CC BY
9
УДК: 535.3+535.5+535.8
Соломатин А.С., Панкрушина А.В., Царева Е.В, Мащенко В.И., Ермакова М.В.
ЖИДКОКРИСТАЛЛИЧЕСКИЕ КОМПОЗИТНЫЕ ЯЧЕЙКИ ДЛЯ ОПТИЧЕСКОГО ПИНЦЕТА
Соломатин Алексей Сергеевич, д.т.н., профессор,е-таП: Sotrudnica_UNC@mail.ru
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
Разработан матричный оптический элемент изполученных в результате поликонденсации полидиметилсилоксана с концевыми гидроксильными группами с борной кислотой при комнатной температуре жидкокристаллических композитовна основе 4-циано-4-октилоксидифенила и боросилоксановых гелей. Предложены оригинальные оптические конструкции на основе новых жидкокристаллических композитов. Показана их актуальность в качестве элементной базы средств оптического манипулирования ультрадисперсными частицами и средами. Предложены методы манипулирования ансамблем частиц, для которых резко различны длины волн для их захвата и удержания оптическим пинцетом.
Ключевые слова: оптическая анизотропия, оптический пинцет, боросилоксановые гели, жидкокристаллические композиты.
LIQUID CRYSTAL COMPOSITE CELLS FOR OPTICAL TWEEZERS
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
A matrix optical element was developed from liquid crystal composites based on 4-cyano-4-octyloxydiphenyl and borosiloxane gels obtained as a result of polycondensation of polydimethylsiloxane with terminal hydroxyl groups with boric acid at room temperature. Original optical designs based on new liquid crystal composites are proposed. Their relevance as an element base for optical manipulation of ultradisperse particles and media is shown. Methods for manipulating an ensemble of particles with sharply different wavelengths for capturing and holding them with optical tweezers are proposed.
Keywords: optical anisotropy, optical tweezers, borosiloxane gels, liquid crystal composites.
Введение
Нематические жидкие кристаллы (ЖК) [1] и ЖК-композиты [2] широко применяются воптоэлектронных устройствах, управляемых электрическим полем с низким
энергопотреблением.Актуальны новые
конструктивные решения средств оптического манипулирования ультрадисперсными средами и системами. В данной работе, являющейся продолжением [2-5], предложены новые решения на основе ЖК-композитов, обладающих
перспективными оптическими свойствами. В [3-6] разработан способ их формирования, экспериментально изготовлены цилиндрические ЖК-композитные нити.Предложено в [3] использовать твист-структуры [7] на их основе.
Получение ЖК-композита
К новым решениям в области элементной базы, где в качестве работающего элемента используется единичная капля, относятся микрорезонаторы, работающие на физическом эффектеWhispering-gallerymode (ШвМ) - распространении волн вблизи изогнутых границ раздела двух сред(волнах шепчущей галереи) [8]. Достаточно давноизвестныкапли ЖКв качестве
функционального оптического или
электрооптического элемента миниатюрного устройства, и в том числе капли, заключенные в поддерживающую матрицу в ЖК-композитах на основе оптически прозрачных силиконовых материалов, доступных и технологичных.
Для формирования микрокапель ЖК в силиконовой матрице применен оригинальный
подход [5]. С использованием основанной на эффекте образования Рэлеевских мостов жидкости оригинальной методики [3-6] получены ЖК-композиты на основе специально сформированных одноосно вытянутых боросилоксановых (БС) гелей. Вытяжка композитов выше температуры плавления ЖК приводит к получению микроцилиндрических структур, которые постепенно дробятся на капли. Полученный БС-гель и ЖК-композиты на его основе при одноосном растяжении ведут себя подобно полимерной пленке. Свойства текучести, характерные для вязких жидкостей, композит проявляет после снятия внешнего растягивающего напряжения.
К кристаллизации ЖК и к долговременному фиксированию полученных микроструктур приводит резкое охлаждение ниже температуры плавления ориентированных ЖК-композитов 4-циано-4-октилоксидифенил (8ОЦБ) на основе БС-геля. Могут быть получены, в зависимости от температурных режимов ориентирования и термофиксации композитов, различные
микроструктуры (с размерами от долей до десятков микрон) ЖК-фазы в БС-матрицах.
Для формирования линз ЖК [9, 10] перспективно создание микроструктур ЖК в боросилоксановых (БС) [3-5] матрицах с получением микрокапель и микроцилиндров различной геометрии. В [5] предложена матрица ЖК (или ЖК-композитных) микролинз и твист-ячеек.
Оптическое манипулирование объектами
Рассмотрим случай: частица много меньше длины волны.Для металлов и диэлектриковмеханизм рассеяния света одинаков. Для металлических частицсразу под перетяжкой в кольцевой части Лаггер-Гауссова пучка ^=1), направленного снизу вверх,осуществляетсятрехмерный захват.
Бесселевым пучком осуществляется для группы частиц захват и манипулирование (направлен снизу вверх).
Рассмотрим случай: частица меньше длины волны или сопоставима с ней. Для диэлектрической частицы,захват происходит в соответствии с тем, что луч света - электромагнитная волна.Под действием поля нейтральные атомы и молекулы поляризуются -у каждой нейтральной частицы появляется дипольный момент,пучки поляризуемых молекул и частицы смещаются в область максимальной интенсивности излучения,собираются на оси оптического луча, ориентируясь(при постоянном дипольном моменте)вдоль по электрическому полю лазерного излучения - прозрачная среда (жидкость)становится оптически анизотропной.
Перемещаться вдоль
лучанепрозрачнуючастицу(поглощающую или
отражающую)заставляетдавление света.
Перемещаться вдоль и поперек луча прозрачную частицу заставляетнеравномерность
плотностиэнергиикак вдольсветового пучка, так и в сечении. К наименьшей интенсивности пучка (от оси
луча, а в сфокусированном луче от фокуса) перемещается(вылетает из луча) частица с показателем преломления меньшим, чем у окружающей прозрачной среды. К наибольшей интенсивности пучка (к оси луча, а в сфокусированном луче к фокусу)
перемещается(затягивается в луч) частица с показателем преломления большим, чем у окружающей прозрачной среды.
В сильно сфокусированном пучкестабильно захватывается большинство биологических объектов. Это связано с тем, что их показатель преломления выше, чем у воды.
Сильно сфокусированным кольцевым (полым) пучкомзахватываютсячастицы с низким показателем преломления. Они собираются в центральной (осевой) темной части.
Интерес представляет интерференция падающей и отраженной волн. В пучностях стоячей волнылокализуютсямикроскопические объекты. Между максимумами интенсивности поля стоячих волн- точка стабильного равновесия. В нее могут быть захваченынейтральные атомы. Для создания стоячей волныдно кюветы следует покрыть отражающим слоем.
Пучок нейтральных атомовможет быть отклонен поперечными дипольными силами давления излучения, действующими на индуцированный атомный диполь.Силы пропорциональны градиенту электрического поля. Для этого частота света должна быть настроена близко к атомному резонансу. Луч лазерадолжен быть параллелен
распространяющемуся пучку атомов.
Оптические элементы на основе ЖК-композитов и их применение
Тепловые колебания частицы могут привести к ее выходу из луча. Если луч не сфокусирован, то вследствие его расширения градиент уменьшается.По мере снижения (удаляясь от источника луча) привлекающего управляемую частицу к оси лучаградиента интенсивности, она обязательно будет утрачена.
Для фокусировки луча (чтобы луч мог перемещать частицу к области фокуса) в порах матрицы (рис.1) устанавливаются микролинзы ЖК [9, 10] с фокусными расстояниями от десятков микрон до десятков миллиметров.Для регулировки [3-5]интенсивности (управляется электрическим полем прозрачных торцевых электродов вплоть до погашения луча) и поляризации (при изготовлении может быть задана поляризация по какому-либо заранее выбранному правилу для различных пор матрицы) устанавливаются ЖК-композитные твист-элементы.
Структуры из ориентированных кристаллитов переходят в ЖК-фазу при нагревании композитов выше температуры плавления 8ОЦБ (55°С) и могут быть приложением электрического поля, пространственно распределенного по некоторому заранее заданному правилу, переориентированы [9]
под другое фокусное расстояние. Необходимо нагретый (выше 55°С) ЖК в матрицах сначала сориентировать, а затем зафиксировать (обеспечить охлаждение, возможно, внешней средой при достаточном теплообмене) ориентированное состояние при помощи кристаллизации ЖК. Нагрев ЖК-композита выше 55°С для перехода между режимами требует включения соответствующих средств в конструкцию.
Рис. 1.: 1 прозрачный слой над матрицей; 2 непрозрачный слой, в нем матрица цилиндрических пор, заполненных ЖК-композитом; 3 прозрачный слой под матрицей.
Выводы
Разработана основанная наориентированных ЖК-композитах4-циано-4-октилоксидифенил (8ОЦБ) на основе БС-геля конструкция, позволяющая управлять распределением светового потока в различных (по фокусному расстоянию) режимах.Материалы на базе исследованных ЖК-композитов могут быть использованы в дисплейной технике и оптоэлектронике.
Отмечена возможность изменения спектральных характеристик луча с использованием WGM эффекта. Это создает перспективу применения полупроводниковых лазеров - удобных и недорогих - с преобразованием их спектра оптимально для манипулирования ультрадисперсными частицами предопределенного заранее сорта.
Предложенные конструктивные решения не исключают формирование полого сфокусированного луча для манипулирования частицами с малым (по сравнению с окружающей средой) показателем преломления.
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.
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., СоломатинА.С., ЧаусовД.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. Виноградов А.В., Ораевский А.Н. Волны шепчущей галереи // Соросовский образовательный журнал. - 2001. - Т.7. - №2. - С.96 - 102.
9. Невская Г.Е. Адаптивные линзы на основе жидких кристаллов. / Г.Е. Невская, М.Г. Томилин // Оптический журнал. - 2008. - Т.75. - №9. - С.35-48.
10. Соломатин А.С. Линзы на основе жидких кристаллов с неоднородным радиальным распределением директора // Вестник Московского государственного областного университета. Серия: Физика-математика. - 2016. - № 3.- С. 37-45.
