Optické pasti generované netradičními svazky

Mgr. Tomáš Čižmár, Ph.D.

Doctoral thesis

Optical traps generated by non-traditional beams

Abstract:

V posledním desetiletí je zachycování a usměrňování pohybu mikroobjektů a nanoobjektů pomocí světla jedním z hlavních témat výzkumu nanosvěta a mikrosvěta. V současné době je výzkum soustředěn na studium interakcí světla s velkými soubory částic. Interferenční světelná pole, jako je například stojatá vlna, by mohla umožnit zachycování a uspořádávání velkého množství nanoobjektů a mikroobjektů do pravidelných prostorových struktur. Cílem této práce je představit možnosti těchto světelných polí pro chytání a uspořádávání částic a nalézt jejich další možná uplatnění, například pro řízený transport mikroobjektů. Ve své práci se zabývám případy, kdy jsou tato periodická pole vytvořena interferencí protiběžných a souběžných besselovských svazků nebo protiběžných evanescentních vln. Besselovské svazky jsou pro tyto aplikace mimořádně vhodné vzhledem k jejich intenzivnímu centrálnímu jádru, zachovávajícímu svůj průřez během šíření svazku na velké vzdálenosti. Další jedinečnou vlastností besselovských svazků je jejich schopnost obnovit své původní prostorové rozložení po průchodu překážkou. Tyto svazky jsou představeny v kapitole 2. Následující kapitola 3 stručně shrnuje modely pro výpočet sil působících na mikroobjekty vystavené účinkům obecného světelného pole a následně i pole besselovských svazků. Kapitoly 4 a 5 pojednávají o využití interferenčních struktur dvou souosých besselovských svazků k zachycení a řízené přepravě mnoha mikroobjektů na velké vzdálenosti. Tyto studie umožnily náhled do problematiky chování částic v periodických interferenčních polích. Detailní studium chování submikrometrových objektů a zejména jejich dynamiky bylo prováŹděno v interferujících protiběžných evanescentních polích. Proto jsem vyvinul novou a vysoce přesnou metodu pro určování polohy částice vzhledem k periodické struktuře pole ze CCD záznamu. Tyto studie představené v kapitole 6 posloužily k prvnímu experimentálnímu ověření teoretického modelu chování mikroobjektů a umožnily mi představit novou metodu jejich třídění, využívající závislost silových účinků periodických optických polí na velikosti mikroobjektů.

Abstract:

Optical trapping and guiding of micron and sub-micron size objects have been key topic for studies in the realm of mesoscale science in the last three decades. A recent drive in the field is the ability to interact with large scale ensembles of particles. The interference light patterns for example the standing wave may allow to confine and organize a large amount of nano-objects or micro-objects into spatial arrangements. The aim of this work was to reveal the potential of such periodic interference fields to optical trapping, spatial object organization and potentially their controlled delivery. During this research I dealt with the cases, where the periodic fields were established by interference of counter-propagating or co-propagating Bessel beams or by counter-propagating evanescent waves. The attention to Bessel beams is payed especially because of their high intensity central core, almost constant shape, existence over a long distance and other unique features like their ability to reconstruct themselves after passing an obstacle. These beams are introduced in Chapter 2. This is followed by analysis of the optical forces acting on micro-objects exposed to an arbitrary light field and especially to the field of the Bessel beam (Chapter 3). In Chapters 4 and 5 I demonstrate how the interference of two co-axial Bessel beams can be used for confinement and controllable delivery of large amounts of micro objects over very large distances. These studies gave us an insight into the particle behavior in such periodic structures. Detailed investigation of sub-micrometer objects behavior and especially their dynamics has been performed in interfering counter-propagating evanescent fields. For this purpose I developed a new method for precise detection of particle positions with respect to the periodic field pattern from a CCD record. These studies presented in Chapter 6 served to validate the used theoretical model for the first time and enabled me to introduce a new method of particle sorting based on the varying affinity of particles to the spatially periodical trapping field.

Keywords

optické chytání, interference, stojatá vlna, nedifrakční svazky, besselovské svazky, evanescentní vlna

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 27. 9. 2006

Thesis defence

• Date of defence: 27. 9. 2006
• Supervisor: doc. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics / Wave and Partical Optics