Экспериментальная реализация оптического захвата микрочастиц на основе применения бинарного радиального ДОЭ
Качалов Д.Г., Павельев В.С., Хонина С.Н.,Скиданов Р.В., Порфирьев А.П.

Аннотация:
Рассчитан, изготовлен и экспериментально исследован бинарный радиально-симметрич­ный дифракционный оптический элемент (ДОЭ), формирующий световое распределение типа «световая бутылка». Экспериментально реализован оптический захват микрочастиц на основе использования созданного элемента. Показано, что сформированная ловушка может захватывать как прозрачные, так и непрозрачные микрообъекты и удерживать их с силой, достаточной для перемещения в вязкой среде.

Abstract:
The novel binary radial diffractive optical element (DOE) forming “light bottle” intensity distributions in the zero diffractive order has been designed and experimentally studied. The microparticle’s optical trapping is realized by use of manufactured DOE. It is shown that realized “light bottle” can be used for trapping transparent and non-transparent microparticles in viscous medium.

Ключевые слова :
дифракционный оптический элемент, фазовая функция, плазмохимическое травление, оптическое манипулирование, световое распределение типа «световая бутылка».

Key words:
diffractive optical element, optical manipulation, “light bottle” distribution, phase function, plasmochemical etching

Литература:

  1. Ozeri, R. Long spin relaxation times in a single-beam blue-detuned optical trap / R. Ozeri, L. Khaykovich, N. Davidson // Phys. Rev. A. – 1999. – Vol. 59(3). – P. R1750-R1753.
  2. Arlt,  J. Generation of beamwith a dark focus surrounded by regions of higher intensity: the optical bottle beam / J. Arlt // Opt. Lett. – 2000. – Vol. 25(4). – P. 191-193.
  3. Yelin, D. Generating an adjustable three-dimensional dark focus / D. Yelin, B.E. Bouma, G.J. Tearney // Opt. Lett. – 2004. – Vol. 29(7). – P. 661-663.
  4. Ashkin, A. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles / A. Ashkin, J.M. Dziedzic, J.E. Bjorkholm, S. Chuk //. Opt. Lett. – 1986. – Vol. 11(5). – P. 288-290.
  5. Сойфер, В.А. Оптическое манипулирование микрообъектами: достижения и новые возможности, порожденные дифракционной оптикой / В.А. Сойфер, В.В. Котляр, С.Н. Хонина // Физика элементарных частиц и атомного ядра. – 2004. – Т. 35(6). – С. 1368-1432.
  6. Gahagan, K.T. Optical vortex trapping of particles / K.T. Gahagan, G.A. Swartzlander // Opt. Letters. – 1996. – Vol. 21(11). – P. 827-829.
  7. Kuga, T. Novel optical trap of atoms with a doughnut beam / T. Kuga, Y. Torii, N. Shiokawa, T. Hirano, Y. Shimizu, H. Sasada // Phys. Rev. Lett. – 1997. – Vol. 78. – P. 4713-4716.
  8. Manek, I. Generation of a hollow laser beam for atom trapping using an axicon / I. Manek, Yu.B. Ovchinnikov, R. Grimm // Opt. Comm. – 1998. – Vol. 147. – P. 67-70.
  9. Khonina, S.N. Rotation of microparticles with Bessel beams generated by diffractive elements / S.N. Khonina, V.V. Kot­lyar, R.V. Skidanov, V.A.  Soifer, K. Jefimovs, J. Simonen, J. Turunen // Journal of Modern optics. – 2004. – Vol. 51(14). – P. 2167-2184.
  10. Khonina, S.N. The phase rotor filter / S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, M.V. Shinkaryev, V.A. Soifer, G.V. Usple­niev // J. Modern Optics. – 1992. – Vol. 39(5). – P. 1147-1154.
  11. Kotlyar, V.V. Generation of phase singularity through diffracting a plane or Gaussian beam by a spiral phase plate / V.V. Kotlyar, A.A. Almazov, S.N. Khonina, V.A. Soifer, H. Elfstrom, J. Turunen // J. Opt. Soc. Am. A. – 2005. – Vol. 22(5). – P. 849-861.
  12. Kotlyar, V.V. Diffraction of a plane, finite-radius wave by a spiral phase plate / V.V. Kotlyar, S.N Khonina., A.A. Kova­lev, V.A. Soifer, H. Elfstrom, J. Turunen // Opt. Lett. – 2006. – Vol. 31. – P. 1597-1599.
  13. Tsai, H.-Y. Fabrication of spiral-phase diffractive elements using scanning-electron-beam lithography / H.-Y. Tsai, H.I. Smith and R. Menon, J. Vac // Sci. Technol. B. – 2007. – Vol. 25. – P. 2068-2071.
  14. Koltyar, V.V. Multi-order diffractive optical elements to process data / V.V. Koltyar, S.N. Khonina // Perspectives in Engineering Optics, Ed. by K. Singh, V.K. Rastogi, Publ. Anita Publications, Delhi. 2003. – P. 47-56.
  15. Khonina, S.N. DOE-generated laser beams with given orbital angular moment: application for micromanipulation / S.N. Khonina, R.V. Skidanov, V.V. Kotlyar, V.A. Soifer, J. Turunen // Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. – 2005. – Vol. 5962. – P. 59622W.
  16. Качалов, Д.Г. Оптимизация бинарного ДОЭ для формирования «световой бутылки» / Д.Г. Качалов, К.А. Га­мазков, В.С. Павельев, С.Н. Хонина // Компьютерная оптика. – 2011. – Том 35, № 1. – С. 70-76.
  17. Osipov, V.P. Realization of binary radial diffractive optical elements by two-photon polymerization technique / V.P. Osi­pov, V.S. Pavelyev, D.G. Kachalov, A. Zukauskas, B.N. Chich­kov // Opt. Exp. – 2010. – Vol. 18(25) – P. 25808-25814.
  18. Kachalov, D.G. Application of the direct search in solving a problem of forming longitudinal distribution of intensity / D.G. Kachalov, V.S. Pavelyev, S.N. Khonina, R.V. Skida­nov, O.Yu. Moiseev // J. Mod. Opt. – 2011. – Vol. 58, N 1. – P. 69-76.

References:

  1. Ozeri, R. Long spin relaxation times in a single-beam blue-detuned optical trap / R. Ozeri, L. Khaykovich, N. Davidson // Phys. Rev. A. – 1999. – Vol. 59(3). – P. R1750-R1753.
  2. Arlt,  J. Generation of beamwith a dark focus surrounded by regions of higher intensity: the optical bottle beam / J. Arlt // Opt. Lett. – 2000. – Vol. 25(4). – P. 191-193.
  3. Yelin, D. Generating an adjustable three-dimensional dark focus / D. Yelin, B.E. Bouma, G.J. Tearney // Opt. Lett. – 2004. – Vol. 29(7). – P. 661-663.
  4. Ashkin, A. Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles / A. Ashkin, J.M. Dziedzic, J.E. Bjorkholm, S. Chuk //. Opt. Lett. – 1986. – Vol. 11(5). – P. 288-290.
  5. Soifer, V.A. Optical Microparticle Manipulation: Advances and New Possibilities Created by Diffractive Optics / V.A. Soifer, V.V. Kotlyar, S.N. Khonina // Physics of Particles and Nuclei. – 2004. – Vol. 35(6). – P. 733-766. – (In Russian).
  6. Gahagan, K.T. Optical vortex trapping of particles / K.T. Gahagan, G.A. Swartzlander // Opt. Letters. – 1996. – Vol. 21(11). – P. 827-829.
  7. Kuga, T. Novel optical trap of atoms with a doughnut beam / T. Kuga, Y. Torii, N. Shiokawa, T. Hirano, Y. Shimizu, H. Sasada // Phys. Rev. Lett. – 1997. – Vol. 78. – P. 4713-4716.
  8. Manek, I. Generation of a hollow laser beam for atom trapping using an axicon / I. Manek, Yu.B. Ovchinnikov, R. Grimm // Opt. Comm. – 1998. – Vol. 147. – P. 67-70.
  9. Khonina, S.N. Rotation of microparticles with Bessel beams generated by diffractive elements / S.N. Khonina, V.V. Kot­lyar, R.V. Skidanov, V.A.  Soifer, K. Jefimovs, J. Simonen, J. Turunen // Journal of Modern optics. – 2004. – Vol. 51(14). – P. 2167-2184.
  10. Khonina, S.N. The phase rotor filter / S.N. Khonina, V.V. Kotlyar, M.V. Shinkaryev, V.A. Soifer, G.V. Usple­niev // J. Modern Optics. – 1992. – Vol. 39(5). – P. 1147-1154.
  11. Kotlyar, V.V. Generation of phase singularity through diffracting a plane or Gaussian beam by a spiral phase plate / V.V. Kotlyar, A.A. Almazov, S.N. Khonina, V.A. Soifer, H. Elfstrom, J. Turunen // J. Opt. Soc. Am. A. – 2005. – Vol. 22(5). – P. 849-861.
  12. Kotlyar, V.V. Diffraction of a plane, finite-radius wave by a spiral phase plate / V.V. Kotlyar, S.N Khonina., A.A. Kova­lev, V.A. Soifer, H. Elfstrom, J. Turunen // Opt. Lett. – 2006. – Vol. 31. – P. 1597-1599.
  13. Tsai, H.-Y. Fabrication of spiral-phase diffractive elements using scanning-electron-beam lithography / H.-Y. Tsai, H.I. Smith and R. Menon, J. Vac // Sci. Technol. B. – 2007. – Vol. 25. – P. 2068-2071.
  14. Koltyar, V.V. Multi-order diffractive optical elements to process data / V.V. Koltyar, S.N. Khonina // Perspectives in Engineering Optics, Ed. by K. Singh, V.K. Rastogi, Publ. Anita Publications, Delhi. 2003. – P. 47-56.
  15. Khonina, S.N. DOE-generated laser beams with given orbital angular moment: application for micromanipulation / S.N. Khonina, R.V. Skidanov, V.V. Kotlyar, V.A. Soifer, J. Turunen // Proc. SPIE Int. Soc. Opt. Eng. – 2005. – Vol. 5962. – P. 59622W.
  16. Kachalov, D.G. Optimization of binary DOE for “light trap” distribution forming / D.G. Kachalov, K.A. Gamazkov,  V.S. Pavelyev,  S.N. Khonina // Computer Optics. – 2011. – Vol. 35(1). – P. 70-76. –(In Russian).
  17. Osipov, V.P. Realization of binary radial diffractive optical elements by two-photon polymerization technique / V.P. Osi­pov, V.S. Pavelyev, D.G. Kachalov, A. Zukauskas, B.N. Chich­kov // Opt. Exp. – 2010. – Vol. 18(25) – P. 25808-25814.
  18. Kachalov, D.G. Application of the direct search in solving a problem of forming longitudinal distribution of intensity / D.G. Kachalov, V.S. Pavelyev, S.N. Khonina, R.V. Skida­nov, O.Yu. Moiseev // J. Mod. Opt. – 2011. – Vol. 58, N 1. – P. 69-76.
© 2009, ИСОИ РАН
Россия, 443001, Самара, ул. Молодогвардейская, 151; электронная почта: ko@smr.ru ; тел: +7 (846 2) 332-56-22, факс: +7 (846 2) 332-56-20