Подбором номеров (n,m) можно сформировать пучки Бесселя, обладающие вращением интенсивности в поперечном сечении (B1 ? 0), но имеющие нулевой орбитальный момент (Jz = 0).

При проведении экспериментов использовался жидкокристаллический ПМС CRL Opto SXGA H1 с разрешением 12801024. На рис.16 показана фазовая картина, предназначенная для формирования светового поля представляющего собой суперпозицию двух мод Бесселя c номерами C(1, 3) = C(2, -3)=1 (1=1.410-4, 2=710-3). Размер области ПМС, в которой формировалась фазовая картина, составил 77мм.

Распределения интенсивности в сечении одного из двух сформированных пучков, измеренные на разных расстояниях от микродисплея с помощью CCD камеры, показаны на рис.16. Как видно из рис.16, наблюдается качественное соответствие между экспериментальными и теоретическими данными.

С этим пучком был проведен эксперимент по управляемому вращению микрообъекта. Мощность пучка в плоскости фокусировки составила около 5мВт, длина волны =0,532мкм.

Рис.16 Бинарная фазовая картина, сформированная на микродисплее (а), картина дифракции вращающегося двухмодового пучка Бесселя на разных расстояниях от ПМС (б,в,г - эксперимент,д,е,ж - теория): z=720 мм (а,г); z=735 мм (б,д); z=765 мм (в,е).

На рис.17 представлены различные положения вращающегося пучка с нулевым орбитальным моментом с захваченным полистироловым шариком диаметром около 1мкм. Картины 16а, 16б сняты при разном положении фокусирующего микрообъектива (16) от начальной плоскости: 0мм - (рис.16а), 0,2мм - (рис.16б). При смещении микрообъектива картинка поворачивается. Пунктирной линией отмечена середина пучка. По этой линии строится сечение пучка по рис.17б (рис.17в).

Рис.17 Вращающийся пучок с захваченным полистироловым микрошаром диаметром 1мкм, интервал между кадрами (а) и (б) - 10с, (в) сечение по пунктирной линии пучка (б).

Как видно из рис.17, захваченный в максимуме интенсивности микрошар поворачивается вслед за поворотом пучка. Из сечения пучка видно, что максимумы на рис.17б ориентированы вертикально. Наблюдается вращательное движение, несмотря на отсутствие орбитального углового момента у светового пучка. Этот эксперимент показывает, что с помощью ДОЭ и очень простой оптической схемы можно получить контролируемое вращение микрообъекта вместе с пучком. Обычно этот эффект достигается с помощью довольно сложных интерферометров.

Заключение

В диссертационной работе решена задача вращения диэлектрических микрообъектов в вихревых радиально-симметричных лазерных пучках, сформированных дифракционными оптическими элементами, в том числе многопорядковыми.

Получены следующие основные результаты

1. Экспериментально исследованы картины дифракции Френеля и Фраунгофера, сформированные при прохождении плоской волны или гауссового пучка через спиральную фазовую пластинку с разными номерами сингулярности (n=3,7,30,31). СФП (1-, 4-, 8- порядковые), которые были изготовлены методом электронной литографии. В световых кольцах, сформированных с помощью этих СФП и твердотельного лазера, было зарегистрировано вращение нескольких полистироловых шариков диаметром 5мкм.

2. Разработаны и исследованы оптические установки, включающие газовый (или твердотельный) лазер, микроскоп, телекамеру, освещающие микрообъекты против и по направлению силы тяжести, и предназначенные для захвата, вращения и линейного перемещения микрообъектов в жидкости, отличающиеся тем, что для одновременного формирования нескольких световых полей, обладающих разными орбитальными моментами, используются синтезированные методами компьютерной оптики дифракционные оптические элементы, изготовленные на прозрачных подложках по технологии электронной или оптической литографии.

3. С помощью линейно-поляризованного светового пучка аргонового лазера преобразованного многоуровневой фазовой спиральной зонной пластинкой в квази-бесселевый пучок 5-го порядка экспериментально осуществлено вращение в воде сферических полистироловых шариков.

4. Разработан расчета силы действия света и параметров движения под действием этой силы диэлектрических трехмерных микрообъектов заданной формы, основанный на геометрооптическом приближении, и использующий освещающие световые пучки с заданным амплитудно-фазовым распределением (в том числе вихревые пучки), и позволяющий моделировать движение микрообъектов в световых пучках.

5. С помощью бинарного вихревого аксикона с порядком сингулярности n=10, изготовленным с помощью оптической литографии на стеклянной подложке, твердотельного лазера было сформировано в Фурье-плоскости микрообъектива два световых кольца большого радиуса, в которых в воде одновременно вращались до 10 полистироловых шариков.

6. Осуществлено контролируемое вращение полистиролового шарика с помощью двухмодового вращающегося бесселевого пучка, сформированного жидкокристаллическим микродисплеем.

7. Экспериментально сформированы лазерные модовые гипергеометрические пучки, сформированные с помощью жидкокристаллического микродисплея и твердотельного лазера.

Основные результаты диссертации отражены в следующих работах

Монографии

1. Сойфер В.А., Котляр В.В., Хонина С.Н., Скиданов Р.В. Оптическая обработка информации с применением ДОЭ // Методы компьютерной оптики, М., Физматлит, глава 10, с. 597-683, 2000.

2. Soifer V.A., Kotlyar V.V., Khonina S.N., Skidanov R.V. Optical data processing using DOEs // Methods for Computer Design of Diffractive Optical Elements, Wiley-Interscience Publication John Wiley & Sons, Inc, chapter 10, p.673-754, 2002.

3. Soifer V.A., Kotlyar V.V., Khonina S.N., Skidanov R.V. Optical data processing using DOEs // Metods for Computer Design of Diffractive Optical Elements, Tianjin Science & Technology Press, Tianjin, (in Chinese), chapter 10, p.506-570, 2007.

Статьи и материалы конференций

4. Khonina S. N., Kotlyar V.V. Skidanov R.V., Soifer V. A. Levelling the intensity of the gaussian beam // EOS Topical Meetings Digest Series “Diffractive Optics”, (Jena, Germany, 23-25 August) - 1999. V. 22. pp.165-166.

5. Хонина С.Н., Котляр В.В., Сойфер В.А., Скиданов Р.В., Лаакконен П., Турунен Я. Фазовые дифракционные оптические элементы для одновременного формирования мод Гаусса-Лагерра в различных дифракционных порядках // Компьютерная оптика - 1999, Вып.19, с. 107-111.

6. Khonina S. N., Skidanov R. V., Kotlyar V.V., Wang Y. Experimental selection of spatial Gauss-Laguerre modes // Компьютерная оптика - 1999. Bып.19. C. 115-117.

7. Khonina S.N., Kotlyar V.V., Skidanov R.V., Soifer V.A., Laakkonen P., Turunen J., Wang Y. Experimental selection of spatial Gauss-Laguerre Modes // Optical Memory & Neural Networks - 2000. vol. 9, № 1, pp. 73-82.

8. Волков А.В., Скиданов Р.В. Численное исследование дифракции света на дифракционных линзах // Вестник СГТУ - 2000. вып. 9, с. 174-179.

9. Khonina S.N., Kotlyar V.V., Skidanov R.V., Soifer V.A. Levelling the focal spot intensity of the focused Gaussian beam // Journal of Modern Optics -2000. v.47, no.5 pp. 883-904.

10. Khonina S.N., Kotlyar V.V., Skidanov R.V., Soifer V.A., Laakkonen P., Turunen J. Gauss-Laguerre modes with different indices in prescribed diffraction orders of a diffractive phase element // Optical Communication - 2000. v.175 pp.301-308.

11. Волков А.В., Котляр В.В., Моисеев О.Ю., Рыбаков О.Е., Скиданов Р.В., Сойфер В.А., Хонина С.Н. Бинарный дифракционный оптический элемент для фокусировки гауссового пучка в продольный отрезок. Оптика и спектроскопия - 2000. т.89, вып.2, с.343-348.

12. Хонина С.Н., Котляр В.В., Скиданов Р.В. Бесконтактное прецизионное измерение линейных смещений с использованием ДОЭ, формирующих моды Бесселя // Компьютерная оптика - 2001. Вып. 21.

13. Котляр В.В., Налимов А.Г., Скиданов Р.В. Быстрый метод расчета дифракции электромагнитной волны на цилиндрических диэлектрических объектах // Компьютерная оптика - 2003, Вып. 25, с. 24-28.

14. Хонина С.Н., Котляр В.В., Скиданов Р.В. Фазовый дифракционный фильтр, предназначенный для анализа световых полей на выходе волокна со ступенчатым профилем показателя преломления // Компьютерная оптика - 2004, Вып. 25, с. 89-94.

15. Скиданов Р.В., Хонина С.Н. Влияние технологических ошибок и уширения линии излучения лазера на качество работы дифракционных оптических элементов // Оптический журнал - том 71, № 7, c.62-64.

16. Skidanov R.V., Khonina S.N. How processing errors and broadening of the emission line of a laser affect the operating quality of diffractive optical elements J. Opt. Technol. - 2004, v.71, No.7, 469-471.

17. Khonina S. N., Kotlyar V. V., Skidanov R. V., Soifer V. A., Jefimovs K., Simonen J., Turunen J. Rotation of microparticles with Bessel beams generated by diffractive elements // J. Mod. Opt. - 2004. v.51, N 14, p.2167-2184.

18. Khonina S.N., Skidanov R.V., Almazov A.A., Kotlyar V.V., Soifer V.A., Volkov A.V. DOE for optical micromanipulation // Proceedings of SPIE- 2004. v.5447, p.304-311.

19. Khonina S.N., Skidanov R.V., Kotlyar V.V., Soifer V.A Rotating microobjects using a DOE-generated laser Bessel beam // Proceedings of SPIE- 2004. v.5456, p.244-255.

20. Сойфер В.А., Котляр В.В., Хонина С.Н., Скиданов Р.В. Дифракционные оптические элементы для оптического манипулирования микрочастицами // Материалы международного форума по голографии Экспо-2004 - 2004. 19-22 октября, Москва, с.62-63.

21. Khonina S.N., Skidanov R.V., Kotlyar V.V., Soifer V.A., Turunen J. DOE-generated laser beams with given orbital angular moment: application for micromanipulation // Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. - 2005. 5962, 59622W, Optical Design and Engineering II, Jena, Germany.

22. Сойфер В.А., Котляр В.В., Хонина С.Н., Скиданов Р.В. Оптическое микроманипулирование спомощью ДОЭ // Официальные материалы второго международного форума ”Голография-ЭКСПО-2005” - 2005. 27-29 сентября, Москва, с.69-70.

23. Kotlyar V.V., Khonina S.N., Skidanov R.V., Soifer V.A. New DOE-generated invariant laser beams: application for microparticle manipulation // Proceedings of International Conference on Optics & Optoelectronics, 12-15 Dec. 2005, IRDE, Dehradun, India, IT-HDO-3.

24. Сойфер В.А., Котляр В.В., Хонина С.Н., Скиданов Р.В. Вращение микрочастиц в световых полях // Компьютерная оптика - 2005. Вып. 28, с.5-17.

25. Котляр В.В., Налимов А.Г., Скиданов Р.В. Метод быстрого расчета дифракции лазерного излучения на микрообъектах // Оптический журнал - 2005. т.72, № 5, с.55-61.

26. Скиданов Р.В. Расчет силы взаимодействия светового пучка с микрочастицами произвольной формы // Компьютерная оптика - 2005, Вып.28, с.18-22.

27. Котляр В.В., Смирницкий А.В., Скиданов Р.В. Расчет и измерение поля дифракции плоской электромагнитной волны внутри и снаружи микро-шара // Компьютерная оптика - 2005,с.95-104.

28. Котляр В.В., Ковалев А.А., Хонина С.Н., Скиданов Р.В., Сойфер В.А., Турунен Я. Дифракция конической волны и гауссового пучка на спиральной фазовой пластинке // Компьютерная оптика - 2005. Вып.28, с.29-36.

29. Kotlyar V.V., Kovalev A.A., Khonina S.N., Skidanov R.V., Soifer V.A., Elfstrom H., Tossavainen N., and Turunen J. Diffraction of conic and Gaussian beams by a spiral phase plate // Appl. Opt. - 2006. Vol. 45, No.12, 2656-2665.

30. Khonina S. N., Skidanov R. V., Kotlyar V. V., Kovalev A. A., and Soifer V. A. Optical micromanipulation using DOEs matched with optical vorticies // Proc. SPIE - 2006. v. 6187, p. 61871F.

31. Soifer V. A., Kotlyar V. V., Khonina S. N., and Skidanov R. V. Remarkable laser beams formed by computer-generated optical elements: properties and applications // Proc. SPIE - 2006, v. 6252, p. 62521B.

32. Сойфер В.А., Котляр В.В., Хонина С.Н., Скиданов Р.В. Оптическая микроманипуляция с использованием многопорядковых ДОЭ // Официальные материалы научно-практической конференции “Голография в Росии и за рубежом. Наука и практика” - 2006, 26-28 сентября, Москва, с57-59.

33. Skidanov R.V, Khonina S.N.,, Kotlyar V.V., Soifer V.A. Optical microparticle trapping and rotating using multi-order DOE // Proc. Of the ICO Topical Meeting on Optoinformatics Information Photonics' 2006 4-7 Sep. 2006, Saint-Peterburg, Russia , pp. 466-468.

34. Скиданов Р.В. Самовоспроизводящиеся лазерные пучки и их применение // Компьютерная оптика - 2006. Вып. 29, с. 4-23.

35. Котляр В.В., Скиданов Р.В., Хонина С.Н., Балалаев С.А. Гипергеометрические моды // Компьютерная оптика - 2006. Вып. 30, с. 16-22.

36. Скиданов Р.В., Котляр В.В., Хонина С.Н. Экспериментальное исследование передачи орбитального углового момента сферическим микрочастицам // Известий СНЦ РАН -2006. № 4, с. 1200-1211.

37. Kotlyar V. V., Skidanov R. V., Khonina S. N., and Soifer V. A. Hypergeometric modes // Opt. Lett. - 2007. Vol. 32, No. 7, April 1, p.742-744.

38. Doskolovich L. L., Kazanskiy N. L., Khonina S. N., Skidanov R. V., N. Heikkilд N., S. Siitonen S., and Turunen J. Design and investigation of color separation diffraction gratings // App. Opt. - 2007. Vol. 46, n. 15, p.2825-2830.

39. Скиданов Р.В., Хонина С.Н., Котляр В.В., Сойфер В.А. Экспериментальное исследование движения диэлектрических шариков в световых пучках с угловыми гармониками высоких порядков // Компьютерная оптика - 2007. Вып. 31, с. 14-21.

40. Котляр В.В., Хонина С.Н., Скиданов Р.В., Сойфер В.А. Вращение лазерных пучков, не обладающих орбитальным угловым моментом // Компьютерная оптика - 2007. Вып. 31, с. 35-38.

41. Kotlyar V. V., Kovalev A. A., Skidanov R. V., Moiseev O.Y., and Soifer V. A. Diffraction of a finite-radius plane wave and a Gaussian beam by a helical axicon and a spiral phase plate // J. Opt. Soc. Am. A - 2007. Vol. 24, n. 7, p.1955-1964.

42. Сойфер В.А., Котляр В.В., Хонина С.Н., Скиданов Р.В. Дифракционные элементы как безопорные компьютерные голограммы // Труды всероссийского семинара «Ю.И. Денисюк - основоположник оптической голографии», ФТИ РАН, С.Пб -2007, с. 116-123.

43. Skidanov R.V., Khonina S.N., Kotlyar V.V., Soifer V.A. Optical micromanipulation using diffractive optical elements, Xian, Chine - 2007. p.168-180.

44. Skidanov R. V., Kotlyar V. V., Khonina V. V., Volkov A. V., and Soifer V. A. Micromanipulation in Higher-Order Bessel Beams // Optical Memory and Neural Networks (Information Optics) - 2007. v. 16, №. 2, p. 84.

Размещено на Allbest.ru