/ Русское информационное агентство «Агентство практической журналистики «АКВИЛА»»/

Оптический пинцет является одним из ключевых инструментов для биомедицинских исследований. Его совершенствование открывает новые возможности управления микрообъектами. Новая концепция заключается в том, чтобы все управление лазерным пучком оптического пинцета осуществлялось акустооптическими методами.

Автор технологии «оптического пинцета» в 2018 году был отмечен Нобелевской премией по физике, а технология получила широкое распространение. Она впервые позволила осуществлять микроперемещения живых клеток, отслеживать динамику жизни микробов. Ключевыми элементами этого инструмента являются система формирования лазерных ловушек и система сканирования, необходимая для управления их пространственным положением. Первая обеспечивает функциональность пинцета, вторая – его быстродействие, сообщили в Минобрнауки (фото представлено ведомством).

В качестве альтернативы применяемым в настоящее время довольно сложным и дорогостоящим системам сканирования пытаются использовать акустооптические функциональные элементы, обеспечивающие управление световыми потоками с помощью акустических волн в твердых и жидких средах. Компактные акустооптические ячейки давно с успехом применяются, например, для управления направлением и интенсивностью лазерных пучков в виде дефлекторов и модуляторов. Особенностями акустооптических устройств является их высокое быстродействие и широчайшие возможности управления в реальном времени.

Скорость переключения таких устройств определяется временем пробега упругих волн через акустооптическую ячейку и составляет микросекунды, что в 100 раз быстрее электрооптических устройств, где это время ограничивается изменением молекулярной структуры материала. Но наиболее важное свойство таких устройств - способность к скачкообразному переключению (изменению свойств). Например, акустооптический дефлектор способен переключать лазерный луч в разные положения за одно и то же минимальное время, не важно, как далеко они отстоят друг от друга. Иными словами, акустооптический метод позволяет одномоментно «переключать» ловушку с одной частицы на другую.

Новая концепция, разрабатываемая в Научно-технологическом центре уникального приборостроения Российской академии наук, заключается в том, чтобы все управление лазерным пучком оптического пинцета осуществлялось акустооптическими методами.

С 2015 года в НТЦ УП РАН ведутся теоретические и экспериментальные исследования, направленные на разработку акустооптических методов управления лазерным излучением для оптического пинцета. Работа группы молодых ученых из Лаборатории акустооптической спектроскопии направлена на создание полностью электронно-управляемого инструмента, основанного на акустооптических методах для задания и быстрого изменения количества, положения и формы ловушек. Для этого предполагается использовать несколько последовательно расположенных акустооптических ячеек, каждая из которых обеспечивает прецизионное управление лишь одним параметром лазерного пучка (направлением, интенсивностью, положением плоскости фокусировки, профилем пучка). С другой стороны, одновременная генерация нескольких ультразвуковых волн в акустооптической ячейке позволяет из падающего пучка получать несколько отдельных с регулируемыми характеристиками.

Таким образом, становится возможным собрать «полностью акустооптически управляемый» оптический пинцет с функциональными возможностями и характеристиками диктуемыми решаемой задачей. Такой модульный и проблемно-ориентированный подход позволяет с помощью набора нескольких компактных последовательно расположенных акустооптических элементов реализовывать как базовые функции оптического пинцета, то есть наведение и сканирование по произвольным пространственным траекториям в предметной плоскости (lateral scanning), так и достаточно сложные режимы: продольное сканирование (axial scanning), одновременное управление несколькими ловушками (multi-trapping), изменение их формы (shaping).

Концепция, предполагающая реализацию всех элементов на основе акустооптической технологии, основывается на единой технологической базе, что упрощает стыковку элементов комплекса и не сужают область применимости отдельных элементов, поскольку все они имеют единые технологические ограничения. Разрабатываемые в НТЦ УП РАН акустооптические технологии позволяют создавать интеллектуальные роботизированные системы для осуществления трехмерных пространственных манипуляций с микрочастицами, таких, как их быстрая сортировка, а также размещение в нужном положении значительного количества различных микрообъектов. Можно ожидать, что концепция выведет оптический пинцет на новый функциональный уровень и найдет применение в биофизике, медицине, коллоидной химии.