Министерство образования и науки РФ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования

Самарский государственный аэрокосмический университет им. Академика с.П.Королёва (национальный исследовательский университет)

Факультет информатики

Кафедра технической кибернетики

Отчет по летней практике

«Исследование механизмов оптического захвата в воздухе»

Выполнил: студент группы 6206Б307

Шипилов А.С.

Научный руководитель:

Порфирьев А.П.

Руководитель практики:

Котляр В.В.

Оценка_______________

САМАРА 2015

Содержание

Введение 3

Обзор изученной литературы 5

Заключение 28

Список используемой литературы 29

Введение

Существует три главных типа ловушек для оптического захвата, а именно: ловушка из одиночного луча, позже развитая, чтобы использовать градиентную силу от единственного сильно сфокусированного лазерного луча; ловушка из двойного луча, позволяющая осуществлять трехмерный захват, основанная на равновесии сил между противоположно распространяющимися лучами; и пучки типа световые «бутылки». Вероятно, самыми распространенными в биологии являются ловушки из одиночного луча для прозрачных частиц, взвешенных в жидкостях. Дальнейшее развитие методов формирования лазерных лучей, например, с использованием пространственных световых модуляторов, привело к возникновению так называемого голографического оптического пинцета, позволяющего осуществлять одновременный контроль над большим количеством частиц.

Захват прозрачных частиц в газах после оригинальных экспериментов над левитацией в воздухе и вакууме при помощи давления света был распространён позже для поднятия в воздухе стеклянных сфер и капель жидкости.

Захват поглощающих частиц в жидкостях подобен захвату так называемых прозрачных частиц с низким коэффициентом поглощения в том смысле, что и те, и другие стремятся к минимумам интенсивности, в отличие от прозрачных частиц с показателем преломления выше, чем у окружающей среды. На частицы с низким коэффициентом поглощения градиентная сила действует отталкивающе, в то время как для отражающих частиц (например, микроскопический металл), или поглощающих, силы притяжения градиента небольшие по сравнению с отталкивающими силами из-за прямой передачи импульса от рассеянных или поглощенных фотонов. Однако, для частиц металла меньших, чем длина волны, притягивающая сила излучения может быть больше других сил, включая тепловые.

Захват поглощающих частиц в газах с использованием оптического пинцета невозможен из-за радиометричеких сил, называемых фотофоретическими, которые всегда больше сил давления света.

Фотофорезис был обнаружен Эренхафтом в ходе изучения элементарного электрического заряда. Фотофорезис определен как вызванное светом перемещение микрочастиц в газообразной среде. Фотофорезис происходит, когда поверхность частицы в газообразной среде неоднородно нагрета лучом падающего света. При таком анизотропном нагревании газовые молекулы отскакивают от поверхности с различными скоростями, создающими суммарную силу на частице. Для случая сферической частицы, в зависимости от того, какая поверхность – передняя или задняя, более горячая, частица будет двигаться от источника света (положительный фотофорезис) или к источнику света (отрицательный фотофорезис). Грубое сравнение силы давления света, Frp = P/c, созданной лучом с мощностью P, с силой фотофорезиса, Fpp = P/3v, для частиц с нулевой теплопроводностью показало, что для воздуха при комнатной температуре последняя больше на несколько порядков, Fpp/Frp = c/3v = 6×10⁵, где c – скорость света, v – скорость молекул газа.

Радиометрическая левитация была продемонстрирована на несколько лет раньше, чем эксперименты над захватом силой давления, однако стабильный захвата при помощи фотофорезиса и манипуляция частицами не были реализованы.