OTB-V1 - портативный оптический пинцет

Оптический пинцет представляет собой инструмент, использующий сфокусированный лазерный луч для бесконтактного захвата, удержания и манипулирования микро- и наночастицами. В отличие от механических пинцетов, требующих физического контакта с объектом, оптические пинцеты реализуют воздействие за счет сил светового давления.

Физической основой работы оптического пинцета является взаимодействие электромагнитного излучения с веществом. Свет как электромагнитная волна обладает не только энергией, но и импульсом. При взаимодействии света с частицами происходит передача импульса, что приводит к возникновению двух типов сил:

• рассеивающей силы, действующей вдоль направления распространения светового пучка и вызывающей отталкивание частицы;
• градиентной силы, направленной в сторону увеличения интенсивности света и обеспечивающей притяжение частицы к области максимальной световой интенсивности.

Условием стабильного захвата частицы является преобладание градиентной силы над рассеивающей, что позволяет удерживать частицу в фокальной области лазерного пучка. Величина и соотношение этих сил зависят от оптических свойств частицы и окружающей среды, а также параметров лазерного излучения. Данный принцип находит применение в различных областях науки - от исследования биологических объектов до манипулирования отдельными атомами.

Теоретическое описание взаимодействия лазерного излучения с микрочастицами определяется соотношением характерного размера частицы (d) к длине волны света (λ). Выделяют три основных режима взаимодействия:

1. Рэлеевское рассеяние (d << λ, d < λ/20) - применяется для наночастиц, где частица рассматривается как точечный диполь в электромагнитном поле. В данной модели каждая молекулярная связь частицы представляется как элементарный диполь, а суммарный дипольный момент определяется векторной суммой всех молекулярных диполей.
2. Геометрическая оптика (d >> λ, d > 5λ) - используется для макрочастиц, где применимы законы классической оптики и понятие световых лучей.
3. Полная электромагнитная модель (λ/20 < d < 5λ) - наиболее сложный случай, требующий решения полной системы уравнений Максвелла. В этом подходе взаимодействие рассматривается как процесс электромагнитного рассеяния, где распределение рассеянного поля определяется через интегрирование тензора Максвелловских напряжений по поверхности частицы.

Особый интерес представляет рэлеевская модель, где свет-частичное взаимодействие сводится к анализу поведения дипольных моментов в неоднородном электромагнитном поле. В такой постановке задача позволяет получить аналитические выражения для оптических сил, действующих на нанообъекты.

Рис. 1 – Действие электрического диполя с электрическим полем

На рис. 1 представлено сравнение воздействия однородного и неоднородного электрического поля на электрический диполь. В случае однородного поля силы, действующие на положительный и отрицательный заряды диполя, равны по модулю и противоположны по направлению, что приводит к нулевому результирующему воздействию. В неоднородном поле возникает принципиально иная ситуация: из-за различия в величине и направлении сил, действующих на заряды, диполь подвергается как поступательному перемещению, так и вращению.

Вращательное движение продолжается до тех пор, пока вектор электрического дипольного момента P не совпадет по направлению с вектором напряженности электрического поля E. При таком взаимном расположении силы, действующие на заряды, хотя и остаются направленными противоположно, перестают быть коллинеарными, что приводит к возникновению ненулевой результирующей силы.

Для количественного описания рассмотрим диполь, ориентированный вдоль оси x. Пусть напряженность поля в центре диполя равна E0, тогда напряженности поля в точках расположения положительного и отрицательного зарядов можно выразить как:

Сила , действующая на диполь , равна

Из приведенных соотношений следует, что величина силы F прямо пропорциональна градиенту напряженности электрического поля, при этом вектор силы направлен в сторону возрастания поля. Данная сила, обусловленная пространственной неоднородностью электрического поля, определяется как градиентная сила. В случае светового воздействия (как частного проявления электромагнитных волн) на диполь, результирующая сила представляет собой сумму градиентной составляющей электрического поля и магнитной компоненты, известную как сила Лоренца.

Для анализа лазерного захвата крупных частиц (d >> λ) применяется модель геометрической оптики, основанная на законах преломления и сохранения импульса. Рассмотрим сферическую частицу из прозрачного диэлектрика (n1 > n2, где n2 - показатель преломления среды), пренебрегая вкладом отраженного и поглощенного излучения в силу светового давления. При прохождении света через частицу изменение направления распространения (и, следовательно, импульса) луча приводит к возникновению:

• силы F1, направленной под углом влево;
• силы F2, направленной под углом вправо.

В однородном световом поле (рис. 2-а) поперечные компоненты сил F1 и F2 компенсируются, остаётся лишь продольная составляющая - так называемая сила рассеяния. В неоднородном поле (рис. 2-б) появляется дополнительная градиентная сила, направленная:

• в поперечной плоскости (x-y) - к области большей интенсивности;
• вдоль оси z - сохраняется составляющая силы рассеяния.

Данный подход демонстрирует, что пространственное распределение интенсивности светового поля принципиально влияет на характер оптического воздействия на микрообъекты.

Рис. 2 –  Взаимодействие светового поля с микросферами

Системы оптического захвата на основе вихревых лазерных пучков обеспечивают принципиально иной механизм воздействия на микрообъекты по сравнению с традиционными оптическими пинцетами. Ключевая особенность таких систем заключается в способности создавать поперечные силы, обусловленные орбитальным угловым моментом света, который возникает благодаря спиральному фазовому фронту луча. Этот эффект позволяет не только удерживать частицы, но и придавать им вращательное движение вокруг оптической оси.

В таких системах на частицы одновременно действуют три типа сил: градиентная сила (зависит от интенсивности света), сила рассеяния (направлена вдоль пучка) и сила фазового градиента (перпендикулярна направлению распространения). Комбинация этих сил обеспечивает сложные траектории движения частиц, включая их стабильное вращение в фокальной плоскости. Данная технология открывает новые возможности для манипулирования микрообъектами в биологических и физических исследованиях.

Источники:

1. Ли Маньмань // Исследование динамических характеристик взаимодействия вихревых векторных пучков с частицами. Пекин: Университет Китайской академии наук, 2018.

2. Юй Хунлян, Сюй Чжунфэн, Ли Пусюань // Силы оптического градиента и лазерный захват. Университетская физика, 2008, т. 27, № 3: 13–17.

3. Ли Иньмэй // Принципы, технология и применение оптического пинцета. Хэфэй: Издательство Китайского университета науки и технологий, 1996.

4. Й. Ройхман, Б. Сан, Й. Ройхман, Дж. Амато-Грилл, Д.Г. Грир // Оптические силы, обусловленные фазовыми градиентами. Physical Review Letters, 2008, т. 100, с. 013602.