплитуды, принципиально отличает рассматриваемый подход от подхода, описанного в [3, 4], где профиль фазовой задержки формируется за счет краевого поля. Кроме того, апертура реализованных линз, описанных в [3, 4] ограничена несколькими сотнями микрометров, а за счет использования управляющего электрода эти ограничения были сняты. На основе рассматриваемого подхода был разработан ряд модальных ЖК устройств: сферические и цилиндрические адаптивные линзы с размером апертуры более 1 мм с управляющими напряжениями не более 10 В, корректоры волнового фронта с перестраиваемой функцией отклика, адаптивные линзы с оптически управляемым фокусным расстоянием [2, 5–8].
Поскольку в ЖК-устройствах с модальным принципом управления используются всего несколько электродов и низкие управляющие напряжения, такие устройства характеризуются технологичностью изготовления, простотой управления и относительно невысокой стоимостью. Поэтому задача создания компактных и недорогих систем с использованием модальных ЖК-устройств по-прежнему является актуальной и активно исследуется в последнее десятилетие. Результатами этих исследований стало расширение возможностей рассматриваемых устройств и создание новых. Так, было показано [9], что изменяя режимы управления, модальные ЖК-линзы можно использовать для формирования наклонных и астигматических волновых фронтов, а также для реализации управляемых аксиконов. За счет использования нового резистивного покрытия и изменения геометрии удалось добиться уменьшения фокусного расстояния жидкокристаллических линз [10]. Использование двух высокорезистивных слоев и шести контактных электродов позволило авторам [11, 12] реализовать двумерную матрицу модальных ЖК линз – микроаксиконов, параметрами которых можно управлять в зависимости от прикладываемого напряжения. В [13] показано, что структура на основе ЖК и высокоомного слоя может использоваться в качестве спиральной фазовой пластики для формирования вихревых световых полей. Нами был предложен ЖК модулятор с четырьмя контактными электродами (ЖК фокусатор) [14–16], принцип действия и функциональные возможности которого описаны ниже.
ПРИНЦИП ДЕЙСТВИЯ ЖК ФОКУСАТОРА
Жидкокристаллический фокусатор представляет собой устройство, реализованное на основе скрещенных подложек цилиндрических модальных ЖК линз, объединенных в одну конструкцию (см. рис.1). На стеклянные подложки наносятся прозрачные высокоомные покрытия (поверхностное сопротивление от 100 кОм/квадрат и до единиц МОм/квадрат) и низкоомные непрозрачные полосковые контакты. Подложки располагаются так, чтобы их контактные электроды были перпендикулярны друг другу. Между подложками заключается слой нематического ЖК, толщина которого задается прокладками, а первоначальная планарная ориентация – нанесенными на подложки ориентирующими покрытиями. В наших экспериментах использовался ЖК марки BL037 фирмы Merck, толщиной 10 мкм, апертура устройства составляла 1x1 мм. Тип используемого ЖК определяет спектральный диапазон, в котором может происходить модуляция света. В нашем случае – это видимый и ближний инфракрасный диапазоны спектра. Если к контактам устройства приложены переменные электрические потенциалы с заданной амплитудой и фазой, то в области апертуры устройства формируется пространственное распределение действующего значения напряжения, приводящее к переориентации молекул жидкого кристалла (S-эффект). Это приводит к изменению пространственного распределения фазовой задержки, вносимой ЖК слоем в проходящую световую волну.
Подробно принцип действия устройства, его математическая модель и основные режимы работы описаны в [14–16]. В частности, было показано, что практически значимые распределения фазовой задержки могут быть получены в режиме работы с малым модальным параметром, для реализации которого нужно уменьшить определенным образом частоту и/или сопротивление высокоомных покрытий. В этом режиме влияние частоты на распределение напряжения становится пренебрежимо малым, и его вид (и соответственно форма профиля фазовой задержки) определяются амплитудами и относительными фазами потенциалов.
Эквипотенциальные линии потенциалов в рабочей области устройства могут быть двух типов: эллиптического (в виде эллипсов и окружностей) и параболического (в частном случае, в виде параллельных прямых линий). Эти распределения потенциалов преобразуются в соответствующие фазовые профили в виде эллиптического и кругового усеченных конусов либо цилиндрической поверхности (примеры соответствующих фазовых профилей приведены на рис.2).
СВЕТОВЫЕ ПОЛЯ,
ФОРМИРУЕМЫЕ ЖК ФОКУСАТОРОМ
Четырех канальный ЖК модулятор позволяет фокусировать световое поле в точку и формировать поля с поперечным распределением интенсивности в виде отрезка, а также так называемые контурные световые поля (с поперечным распределением интенсивности в виде колец, эллипсов) (рис.3).
Для получения контурных световых полей либо фокусировки поля в точку необходимо сформировать фазовый профиль в виде усеченного кругового конуса. При прохождении плоской однородной световой волны через оптический транспарант с таким фазовым пропусканием в области дифракции Френеля, на небольшом расстоянии от ЖК фокусатора, в поперечной плоскости точки с максимальной интенсивностью будут располагаться на контуре кривой, повторяющей форму эквипотенциальных линий профиля напряжения. Таким образом, на общем фоне будет формироваться довольно яркое световое кольцо, для которого соотношение интенсивности светового контура к интенсивности окружающей темной области составляет 5–15 в зависимости от апертуры устройства и толщины ЖК слоя. Размеры кольца уменьшаются с ростом расстояния от фокусатора, и в некоторой плоскости распределение интенсивности фокусируется в точечное пятно (рис.4). Заметим, что поскольку кольца, а затем и пятна формируются в некотором диапазоне расстояний вдоль оси распространения излучения, то можно говорить о формировании ЖК фокусатором полой световой трубки, а в дальней зоне – продольного светового отрезка [17].
Аналогично полям с поперечным распределением интенсивности в виде кольца можно получать световые поля с поперечным распределением в виде эллипса. Для этого нужно формировать фазовый профиль ЖК фокусатора в форме эллиптического конуса. Одновременно можно реализовать распределения напряжения с эллиптическими эквипотенциальными линиями с произвольной ориентацией главных осей относительно границ апертуры. В таком случае напряжения, подаваемые на контакты, будут определенным образом зависеть от амплитуды на одном из контактов, координат центра эллиптического конуса, отношения его осей и угла поворота главных осей эллипса относительно границ апертуры ЖК фокусатора. Понятно, что эти зависимости более сложные, чем в случае ориентации главных осей эллипса параллельно границам амплитуды. Формируя эллиптический профиль фазовой задержки с произвольной ориентацией главных осей эллипса, можно получать соответствующие распределения интенсивности света.
Если сформировать распределения напряжения в виде эллипса, размеры которого будут несколько больше размеров апертуры, то линии с постоянной фазой профиля фазовой задержки будут не замкнуты в пределах апертуры, то есть иметь вид дуг окружностей или эллипсов. Это позволит получить в ближней зоне от фокусатора распределение светового поля, в котором точки с максимальной интенсивностью расположены по контуру аналогичной кривой, т. е. в виде дуги окружности или эллипса.
Для фокусировки света в поперечный отрезок нужно сформировать профиль фазовой задержки в виде поверхности цилиндрической линзы. Для этого необходимо задать распределения напряжения с эквипотенциальными линиями в виде параллельных прямых. Оптический транспарант с таким фазовым пропусканием будет фокусировать плоскую однородную световую волну в световой отрезок, положением и ориентацией которого можно управлять за счет изменения амплитуды и/или фазы приложенных к контактам потенциалов (рис.5).
УПРАВЛЕНИЕ СВЕТОВЫМИ ПОЛЯМИ,
СФОРМИРОВАННЫМИ ЖК ФОКУСАТОРОМ
Управление размерами поперечных распределений интенсивности
Для формирования светового кольца используется профиль фазовой задержки в виде усеченного конуса. Размеры кольца будут зависеть от ширины и глубины фазового прогиба фазового профиля. Изменяя потенциалы на контактах ЖК фокусатора, можно управлять глубиной фазового прогиба и, следовательно, размерами светового кольца в заданной плоскости. Чем больше амплитуда потенциалов, подаваемых на контакты ЖК фокусатора, тем меньше радиус кольца (рис.6). Аналогично можно менять размеры световых полей с поперечным распределением интенсивности в виде эллипса.
Управление формой световых полей
Меняя параметры управляющего напряжения, можно менять форму поперечного распределения интенсивности от кольца к эллипсу и наоборот. Например, если требуется преобразовать распределение напряжения так, чтобы эквипотенциальные линии в виде окружностей перешли в эллиптические без смещения центра, то нужно амплитуды потенциалов на одной из подложек изменить на одну и ту же величину (рис.7).
Управление положением световых колец и сфокусированных пятен
Изменяя амплитуду и/или фазу приложенных к контактам потенциалов, можно управлять положением центра основания кругового конуса. Соответственно, можно контролировать положение сформированного светового точечного пятна или кольца и перемещать эти распределения в заданной плоскости в пределах области отображения апертуры фокусатора.
Возможность перемещения световых колец либо эллипсов позволяет реализовать еще один способ формирования С-образных распределений. Незамкнутость линий постоянной фазы профиля фазовой задержки будет обеспечиваться смещением центров эллиптического либо кругового конуса к границам апертуры.
Управление ориентацией и положением световых отрезков и эллипсов
Распределения в виде отрезков либо эллипсов можно поворачивать (менять их ориентацию относительно границ апертуры), а также перемещать. При этом задача перемещения формируемых ЖК фокусатором полей в виде эллипсов произвольной ориентации либо распределений в виде световых отрезков существенно усложняется по сравнению с задачей перемещения распределения интенсивности в виде концентрических колец либо сфокусированных пятен. Однако и для этих случаев соотношения между параметрами фокусатора для реализации перемещений эллипсов и отрезков произвольной ориентации (в том числе с их одновременным поворотом) были получены [18], и соответствующие перемещения световых полей реализованы экспериментально. Так, два последних столбца на рис.3 иллюстрируют перемещение и поворот светового поля в виде эллипса.
Важно отметить, что управлять световыми полями – их формой и размерами – можно очень плавно (теоретически непрерывно). Такая возможность обеспечивается использованием в ЖК фокусаторе сплошного управляющего электрода для формирования распределения напряжений в области апертуры. Это позволяет получить гладкий непрерывный профиль фазовой задержки и плавно менять распределение напряжения на апертуре фокусатора путем изменения потенциалов на контактных электродах. На практике возможность плавного управления ограничивается дискретностью управляющих напряжений, подаваемых с блока управления, и может быть улучшена за счет уменьшения степени дискретности.
ЭКСПЕРИМЕНТЫ ПО МАНИПУЛЯЦИИ
Одним из возможных применений ЖК фокусатора является его использование в схеме оптического пинцета. Впервые эксперименты по оптической микроманипуляции с использованием ЖК устройств с модальным принципом управления были реализованы авторами работы [19]. ЖК линза выполняла дополнительную фокусировку излучения в точку на требуемом расстоянии. Перемещение микрообъекта осуществлялось с помощью двумерного ЖК дефлектора (призмы), который позволял менять угол наклона света, падающего на линзу. Четырехканальный ЖК модулятор позволил совместить обе эти функции, вместе с тем, наряду с управляемыми точечными ловушками, были реализованы контурные ловушки (в виде колец и эллипсов) [20], С-образные ловушки [20], ловушки в виде световых отрезков [21, 22].
Отличительной особенностью ЖК фокусатора является то, что он работает в режиме пропускания (хотя при необходимости может быть реализован и режим отражения), что позволяет конструктивно упростить схему встраивания его в оптический манипулятор (рис.8). Были реализованы разнообразные эксперименты по захвату и манипулированию отдельными микрочастицами, а также их группами. В качестве микрообъектов использовались взвешенные в воде сферы латекса различных диаметров, частицы алюминия, серебра, и их конгломераты, а также микрообъекты биологического происхождения. На рис.9–14 приведены кадры видеосъемки соответствующих экспериментов.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассматриваемый четырехканальный ЖК модулятор позволяет реализовать фазовые задержки в виде усеченных конусов – цилиндрического и эллиптического с произвольной ориентацией, а также в виде квазицилиндрической линзы. Таким образом, используя всего четыре управляющих контакта, можно формировать разнообразные распределения интенсивности в виде колец, эллипсов и отрезков произвольной ориентации и за счет использования сплошного электрода очень плавно управлять их размерами, положением, формой за счет изменения потенциалов. Использование ЖК фокусатора в схеме оптического пинцета позволяет реализовать динамически управляемые точечные и контурные оптические ловушки, а также ловушки в виде световых отрезков. При этом за счет того, что рассматриваемый фокусатор работает в режиме пропускания, схема оптического пинцета упрощается, уменьшаются его габариты. Заметим, что ЖК фокусатор может быть выполнен в конструктивном варианте для работы на отражение. В силу рефракционного характера действия четырехканальный ЖК модулятор обладает большей эффективностью по сравнению с могопиксельными модуляторами, которые характеризуются дифракционными потерями. Устройство работает в видимом и ближнем ИК-диапазонах и обладает достаточно высокой лучевой прочностью: эксперименты проводились при плотностях мощности излучения, падающей на фокусатор, до 30 Вт/см 2.
Таким образом, функциональные возможности четырехканального ЖК модулятора с учетом его технологических особенностей и относительно невысокой стоимости позволяют говорить о перспективности его использования в различных прикладных задачах.
ЛИТЕРАТУРА
1. Abramochkin E.G., Vasiliev A.A., Vashurin P.V., Zhmurova L.I., Ignatov V.A., Naumov A.F. Controlled liquid crystal lens. – Prepr. PN Lebedev Phys. Inst., 1988, 194, 18.
2. Naumov A.F., Loktev M.Y., Guralnik I.R., Vdovin G.V. Liquid-crystal adaptive lenses with modal control. – Opt. Lett., 1998, v.23 p.992–994.
3. Nose T., Masuda S., Sato S. Optical properties of a hybrid-aligned liquid crystal microlens. – Molecular Crystals and Liquid Crystals, 1991, v.199, p.27–35.
4. Nose T., Masuda S., Sato S. A liquid crystal microlens with hole-patterned electrodes on both substrates. – Jpn. J. Appl. Phys., 1992, v.31, p.1643–1646.
5. Vdovin G.V., Guralnik I.R., Kotova S.P., Loktev M.Y., Naumov A.F. Liquid-crystal lenses with a controlled focal length. I. Theory. – Quantum Electron., 1999, v.29, p.256–260.
6. Vdovin G.V., Guralnik I.R., Kotova S.P., Loktev M.Y., Naumov A.F. Liquid-crystal lenses with a controlled focal length. II. Numerical optimisation and experiments. – Quantum Electron., 1999, v.29 p.261–264.
7. Kotova S.P., P. Clark, Guralnik I.R., Klimov N.A., Kvashnin M.Y., Loktev M.Y., Love G.D., Naumov A.F., Rakhmatulin M.A., Saunter C.D., Vdovin G.V., Zayakin O.A. Technology and electro-optical properties of modal liquid crystal wavefront correctors. – J. Opt. A: Pure Appl. Opt., 2003, v.5, №5, S231–8.
8. Vdovin G.V., Loktev M.Y., Guralnik I.R., Zayakin O.A., Kotova S.P., Naumov A.F., Patlan V.V., Samagin S.A., Klimov N.A. Modal liquid crystal wavefront correctors. – Bulletin of the Russian Academy of Sciences: Physics, 2008, v.72, № 1, p.71–77.
9. Kirby A.K., Hands P.J., Love G.D. Liquid crystal multi-mode lenses and axicons based on electronic phase shift control. – Opt. Express, 2007, v.15, p.13496–13501.
10. Fraval N., de Bougrenet de la Tocnaye J.L. Low aberrations symmetrical adaptive modal liquid crystal lens with short focal lengths. – Appl. Opt., 2010, v.49, p.2778–2783.
11. Algorri J.F., Urruchi V., Bennis N., Sбnchez-Pena J.M. Modal liquid crystal microaxicon array. – Opt. Lett., 2014, v.39, p.3476–3479.
12. Algorri J.F., Love G.D., Urruchi V. Modal liquid crystal array of optical elements. – Opt. Express, 2013, v.21, p.24809–24818.
13. Algorri J.F., Urruchi V., Garcia-Cбmara B., Sбnchez-Pena J.M. Generation of Optical Vortices by an Ideal Liquid Crystal Spiral Phase Plate. – Electron Device Letters, IEEE, 2014, v.35, Issue: 8, p.856–858.
14. Kotova S.P., Patlan V.V., Samagin S.A. Tunable liquid-crystal focusing device. 1. Theory. – Quantum Electronics, 2011, v.41 (1), p.58–64.
15. Kotova S.P., Patlan V.V., Samagin S.A. Tunable liquid-crystal focusing device. 2. Experiment. – Quantum Electronics, 2011, v.41 (1), p.65–70.
16. Kotova S.P., Patlan V.V., Samagin S.A. Focusing light into a line segment of arbitrary orientation using a four-channel liquid crystal light modulator. – Journal of Optics, 2013, v.15 (3), p.035706.
17. Котова С.П., Майорова А.М., Самагин С.А. Анализ световых полей, формируемых ЖК фокусатором, применительно к задачам трехмерной оптической манипуляции. – Известия высших учебных заведений. Физика, 2015, т. 58, № 10, с.22–28.
18. Kotova S., Mayorova A., Samagin S. Tunable 4-channel LC focusing device: summarized results and additional functional capabilities. – Journal of Optics, 2015, v.17, №5, p.055602.
19. Ph. J. W. Hands, S.A. Tatarkova, A.K. Kirby, G.D. Love. Modal liquid crystal devices in optical tweezing: 3D control and oscillating potential wells. – Optics express, 2006, v.14, №10, p.4525–4537.
20. Коробцов А.В., Котова С.П., Лосевский Н.Н., Майорова А.М., Самагин С.А. Формирование контурных оптических ловушек с помощью 4-х канального ЖК фокусатора. – Квантовая электроника, 2014, т.44, с.1157–1164.
21. Korobtsov A., Kotova S., Losevsky N., Mayorova A., Patlan V., Samagin S. Optical trap formation with a four-channel liquid crystal light modulator. – Journal of Optics, 2014, v.16, p.035704.
22. Korobtsov A., Kotova S., Losevsky N., Mayorova A., Samagin S. Line optical traps formed by LC SLM. – Journal of Biomedical Photonics & Engineering, 2015, v.1, № 1, p.64–69.
Отзывы читателей
