Мініатюрна голографічна "twin trap" пастка.

Оптичні пінцети – це технологія, що дозволяє утримувати та переміщувати мікрочастинки за допомогою світлового променя. Вона відкриває можливості для безконтактної маніпуляції біологічними об’єктами, наночастинками та мікроскопічними елементами з високою точністю. Мініатюризація таких систем особливо важлива для застосувань у мікрофлюїдних лабораторіях “на чипі”, біомедичних приладах та пристроях для дослідження клітин у їх природному середовищі. Компактні оптичні пастки можуть працювати без складних оптичних систем, інтегруватися в мікрочіпи та працювати паралельно з багатьма об’єктами одночасно, що суттєво розширює їх практичний потенціал у біотехнологіях, діагностиці та нанофабрикації.

Стаття присвячена розробці та демонстрації мініатюрної голографічної “twin trap” оптичної пастки, виготовленої методом двофотонної літографії (TPL) для утримання мікрочастинок у водному середовищі. Запропонована конструкція складається з гібридної рефракційно-дифракційної мікролінзи, надрукованої на скляній підкладці, яка формує два аксіально рознесені фокуси. Дзеркало, розташоване між ними, відбиває дальший фокус і точно накладає його на ближчий, утворюючи контрпропагуючу пастку. Така інтеграція дифракційного елемента безпосередньо в об’єктивну поверхню забезпечує компактність і спрощує використання в мікрофлюїдних каналах.

На рисунку 1 зображено: (a) 3D-надруковану іммерсійну лінзу на скляній підкладці, змонтовану навпроти частково відбивного дзеркала. Разом вони утворюють вузький канал. Гібридна рефракційно-дифракційна поверхня лінзи створює два аксіально рознесені фокуси, які точно суміщуються дзеркалом для формування контрпропагуючої пастки. (b) Оптичну схему голографічної twin trap пастки. (c) Мікроскопічне фото секційного друку системи

Рисунок 1 – Конструкція гібридної мікролінзи та принцип дії twin trap пастки.

Оптимізація оптичної частини виконувалась для довжини хвилі 532 нм. Числова апертура становить NA = 0,79 для першого порядку та NA = 0,53 для нульового. Відстань між фокусами складає 50 мкм, що вимагає точного позиціонування дзеркала на половині цієї відстані для досягнення максимального перекриття променів. Таке рішення дозволяє утримувати частинки з рівномірними силами у протилежних напрямках та спрощує паралелізацію за рахунок можливості друку масиву пасток на одній підкладці.

На рисунку 2 зображено: (a) Схему експериментальної установки та збільшений вигляд області підкладки. Мікролінза на підкладці освітлюється колімованим лазерним світлом. Точні регулювання використовуються для позиціонування лінзи відносно дзеркала та захоплюваних частинок. Яскравопольне освітлення дозволяє спостерігати процес захоплення через напівпрозоре дзеркало. (b) Зображення, отримане за допомогою експериментальної установки: видно сфокусований перший порядок і розфокусований нульовий порядок, а також полістиролові частинки у воді.

Рисунок 2 – Експериментальна установка для роботи з twin trap пасткою

Ключовим етапом роботи стало досягнення балансу інтенсивностей між фокусами першого та нульового порядків, що впливає на стабільність захоплення.

На рисунку 3 зображено: (a) Схему, що ілюструє методику вимірювання профілю інтенсивності. Сканування області фокусів виконувалось без дзеркала. (b) Ілюстрацію зміни масштабного коефіцієнта a_sc для висоти дифракційного оптичного елементу (DOE) та порівняння з конфокальним вимірюванням поверхні надрукованого DOE, виготовленого з a_sc = 0,94, що показує вплив похибок друку. (c) Дослідження відтворюваності дифракційної ефективності. Для шести систем з різною висотою DOE було надруковано кілька лінз і виміряно співвідношення інтенсивностей першого та нульового порядків. Графік показує середні значення та стандартні відхилення. (d) Порівняння ідеального профілю поверхні DOE з a_sc = 0,45 та конфокального вимірювання реального профілю, виготовленого з asc = 0,94. (e) Симуляцію методом хвильового розповсюдження (WPM) для системи з a_sc = 0,45. (f) Експериментально виміряний профіль інтенсивності для системи, виготовленої з a_sc = 0,94.

Рисунок 3 – Аналіз параметрів та точності виготовлення DOE.

На рисунку 4 зображено: (a–c) Послідовні кадри експерименту, що демонструють успішне поперечне переміщення захопленої 3-мікрометрової полістиролової частинки. (d) Зображення оптичної пастки без частинки. (e–f) Горизонтальні зрізи через центр пастки, що відповідають кадрам (a) та (d). (g) Поперечне зміщення захопленої частинки в часі по осях x та y. (h) Визначене положення частинки на основі 1000 послідовних кадрів за 10 секунд.

Рисунок 4 – Результати експериментів із захоплення частинки twin trap пасткою.

Отримані значення жорсткості пастки становили κₓ = 0,24 пН/мкм і κᵧ = 0,41 пН/мкм, а переміщення частинки сягало 15 мкм без втрати стабільності.

Проведене дослідження підтвердило ефективність мініатюрної голографічної пастки з інтегрованим дифракційним елементом, виготовленої методом TPL. Конструкція має компактні розміри (довжина 142 мкм, діаметр 220 мкм), сумісна з мікрофлюїдними системами та може бути легко масштабована шляхом друку масивів лінз. Основним обмеженням є чутливість до похибок виготовлення DOE, що потребує подальшої оптимізації технологічного процесу.

Розробка таких систем має перспективи у багатьох сферах. У біомедицині вони можуть бути використані для дослідження окремих клітин, вірусів чи біомолекул без фізичного контакту, у нанотехнологіях – для маніпуляцій наночастинками під час їх синтезу чи збірки, а в хімічному аналізі – для дослідження реакцій у мікрооб’ємах. Поєднання компактності, можливості інтеграції в “лабораторії на чипі” та точного керування частинками робить мініатюрні голографічні пастки інструментом, здатним значно розширити можливості сучасної науки та технологій.

Kathrin Doth, Marco Wende, Johannes Drozella, Tobias Haist, Alois Herkommer, Andrea Toulouse Journal of Optical Microsystems, Vol. 5(2), 024501 (Apr–Jun 2025). DOI: 10.1117/1.JOM.5.2.024501