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.
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