CC BY
10
УДК: 535.3+535.5+535.8
Соломатин А.С., Панкрушина А.В, Царева Е.В, Мащенко В.И., Ермакова М.В.
ТРЕХМЕРНОЕ ОПТИЧЕСКОЕ МАНИПУЛИРОВАНИЕ НА ОСНОВЕ ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИХ КОМПОЗИТОВ
Соломатин Алексей Сергеевич, д.т.н., профессор, e-mail: [email protected]
Панкрушина Алла Вадимовна, к.т.н., доцент
Царева Елена Владимировна, к.т.н., доцент
Кафедра Информатики и Компьютерного Проектирования
Российский Химико-Технологический Университет им.Д.И. Менделеева, Москва, Россия 125480, Москва, ул. Героев Панфиловцев, д.20
Мащенко Владимир Игоревич, к.х.н., с.н.с учебно-научной лаборатории теоретической и прикладной нанотехнологии Московский государственный областной университет (МГОУ) 141014, Московская область, г.Мытищи, ул. Веры Волошиной, д. 24.
Ермакова Мария Вадимовна магистрант факультета Инженерная Академия Российского Университета Дружбы Народов
Рассмотрено, для обеспечения многостадийной селекции частиц и трехмерного оптического манипулированияпространственно-неоднородными средами, применение новых конструктивных решений на основе 4-циано-4-октилоксидифенила и боросилоксановых гелей.
Ключевые слова: оптическая анизотропия, оптический пинцет, боросилоксановые гели, жидкокристаллические композиты.
THREE-DIMENSIONAL OPTICAL MANIPULATION BASED ON LIQUID CRYSTAL COMPOSITES
Solomatin A.S., Pankrushina A.V., Tsareva Е.У., Mashchenko V.I.*, Ermakova M.V.* Department of Computer Science and Computer Engineering D. Mendeleev University of Chemical Technology of Russia, Moscow, Russia *Moscow Region State University, 24 Very Voloshinoy str., 141014, Mytishi, Russia
The use of new design solutions based on 4-cyano-4-octyloxydiphenyl and borosiloxane gels is considered to provide multistage selection ofparticles and three-dimensional optical manipulation of spatially inhomogeneous media.
Keywords: optical anisotropy, optical tweezers, borosiloxane gels, liquid crystal composites.
Введение
Оптическое манипулирование, и в том числе пространственно неоднородное распределение спектрально селективных светоориентируемых частиц и трехмерное манипулирование ими, конструктивные решения и новые
жидкокристаллические (ЖК) композитные [1,2] материалырассмотрены в данной работе, являющейся продолжением [3-5]. Предложено использовать микроструктуры ЖК в борсилоксановых (БС) [3-6] композитах для формирования твист-структур[7] регуляторов интенсивности поляризованного света и микролинз [8,9] для фокусировки луча.
Оптический пинцет
Микроструктуры ЖК размещаются в цилиндрическихпорах матрицы(рис.1). Фокусные расстояния микролинз ЖК составляют от десятков микрон до десятков миллиметров. Твист-структуры регулируют интенсивность луча, управляемые электрическим полем прозрачных торцевых электродов. Поляризация задается при изготовлении матрицы по какому-либо правилу индивидуально
для каждой цилиндрической поры. Интерес представляет возможность в дискретные периоды времени перенастраивать фокусные расстояния микролинз ЖК, которые в остальное время энергонезависисмы.
К долговременному фиксированию полученных микроструктур приводит охлаждение ниже температуры плавления ориентированных ЖК-композитов 4-циано-4-октилоксидифенил (8ОЦБ) на основе БС-геля. Кристаллизация ЖКс размерами, в зависимости от температурных режимов ориентирования и термофиксации композитов, от долей до десятков микрон ЖК-фазы в БС-матрицах.Требуются конструктивные
электронагревательные элементы,
чтобыприложением электрического поля
переориентировать [8] под другое фокусное расстояние линзы ЖК при нагревании композитов выше 55°С - температуры плавления 8ОЦБ (структуры из ориентированных кристаллитов переходят в ЖК-фазу).
Рис. 1. 1 прозрачный слой над матрицей; 2 непрозрачный слой, в нем матрица цилиндрических пор, заполненных ЖК-композитом; 3 прозрачный слой под матрицей.
Луч поляризованного света заданного спектрального диапазона избирательно захватывает частицы, прозрачные в данном диапазоне, с показателем преломления больше, чем у окружающей среды, и притом по размеру меньше или сопоставимые с длиной волны. Захваченные частицы смещаются к оси луча и давлением света перемещаются к его фокусу. Если показатель преломления прозрачной частицы меньше, чем у окружающей среды, то частица смещается в темную область - выходит из луча или, если луч полый (сфокусирован в кольцевое сечение), то захватывается в осевой части. Если частица в заданном спектральном диапазоне непрозрачна, то она отталкивается лучом света и постепенно выходит из луча.
Оптический пинцет обеспечивает селекцию частиц по их способности покидать луч света
Для селекции частиц по комплексу характеристик часто используют мембранные технологии. В данной работе предлагается это сделать оптическим манипулированием.
Способность частиц выйти из луча определяется тепловыми колебаниями (температурой среды), прозрачностью частицы, ее показателем преломления, размерами и формой частицы, а также градиентом интенсивности потока излучения в поперечном сечении луча. Вблизи (рис.2) матрицы с порами - источниками лучей света область с исходной смесью частиц в прозрачной среде. Луч света захватывает удобные для манипулирования частицы, остальные из луча вытесняются, и затем луч перемещает частицы за экран с отверстиями (отверстия напротив пор матрицы), находящийся на расстоянии от матрицы несколько меньше фокусного. Затем луч подвергается перефокусировкеи перемещает частицы за следующий экран. И так несколько раз. По мере удаления от матрицы, луч слабее удерживает частицы, и они разделяются по способности выходить из луча под влиянием тепловых колебаний.
В результате в каждой локальной области между перфорированными экранами соберется своя отдельная по составу смесь частиц, что и требовалось. Кроме того, состав смеси сильно зависит от температуры - от тепловых колебаний, выводящих частицы из луча. Также смесь в принципе зависит от спектрального поддиапазона луча - определяющего сорт частиц, прозрачных в данном диапазоне. Интенсивность каждого индивидуального луча, регулируемая в широком диапазоне, позволяет создать любую заданную пропорцию различных по способности покидать лучзахваченных частиц, накопившихся в каждой из областей между перфорированными экранами. Таким образом, можно обеспечить широкое разнообразие собранных в областях между перфорированными экранами смесей
светоориентируемых частиц.
уф У лил Хо9
00
о? у ОХ
Рис.2. Оптическое манипулирование обеспечивает сортировку частиц по способности покидать луч света.
Оптический пинцет обеспечивает трехмерное манипулирование и селекцию частиц
Используя три взаимно перпендикулярно ориентированные матрицы (рис.1), можно сосредотачивать светоманипулируемые (подходящие по прозрачности в используемом спектральном диапазоне, величине показателя преломления, размерам) частицы в местах пересечения лучей с одинаковой поляризацией света, так как там будут максимумы интенсивности. По мере надобности, регулируя интенсивность индивидуального луча, можно отменять максимум в какой-то определенной точке, и тогда частицы пойдут вдоль интенсивного луча до следующего максимума интенсивности. Таким образом, можно создавать безо всяких перфорированных экранов любую по сложности трехмерную заранее заданную картину распределения светоориентируемых частиц для данного используемого спектрального диапазона или комбинации спектральных диапазонов (сортов частиц) и перемещать их вполне контролируемо от одной локальной окрестности (точки) пересечения лучей до заранее выбранной другой точки, то есть перестраивать трехмерное распределение частиц по своему усмотрению.
МАХ
Рис.3. Трехмерное оптическое манипулирование частицами.
Выводы
Оптическое манипулирование
ультрадисперсными средами и их многоступенчатое сепарированиев различных режимахраспределения светового потока обеспечивает конструкция, основанная наориентированных ЖК-композитах4-циано-4-октилоксидифенил (8ОЦБ) на основе БС-геля.
Показана перспективность оптического манипулирования для сепарирования смесей частиц и в том числе формирования смесей с заранее предопределенным составом.
Показана возможность формирования трехмерно распределенной и в том числе резко дискретной - в максимумах интенсивности - концентрационной неоднородности смеси частиц в прозрачной среде (жидкости) и возможность быстро и контролируемо перестраивать объемное концентрационное распределение частиц в широких пределах
Список литературы
1. Пикин С.А., Блинов Л.М., Жидкие кристаллы. - М.: Наука, 1982. - 208 с.
2. Жаркова Г.М., Сонин А.С. Жидкокристаллические композиты. - Новосибирск: Наука. 1994. 214 а
3. Соломатин А.С. Особенности формирования микроструктуры и оптические свойства жидкокристаллических композитных твист-ячеек /
A.С. Соломатин, В.И. Мащенко, Ю.О. Шашкова,
B.В. Беляев // Вестник Московского Государственного областного университета. Серия:
Физика-Математика. - 2017. - №2. - С.53 - 63. Б01: 10.183 84/2310-7251 -2017-2-53-63
4. Мащенко В.И. Особенности формирования микроструктуры жидкокристаллических композитов на основе боросилоксана / В.И. Мащенко, Ю.О. Шашкова, А.С. Соломатин, В.В. Беляев // Вестник Московского Государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. - 2017. -№2. - С.34 - 45. Б01: 10.18384/2310-7251-2017-2-3445
5. Мащенко В.И. Микроструктуры жидкокристаллических композитов на основе боросилоксана. Оптические свойства дисперсной жидкокристаллической структуры на их основе / В.И. Мащенко, А.С. Соломатин, Ю.О. Шашкова, В.В. Беляев // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика-Математика. - 2017. - № 3. - С.97 - 107. Б01: 10.18384/2310-7251-2017-3-97-107
6.БеляевВ.В.,МащенкоВ.И., Соломатин А.С., Чаусов Д.Н. Способ получения смеси жидкого кристалла с полимером для дисплейной техники и оптоэлектроники // Патент России №0002607454. 2016.
7. Коншина Е.А. Оптика жидкокристаллических сред. - СПб: СПб НИУ ИТМО, 2012. - 99 с.
8. Невская Г.Е. Адаптивные линзы на основе жидких кристаллов. / Г.Е. Невская, М.Г. Томилин // Оптический журнал. - 2008. - Т.75. - №9. - С.35-48.
9. Соломатин А.С. Линзы на основе жидких кристаллов с неоднородным радиальным распределением директора // Вестник МГОУ. Серия: Физика-математика. 2016. № 3. С. 37-45.
