Вплив компонент оптичного імпульсу та спіну еванесцентних хвиль на мікро- та нанооб’єкти (огляд)
Анотація
Актуальність. Механічні властивості світла знаходять широке застосування в прикладних сферах, таких, як оптичне захоплення та маніпулювання, сортування, деформування біологічних клітин та молекул. В загальному випадку, в еванесцентному полі можуть виникати три компоненти оптичного імпульсу та спінового кутового моменту (спіну), що при взаємодії з об’єктами проявляються у виникненні відповідної компоненти оптичної сили та обертального моменту. Такі неординарні властивості евансцентних хвиль відкривають нові можливості для маніпулювання мікро- та нанооб’єктами, в порівнянні з класичними оптичними пінцетами та маніпуляторами, що може бути застосовано для розв’язання прикладних задач, зокрема, біомедицини.
Мета роботи. Метою роботи є аналіз та узагальнення останніх досліджень стосовно механічного впливу з боку еванесцентного поля на мікро- та нанооб'єкти, зокрема, пов'язаного із впливом поперечних компонент оптичного імпульсу та спіну.
Матеріали і методи. Метод імпульсів дозволяє виділити в еванесцентному полі дію на частинки оптичних сил та обертальних моментів, пов’язаних із компонентами оптичного імпульсу та кутового моменту, різної природи та напрямку дії, в залежності від поляризації падаючої хвилі. Експериментальні методики маніпулювання частинками в ближньому полі дозволяють візуалізувати такий вплив, що робить його можливим для застосуваннях в прикладних задачах.
Результати. Нещодавні дослідження демонструють вплив на нано- та мікрооб’єкти таких «незвичайних» компонент оптичного імпульсу та спіну, як поперечний спіновий імпульс, поперечний спін, поперечна уявна компонента оптичного імпульсу та вертикальний спін. Пропонується застосування, зокрема, останніх, для розв’язання прикладних задач біомедицини, таких, як транспортування терапевтичних агентів в патологічні ділянки чи відновлення прохідності судин та кровопостачання тканин.
Висновки. Отримані результати теоретичного та експериментального дослідження механічної дії компонент оптичного імпульсу та спіну евансцентного поля дозволяють розширити підходи оптичного маніпулювання мікро- та нанооб'єктами, з можливістю прикладних застосувань, зокрема, в задачах біомедицини.
Завантаження
Посилання
Poynting JH. The momentum of a beam of light. Atti del IV Congresso Internazionale dei Matematici. 1909;3:169–74.
Poynting JH. The wave-motion of a revolving shaft, and a suggestion as to the angular momentum in a beam of circularly polarised light. Proc R Soc Lond A. 1909;82:560–7. http://doi.org/10.1098/rspa.1909.0060
Ashkin A. Acceleration and trapping of particles by radiation pressure. Phys Rev Lett. 1970;24:156–9. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.24.156
Padgett MJ, Molloy J, McGloin D. Optical Tweezers: Methods and Applications. CRC Press; 2010. 508 p.
Zenkova CYu, Gorsky MP, Ryabyj PA. Phase retrieval of speckle fields based on 2D Hilbert transform. Optical Memory and Neural Networks. 2015 Oct;24(4):303–8. https://doi.org/10.3103/S1060992X15040074
Angelsky OV, Zenkova CYu, Gorsky MP, Ryabiy PA. Search for methods of restoring spatial phase distribution of complex optical fields. The Open Optics Journal. 2014;8(1):3–13. http://doi.org/10.2174/1874328501408010003
Zenkova CYu, Gorsky MP, Ryabiy PA, Angelskaya AO. Additional approaches to solving the phase problem in optics. Appl Opt. 2016;55(12):B78–B84. https://doi.org/10.1364/ao.55.000b78
Bliokh KY, Nori F. Transverse spin of a surface polariton. Phys Rev A. 2012 Jul;85(6):061801. https://doi.org/10.1103/PhysRevA.85.061801
Bliokh KY, Bekshaev AY, Nori F. Extraordinary momentum and spin in evanescent waves. Nat Commun. 2014;5:3300. https://doi.org/10.1038/ncomms4300
Bliokh KY, Nori F. Transverse and longitudinal angular momenta of light. Phys Rep. 2015;592:1–38. https://doi.org/10.1016/j.physrep.2015.06.003
Antognozzi M, Bermingham C, Harniman R, Simpson S, Senior J, Hayward R, et al. Direct measurements of the extraordinary optical momentum and transverse spin-dependent force using a nano-cantilever. Nat Phys. 2016;12:731–5. https://doi.org/10.1038/nphys3732
Bekshaev AY. Dynamical characteristics of an electromagnetic field under conditions of total reflection. J Opt. 2018;20(4):045604. https://doi.org/10.1088/2040-8986/aab035
Jackson JD. Classical electrodynamics. New York: John Wiley & Sons; 1998. 832 p. ISBN: 978-0-471-30932-1
Andrews DL. Structured light and its applications: An introduction to phase-structured beams and nanoscale optical forces. Amsterdam: Elsevier; 2008. 400 p. ISBN: 9780123740274
Angelsky OV, Polyanskii PV, Mokhun II, Zenkova CYu, Bogatyryova HV, Felde CV, et al. Optical measurements: polarization and coherence of light fields. Modern Metrology Concerns, Dr. Luigi Cocco (Ed.). INTECH Open Access Publisher; 2012. pp. 263–316. https://doi.org/10.5772/36553
Bekshaev AY, Angelsky OV, Sviridova SV, Zenkova CYu. Mechanical action of inhomogeneously polarized optical fields and detection of the internal energy flows. Advances in Optical Technologies. 2011;723901. https://doi.org/10.1155/2011/723901
Keigo I, editor. Boundaries, near-field optics and near-field imaging. In: Elements of photonics. Vol. I: In Free space and special media. New York: John Wiley & Sons; 2002. p. 110–65. ISBN: 0-471-83938-8
de Fornel F. Evanescent waves: From newtonian optics to atomic optics. Berlin: Springer; 2001. 270 p. ISBN: 978-3-540-65845-0
Axelrod D. Chapter 1 – Evanescent excitation and emission. In: Anda Cornea, P. Michael Conn, editors. Fluorescence microscopy: Super-resolution and other novel techniques. 1st ed. Waltham: Elsevier; 2014. p. 1–14. https://doi.org/10.1016/B978-0-12-409513-7.00001-4 ISBN: 978-0-12-409513-7
Jozefowski L, Fiutowski J, Kawalec T, Rubahn H-G. Direct measurement of the evanescent-wave polarization state. J Opt Soc Am B. 2007;24:624–8. https://doi.org/10.1364/JOSAB.24.000624
Kawalec T, Józefowski L, Fiutowski J, Kasprowicz MJ, Dohnalik T. Spectroscopic measurements of the evanescent wave polarization state. Opt Commun. 2007;274(2):341–6. https://doi.org/10.1016/j.optcom.2007.02.042
Kawata S, Sugiura T. Movement of micrometer-sized particles in the evanescent field of a laser beam. Opt Lett. 1992;17(11):772–4. https://doi.org/10.1364/OL.17.000772
Almaas E, Brevik I. Radiation forces on a micrometer-sized sphere in an evanescent field. Opt Soc Am B. 1995;12:2429–38. https://doi.org/10.1364/JOSAB.12.002429
Chang S, Kim J, Jo J, Lee S. Optical force on a sphere caused by the evanescent field of a Gaussian beam; effects of multiple scattering. Opt Commun. 1997;139(4–6):252–61. https://doi.org/10.1016/S0030-4018(97)00144-2
Bekshaev A, Bliokh K, Nori F. Mie scattering and optical forces from evanescent fields: A complex-angle approach. Opt Express. 2013;21(6):7082–95. https://doi.org/10.1364/OE.21.007082
Nieto-Vesperinas M, Saenz J. Optical forces from an evanescent wave on a magnetodielectric small particle. Opt Lett. 2010;35(23):4078–80. https://doi.org/10.1364/OL.35.004078
Sasaki K, Hotta J, Wada K, Masuhara H. Analysis of radiation pressure exerted on a metallic particle within an evanescent field. Opt Lett. 2000;25(18):1385–7. https://doi.org/10.1364/OL.25.001385
Gaugiran S, Gétin S, Fedeli J, Derouard J. Polarization and particle size dependence of radiative forces on small metallic particles in evanescent optical fields. Evidences for either repulsive or attractive gradient forces. Opt Express. 2007;15(13):8146–56. https://doi.org/10.1364/OE.15.008146
Ganic D, Gan X, Gu M. Trapping force and optical lifting under focused evanescent wave illumination. Opt Express. 2004;12(22):5533–8. https://doi.org/10.1364/OPEX.12.005533
Volpe G, Quidant R, Badenes G, Petrov D. Surface plasmon radiation forces. Phys Rev Lett. 2006;96: 238101. https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.96.238101
Righini M, Volpe G, Girard C, Petrov D, Quidant R. Surface plasmon optical tweezers: tunable optical manipulation in the femtonewton range. Phys Rev Lett. 2008 May 6;100(18).186804 https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.100.186804
Wang K, Schonbrun E, Crozier K. Propulsion of gold nanoparticles with surface plasmon polaritons: evidence of enhanced optical force from near-field coupling between gold particle and gold film. Nano Lett. 2009;9(7):2623–9. https://doi.org/10.1021/nl900944y
Min C, Shen Z, Shen J, Zhang Y, Fang H, Yuan G., et al. Focused plasmonic trapping of metallic particles. Nature Commun. 2013;4(1):2891. https://doi.org/10.1038/ncomms3891
Kawata S, Tani T. Optically driven Mie particles in an evanescent field along a channeled waveguide. Opt Lett. 1996;21(21):1768–70.https://doi.org/10.1364/OL.21.001768
Yang A, Lerdsuchatawanich T, Erickson D. Forces and transport velocities for a particle in a slot waveguide. Nano Lett. 2009;9(3):1182–8. https://doi.org/10.1021/nl803832q
Belinfante F. On the current and the density of the electric charge, the energy, the linear momentum and the angular momentum of arbitrary fields. Physica. 1940;7(5):449–74. https://doi.org/10.1016/S0031-8914(40)90091-X
Fedorov F. To the theory of total reflection. J Opt. 2013;15(1):014002. https://doi.org/10.1088/2040-8978/15/1/014002
Chang S, Lee SS. Optical torque exerted on a sphere in the evanescent field of a circularly-polarized Gaussian laser beam. Optics Commun. 1998;151(4–6):286–96. https://doi.org/10.1016/S0030-4018(98)00067-4
Song YG, Chang S, Jo JH. Optically induced rotation of combined Mie particles within an evanescent field of a Gaussian beam. Jpn J Appl Phys. 1999;38(Part 2, No. 4A):L380–3. https://doi.org/10.1143/JJAP.38.L380
Šiler M, Čižmár T, Šerý M, Zemánek P. Optical forces generated by evanescent standing waves and their usage for sub-micron particle delivery. Appl Phys B. 2006;84(1–2):157–65. https://doi.org/10.1007/s00340-006-2235-9
Šiler M, Čižmár T, Jonáš A, Zemánek P. Surface delivery of a single nanoparticle under moving evanescent standing-wave illumination. New J Phys. 2008;10(11):113010. https://doi.org/10.1088/1367-2630/10/11/113010
Šiler M, Zemánek P. Parametric study of optical forces acting upon nanoparticles in a single, or a standing, evanescent wave. J Opt. 2011;13(4):044016.https://doi.org/10.1088/2040-8978/13/4/044016
Paul N, Kemp B. Optical manipulation of small particles on the surface of a material. J Opt. 2016;18(8):085402. https://doi.org/10.1088/2040-8978/18/8/085402
Liu L, Kheifets S, Ginis V, Di Donato A, Capasso F. Elliptical orbits of microspheres in an evanescent field. PNAS. 2017;114(42):11087–91. https://doi.org/10.1073/pnas.1714953114
Ploschner M, Čižmár T, Mazilu M, Di Falco A, Dholakia K. Bidirectional optical sorting of gold nanoparticles. Nano Lett. 2012;12(4):1923–7. https://doi.org/10.1021/nl204378r
Hayat A, Mueller JPB, Capasso F. Lateral chirality-sorting optical forces. PNAS. 2015;112(43):13190–4. https://doi.org/10.1073/pnas.1516704112
Wang SB, Chan CT. Lateral optical force on chiral particles near a surface. Nat Commun. 2014;5(1):3307. https://doi.org/10.1038/ncomms4307
Rodríguez-Fortuño F, Engheta N, Martínez A, Zayats A. Lateral forces on circularly polarizable particles near a surface. Nat Commun. 2015;6(1):8799. https://doi.org/10.1038/ncomms9799
Angelsky OV, Hanson SG, Maksimyak PP, Maksimyak AP, Zenkova CYu, Polyanskii PV, et al. Influence of evanescent wave on birefringent microplates. Opt Express. 2017;25(3):2299–311. https://doi.org/10.1364/OE.25.002299
Zenkova CYu, Ivanskyi DI, Kiyashchuk TV. Optical torques and forces in birefringent microplate. Opt Appl. 2017;47(3):483–492. https://doi.org/10.5277/oa170313
Maksimyak PP, Maksimyak AP, Ivanskyi DI, Kiyashchuk TV. Extraordinary spin momenta in birefringent structures. Opt Mem Neural Network. 2017;26(2):157–64. https://doi.org/10.3103/S1060992X17020059
Angelsky OV, Zenkova CYu, Ivansky DI. Mechanical action of the transverse spin momentum of an evanescent wave on gold nanoparticles in biological objects media. J Optoelectron Adv M. 2018;20(5–6):217–23. Available from: https://joam.inoe.ro/articles/mechanical-action-of-the-transverse-spin-momentum-of-an-evanescent-wave-on-gold-nanoparticles-in-biological-objects-media/fulltext
Sabatini DM, editor. Leading Edge Nanotechnology. Research. Developments. New York: Nova Science Publishers; 2007. 304 p. ISBN: 9781600219009
Angelsky OV, Ushenko YA, Dubolazov AV, Telenha OY. The interconnection between the coordinate distribution of Mueller-matrixes images characteristic values of biological liquid crystals net and the pathological changes of human tissues. Adv Opt Technol. 2010;130659. http://doi.org/10.1155/2010/130659
Tuchin VV, editor. Handbook of optical biomedical diagnostics, Volume 1: Light-Tissue Interaction. 2nd ed. New York: SPIE; 2016. 864 p. ISBN: 9781628419092. https://doi.org/10.1117/3.2219603
Angelsky O, Maksymyak P, Zenkova C, Maksymyak A, Hanson S, Ivanskyi D. Peculiarities of control of erythrocytes moving in an evanescent field. J Biomed Opt. 2019;24(05):055002. https://doi.org/10.1117/1.jbo.24.5.055002
Angelsky OV, Zenkova CYu, Maksymyak PP, Ivanskyi DI, Tkachuk VM. Peculiarities of energy circulation in evanescent field. Application for red blood cells. Opt Mem Neural Network (Information Optics). 2019;28(1):11–20. https://doi.org/10.3103/S1060992X19010028
Grover SC, Gauthier RC, Skirtach AG. Analysis of the behavior of erythrocytes in an optical trapping system. Opt Express. 2000;7(13):533–9. https://doi.org/10.1364/OE.7.000533
Ahluwalia BS, Mc Court P, Huser T, Hellesø OG. Optical trapping and propulsion of red blood cells on waveguide surfaces. Opt Express. 2010;18(20):21053–61. https://doi.org/10.1364/OE.18.021053
Yoon Y-Z, Cicuta P. Optical trapping of colloidal particles and cells by focused evanescent fields using conical lenses. Opt. Express. 2010;18(7):7076–84. https://doi.org/10.1364/OE.18.007076
Zhong M, Wei X, Zhou J, Wang Z, Li Y. Trapping red blood cells in living animals using optical tweezers. Nat Commun. 2013;4:1768. https://doi.org/10.1038/ncomms2786
Gu M, Kuriakose S, GanX. A single beam near-field laser trap for optical stretching, folding and rotation of erythrocytes. Opt. Express. 2007;15(3):1369–75. https://doi.org/10.1364/OE.15.001369
Kugeiko MM, Smunev DA. Estimation of the microphysical parameters for native red blood cells based on the measured optical properties of scattered radiation. Vestnik BGU. Serija 1, Fizika. Matematika. Informatika [Vestnik of Belarusian State University. Ser. 1, Physics. Mathematics. Informatics]. 2016;1(2):73–8. Available from: http://elib.bsu.by/handle/123456789/171864 (in Russian)
Автори, які публікуються у цьому журналі, погоджуються з наступними умовами:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії Creative Commons Attribution License, котра дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє і заохочує розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на оперативності та динаміці цитування опублікованої роботи (див. The Effect of Open Access).
