Лазерный мир

Малинский Т.В. // Инженерный журнал: наука и инновации, 2013, вып. 7, Страницы: 38, УДК: 535.211

Рассмотрен оптико-акустический микроманипулятор со сфокусированным лазерным пучком. Приведены пространственные распределения потенциала усредненной силы радиационного давления микроманипулятора. Показано, что в возбуждаемом акустическом поле газовый пузырек стремится двигаться к центру перетяжки лазерного излучения.

ОПИСАНИЕ НА АНГЛИЙСКОМ ЯЗЫКЕ:

Laser optoacoustic micromanipulator for the gas microbubbles

Malinskiy T.V., Bauman Moscow State Technical University

An optical-acoustic micromanipulator with a focused laser beam is considered. A spatial distribution of the potential averaged radiation pressure force of a micromanipulator is obtained. It is shown that in the exciting laser radiation acoustic field of a gas microbubble will tend to move toward the center of the laser beam waist.

Введение. Газовые пузырьки микронных и субмикронных размеров широко применяются в микрогидравлических системах, используемых для медико-биологических исследований и в электронной промышленности. В частности, в системах lab-on-a-chip пузырьки используют в микронасосах, создающих поток жидкости [1], для перемещения частиц малых размеров, в том числе клеток [2], а также для перемешивания жидкостей в микрообъемах [3]. Поэтому задача разработки новых методов управления пространственным положением пузырьков актуальна.
Перемещение пузырька по заданной траектории и фиксация его в определенной области осуществляется микроманипуляторами (пинцетами). Наиболее часто применяют оптические [4] и акустические [5] пинцеты, однако этим устройствам присущи недостатки [6]. Для оптических микроманипуляторов требуется сложная оптическая система с дифракционными оптическими элементами или фемтосекундный лазер [7], а акустические пинцеты обладают малой точностью позиционирования и для них необходимо наличие акустического контакта.
Перспективными для перемещения и удержания пузырьков являются оптико-акустические (ОА) пинцеты [8, 9]: они бесконтактны, отсутствует потребность в дорогих фемтосекундных лазерах и сложных оптических системах, с их помощью можно перемещать пузырек по заданной траектории или удерживать его в требуемой области пространства.

В данной работе рассмотрен ОА-микроманипулятор со сфокусированным лазерным пучком, позволяющий удерживать газовые пузырьки в заданной области пространства; проведена оценка силы, с которой ОА-пинцет действует на частицу; получено пространственное распределение потенциала усредненной силы радиационного давления.
Постановка задачи и основные теоретические положения.
В ОА-пинцете удержание пузырька в требуемом месте и перемещение по заданной траектории осуществляется под действием усредненной силы радиационного давления, действующей на взвешенные в жидкости частицы в присутствии акустических полей. Под действием этой силы находящийся в жидкости газовый пузырек будет стремиться занять определенное положение. Рассмотрим сфокусированный лазерный пучок, проходящий через слабопоглощающую жидкость (рис. 1).

Заключение. Таким образом, ОА-пинцет со сфокусированным лазерным пучком при приемлемых частоте и энергии импульса лазерного излучения может воздействовать на взвешенные в воде газовые пузырьки диаметром порядка 1 мкм силой ~3 пН, что позволяет удерживать пузырьки в требуемой области или перемещать их по заданной трехмерной траектории. Такой же порядок сил дают более сложные современные оптические пинцеты.
Положение потенциальной ямы, находящейся всегда в центре перетяжки лазерного пучка, не зависит от длительности импульса и диаметра перетяжки. Благодаря этому возможно использование практически любых лазеров с длительностью импульса от единиц до сотен наносекунд. Также ОА-пинцет может быть встроен практически в любую оптическую систему.

Полное содержание статьи: http://engjournal.ru/articles/825/825.pdf