Оптический лазерный манипулятор фемтосекундными импульсами

Исключения из правил

Чтобы оптический пинцет использовал силы, описанные выше в "причине I ", необходимо, чтобы частица поляризовалась во внешнем электрическом поле, и на её поверхности появлялись связанные заряды. При этом связанные заряды должны создавать поле, направленное в противоположную сторону. Только в этом случае частицы устремятся к области фокуса. Если же диэлектрическая постоянная среды, в которой плавает частица, больше диэлектрической постоянной вещества частицы, то поляризация частицы будет обратной, и частица будет стремиться убежать из области фокуса. Так, например, ведут себя воздушные пузырьки, плавающие в глицерине.

Такие же ограничения относятся и к "причине II ". Если абсолютный показатель преломления материалы частицы будет меньше, чем у среды, в которой она находится, то частица будет отклонять свет в другую сторону, а значит, стремиться отойти подальше от оси луча. Примером могут быть те же воздушные пузырьки в глицерине. Поэтому оптический пинцет работает лучше, если относительный показатель преломления материала частицы больше.

Рис.7 Конструкция оптического пинцета

1 и 3 - линзы; 2 - зеркала; 4 - исследуемый образец; 5 - освещающий пучок; 6 - захватывающий пучок; 7 - видеокамера.

Физика захвата зависит от отношения размера частицы и длины волны излучения, с помощью которого производится захват. Существует два предельных случая:

1) частица много меньше длины волны,

2) частица много больше длины волны.

В первом случае полагают, что частица в фокусе объектива под действием лазерного излучения становится однородно поляризованной и на последующих этапах рассмотрения представляется как точечный диполь. На такую частицу действуют силы обусловленные

- рассеянием (),

- поглощением (),

- градиентом интенсивности излучения ().

Сила пропорциональна поляризуемости и всегда направлена вдоль градиента интенсивности к ограниченному дифракцией фокальному пятну.

Эта сила может превосходить другие упомянутые силы, что приводит к эффекту «ловушки». Частица попадает в потенциальную яму, которую можно описать гармоническим потенциалом:

k – характеристическая константа захвата, x₀ - центр ловушки.

Поведение прозрачных частиц, размеры которых много больше длины волны падающего излучения, может быть описано классическими теориями преломления и отражения.

Примером может стать рассмотрение прозрачного шарика, геометрический центр которого смещен относительно положения фокуса объектива (Рис. 8). Два луча a и b испытывают преломление в шарике и отклоняются от начального направления распространения. Таким образом, шарик изменяет импульс фотонов, ассоциированных с лучами a и b.

Рис.8

Пунктир – конечное положение шарика, сплошная линия исходное смещенное положение

Из рисунка следует, что шарик «толкает» луч a вправо и наверх. Следовательно, отклоненные фотоны придают импульс шарику, направленный в противоположную сторону, т.е. влево и вниз. Аналогично можно прийти к выводу, куда толкает шарик луч b. Таким образом, результирующая сила создаваемая полем направляет шарик в сторону фокуса. При достаточно сильном поле излучения частице трудно изменить положение вблизи фокуса, и она оказывается в ловушке.

Дата добавления: 2015-06-27