[論文レビュー] Controllable light capsules employing modified Bessel-Gauss beams

Lei Gong, Weiwei Liu+5 more|arXiv (Cornell University)|May 11, 2016

Orbital Angular Momentum in Optics参考文献 53被引用数 3

ひとこと要約

本稿では、修正されたビessel-ガウスビームを用いて、近似的に完全な暗黒を有する制御可能な三次元光キャビティ（光学ボトル）を生成する新規な手法を提案する。ビームパラメータの調整と、正確な振幅および位相制御が可能なバイナリーデジタルミラーデバイス（DMD）の活用により、コアシェル構造の磁性マイクロ粒子を光学的に捕らえることが可能となるような、可変なボトル幾何形状を実現した。本研究により、吸収性粒子およびエアロゾルのマイクロ操作分野に新たな可能性が開かれる。

ABSTRACT

We report, in theory and experiment, on a novel class of controlled light capsules with nearly perfect darkness, directly employing intrinsic properties of modified Bessel-Gauss beams. These beams are able to naturally create three-dimensional bottle-shaped region during propagation as long as the parameters are properly chosen. Remarkably, the optical bottle can be controlled to demonstrate various geometries through tuning the beam parameters, thereby leading to an adjustable light capsule. We provide a detailed insight into the theoretical origin and characteristics of the light capsule derived from modified Bessel-Gauss beams. Moreover, a binary digital micromirror device (DMD) based scheme is first employed to shape the bottle beams by precise amplitude and phase manipulation. Further, we demonstrate their ability for optical trapping of core-shell magnetic microparticles, which play a particular role in biomedical research, with holographic optical tweezers. Therefore, our observations provide a new route for generating and controlling bottle beams and will widen the potentials for micromanipulation of absorbing particles, aerosols or even individual atoms.

研究の動機と目的

• 高濃度の暗黒性と可変な幾何形状を有する制御可能な三次元光キャビティの新規クラスの開発。
• 修正ビセル-ガウスビームの固有の性質を活用し、伝搬中に自然に光学ボトルを形成すること。
• ビームパラメータの調整により、光学トラップの形状およびサイズを正確に制御すること。
• これらのビームに基づくホログラフィックトラッピングを用いて、コアシェル構造の磁性マイクロ粒子の光学的捕らえを実証すること。
• DMDを用いたビーム形状制御により、再構成可能でスケーラブルな光学ボトルの生成および操作手法を提供すること。

提案手法

• 自己修復性と非回折性を有するビームとして、中心強度がゼロとなる特性を持つ修正ビセル-ガウスビームの利用。
• ビームの順序、径方向モード、ビーム幅の最適化により、光学ボトルのサイズおよび形状を制御。
• バイナリーデジタルミラーデバイス（DMD）を用いて、正確な振幅および位相変調を実施し、ビームを所望のボトル形状に整形。
• 整形されたビームを用いたホログラフィック光学トラッピングの実装により、マイクロ粒子の捕らえと操作を実現。
• 三次元的な暗黒領域の形成を予測するため、ビームの強度および位相分布の理論的モデリング。
• さまざまなビーム設定下での光学ボトル形成および粒子捕らえの実験的検証。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 修正ビセル-ガウスビームは、伝搬中に高濃度の暗黒性を有する三次元光学ボトルを自然に形成できるか？
• RQ2 ビームパラメータの調整により、光学ボトルの幾何形状をどの程度制御できるか？
• RQ3 DMDベースのシステムは、所望のボトル形状を生成するために、ビームをどの程度正確に形状制御できるか？
• RQ4 生成された光学ボトルは、コアシェル構造の磁性マイクロ粒子を安定して捕らえることができるか？
• RQ5 本手法は、吸収性粒子およびエアロゾルの捕らえにおいて、どのような限界と能力を有するか？

主な発見

• 修正ビセル-ガウスビームは、固有の強度ノードと自己修復性のおかげで、中心に暗黒領域を有する三次元光学ボトルを形成する。
• ビームの順序や径方向モードなどのパラメータを調整することにより、光学ボトルのサイズおよび形状を動的に制御可能である。
• DMDを用いたビーム形状制御技術により、正確な振幅および位相制御が可能となり、複雑なボトル幾何形状の信頼性ある生成が可能となった。
• 光学捕らえ実験により、ボトルの暗黒領域内にコアシェル構造の磁性マイクロ粒子が安定して閉じ込められることを確認した。
• 本手法により、再構成可能で非回折性の光学トラップが実現され、吸収性粒子、エアロゾル、さらには個々の原子の操作にも適している。
• 理論的および実験的結果から、捕らえの過程での光ダメージを最小限に抑えるために不可欠な、ほぼ完全な暗黒領域の形成が確認された。