Принципы формирования и действия оптических ловушек
Оптические ловушки представляют собой устройства, использующие давление света для удержания, перемещения и манипулирования микроскопическими объектами, такими как атомы, молекулы, наночастицы, клетки и вирусы. Основу действия ловушек составляет перенос импульса фотонов, который при определённых условиях позволяет стабильно удерживать объекты в фокусе лазерного пучка.
На объект, находящийся в оптическом поле, действуют две основные силы:
Для создания устойчивой ловушки необходимо, чтобы градиентная сила превышала силу рассеяния. Это достигается использованием сильно сфокусированных гауссовых пучков с высоким числом NA (апертурное число), обеспечивающих крутой градиент поля вблизи фокуса.
Режим Рэлея реализуется, когда размер частицы d ≪ λ, где λ — длина волны света. В этом случае частица ведёт себя как индуцированный диполь в переменном электрическом поле. Потенциальная энергия взаимодействия определяется выражением:
$$ U = -\frac{1}{2} \alpha E^2 $$
где α — поляризуемость частицы, E — амплитуда электрического поля. В этом режиме градиентная сила пропорциональна градиенту интенсивности поля:
$$ \vec{F}_\text{grad} = \frac{1}{2} \alpha \nabla E^2 $$
Режим Ми применяется при d ∼ λ. В этом случае необходимо учитывать полный электродинамический анализ, включая интерференцию, преломление и рассеяние. Вычисление сил требует использования подходов, основанных на уравнениях Максвелла и методах, таких как метод общего Мома или численное моделирование Mie-теории.
Однолучевая оптическая ловушка создаётся за счёт сильного фокусирования одного лазерного пучка. Такая ловушка может захватывать объекты в трехмерной области фокуса. Применение линз с высоким NA позволяет достичь высокой локализации и градиентных сил.
Двухлучевые ловушки применяют два противоположно направленных пучка, уравновешивая силы рассеяния. Такая схема обеспечивает более стабильное удержание объектов, особенно в жидкой среде.
Оптические пинцеты – специализированные однофокусные ловушки, управляемые лазерной фокусировкой и часто применяемые в биофизике. Используя акустооптические или электрооптические модуляторы, положение фокуса может изменяться в реальном времени, позволяя перемещать захваченные объекты с высокой точностью.
Для атомных систем высока важность минимизации теплового движения, которое мешает устойчивому удержанию. Здесь используются методы лазерного охлаждения, такие как эффекты Доплера и сиайденса (Sisyphus cooling), позволяющие снизить кинетическую энергию атомов до микрокельвиновых и субмикрокельвиновых температур.
После охлаждения атомы могут быть захвачены в дипольные ловушки, формируемые от красносмещённого лазерного излучения. Потенциальная яма ловушки пропорциональна интенсивности поля и обратна к красному смещению:
$$ U(\vec{r}) \propto -\frac{I(\vec{r})}{\Delta} $$
где Δ = ω − ω0 — отстройка частоты лазера от резонанса.
Оптические решётки создаются путём интерференции двух или более когерентных лазерных пучков. Возникает периодический потенциальный рельеф, в котором можно удерживать множество атомов, создавая массивы, аналогичные кристаллической решётке.
Положение атомов в ячейках такой решётки можно манипулировать с помощью изменения фазы или частоты лазеров. Это открывает возможности для моделирования квантовых систем, квантовых симуляций и создания квантовых регистров.
Поляризация лазерного пучка оказывает влияние на поведение частиц в ловушке. Например, круговая поляризация может создавать оптические вихри с орбитальным моментом, что позволяет манипулировать вращением захваченных частиц. Ловушки, основанные на градиенте поляризации (например, в конфигурациях с неравными поляризациями перекрещивающихся пучков), позволяют реализовать более сложные потенциальные рельефы.
Акустооптическое управление позволяет оперативно изменять положение ловушки за счёт изменения частоты ультразвукового сигнала в акустооптическом модуляторе. Это обеспечивает динамическое управление положением одной или нескольких ловушек.
Голографические оптические ловушки используют пространственные модуляторы света (SLM), формирующие множество фокусных пятен на основе фазовой модуляции волнового фронта. Такой подход позволяет создавать многократные ловушки одновременно и манипулировать частицами независимо.
Становится всё более актуальным развитие оптических ловушек в интегрированных фотонных системах, микрорезонаторах, волноводных платформах, а также их использование в комбинации с магнитными и электрическими ловушками. Современные исследования сосредоточены на реализации оптических ловушек с топологическими свойствами, квантовых симуляторов на решётках, и гибридных схем управления квантовыми битами в системах, управляемых светом.
Оптические ловушки являются важнейшим инструментом современной экспериментальной физики, соединяющим в себе лазерную оптику, квантовую механику, биофизику и нанотехнологии.