Вращение микротурбин в сложных вихревых пучках

Морозов Андрей Андреевич; Скиданов Роман Васильевич

ВРАЩЕНИЕ МИКРОТУРБИН В СЛОЖНЫХ ВИХРЕВЫХ ПУЧКАХ

Морозов А.А., Скиданов Р.В. Институт систем обработки изображений РАН

Аннотация

Описано изготовление микротурбин методом двухфотонной полимеризации. Описан эксперимент по вращению микротурбин специальной формы в вихревых световых пучках сложной структуры.

Ключевые слова: вихревой световой пучок, микротурбина, оптическое вращение.

Введение

Метод использования сил светового давления для приведения в движение микромеханических систем используется довольно давно [1—11]. При этом выделяются два основных направления:

• использование микрообъектов специальной формы, которые могут вращаться, в том числе и в световых пучках без орбитального углового момента [1—9];

• использование вихревых световых пучков, в которых может вращаться микрообъект любой формы [10-11]. Эти два подхода могут сочетаться, и тогда микрообъект может вращаться с очень большой скоростью. Так, в [11] было описано изготовление микротурбины, которая согласована по форме с простым вихревым пучком. К сожалению, возможности технологии не всегда позволяют изготовить микротурбину требуемой формы. Так, в [11] авторы не полностью реализовали возможность максимизации передаваемого турбине вращательного момента.

В [12] было предложено формировать вихревые световые пучки, в которых распределение интенсивности и наклон волнового фронта согласованы с формой микротурбины для вращения. Т.е. в этом подходе согласование параметров светового пучка и микротурбины идёт с двух сторон. С технологической - при изготовлении микротурбины и с оптической - при формировании пучка. Такой подход частично был реализован в [13]. Там были сформированы световые пучки сложной формы, согласованные с микротурбиной с прямыми лопастями. В этих световых пучках интенсивность распределялась по всей площади вращаемого микрообъекта, и угол наклона волнового фронты был почти одинаков на любом расстоянии от оси пучка. При этом угол наклона волнового фронта был таков, что при преломлении на лопатках микротурбины световой пучок менял знак проекции импульса на плоскость вращения, а значение проекции импульса на ось пучка не менялось. Но в качестве вращаемого микрообъекта в работе [13] выступали агломерации сферических микрочастиц. В настоящей работе описывается эксперимент по вращению такими пучками микротурбин специальной формы, изготовленных по методу двухфотонной полимеризации.

1. Изготовление микротурбин на установке трёхмерного наноструктурирования

Для реализации элементов микромеханической системы использовалась установка трёхмерного на-

ноструктурирования 3D2S производства Ганноверского лазерного центра [14]. Принцип действия установки основан на двухфотонной полимеризации фотополимерного материала под воздействием излучения фемтосекундного лазера ИК-диапазона. Разрешение структурирования с помощью этой установки зависит от топологии реализуемого объекта, но не хуже 500 нм. Предельное разрешение - 200 нм. Фотография установки приведена на рис. 1.

Рис. 1. Установка трёхмерного наноструктурирования 3D2S

Технология двухфотонной полимеризации базируется на хорошо известном фотохимическом процессе фотополимеризации, приводящем к образованию полимера при воздействии света. В наиболее распространённой экспериментальной схеме облучение исходной полимеризационно-способной композиции производится сфокусированным пучком фем-тосекундного лазера. Для излучения на длине волны лазера композиция является прозрачной, однако за счёт многофотонного поглощения полимеризации локально инициируется в области максимального поля, т. е. в области перетяжки лазерного пучка. Перемещая образец относительно перетяжки при помощи высокоточных подвижек, можно создавать объёмные полимерные микро- и наноструктуры практически произвольной сложности.

В процессе полимеризации происходит образование макромолекул из исходного низкомолекулярного вещества - мономера. При поглощении лазерного излучения фоточувствительным компонентом композиции, фотоинициатором, последний распадается с образованием активных центров: ионов или свободных радикалов. Каждая молекула, содержащая активный центр, может присоединить большое количество мономерных звеньев в процессе реакции роста цепи. В результате каждого присоединения активный центр перемещается на вновь присоединённый мономер, за счёт чего формируются линейные макромолекулярные цепочки. Как правило, в состав композиций, используемых для технологии, входит полифункциональный мономер, который может образовывать связи более чем с двумя другими мономерными молекулами. Использование полифункциональных мономеров приводит к образованию сетчатых полимеров, в состав которых входят как цепные, так и разветвлённые макромолекулы. При достижении определённой доли заполи-меризованного мономера (т. е. конверсии) образуется единая сетка из мономерных молекул, соединённых ковалентными химическими связями, - нерастворимый полимерный гель. После облучения образца производится удаление растворителем не прореагировавшего мономера и отдельных макромолекул. В результате такой обработки остаётся нетронутым только нерастворимый гель. После удаления растворителя не-растворённые области образца образуют итоговые полимерные микро- и наноструктуры.

Для реализации элементов микромеханических систем с помощью этой установки проводилась предварительная подготовка данных в стереолитографи-ческом формате STL.

Для создания файлов в формате STL был использован инженерный пакет программ SolidWorks 2006. В качестве материала использовался гибридный не-органическо-органический полимер "Ormocer", предназначенный для формирования трёхмерных микро- и наноструктур методом двухфотонной полимеризации. Были созданы два типа микротурбин. Первый - с треугольным сечением лопаток, при преломлении вихревого пучка с определённым углом наклона на такой турбине световой пучок меняет знак проекции импульса на плоскость вращении, не меняя проекцию импульса на ось пучка. Т.е. при этом происходит максимально возможная передача импульса микротурбине без возникновения вертикальной компоненты силы. Второй тип микротурбин с цилиндрическими лопатками создан в качестве образца для сравнения скорости вращения.

На рис. 2 представлены трёхмерные модели, созданные для изготовления микротурбин на установке трёхмерного наноструктурирования M3DSS. На рис. 2а, б - модель турбины с цилиндрическими лопатками, прохождение вихревого пучка через такую турбину будет схоже с прохождением через агломерацию микрочастиц. На рис. 2в, г модель турбины имеет лопатки с треугольным сечением, что позволя-

ет почти полностью перенаправить импульс падающего света в плоскости вращения в противоположную сторону, а, следовательно, такой микротурбине будет передаваться больший вращательный момент.

Рис. 2. Трёхмерные модели микротурбин для установки трёхмерного наноструктурирования: модель турбины с цилиндрической лопаткой вид сверху и сбоку (а), вид под углом (б), модель турбины с лопаткой с треугольным сечением вид сверху и сбоку (в), вид под углом (г)

При структурировании координаты для трёхмерных моделей задаются таким образом, чтобы ось турбины немного уходила в стекло и при полимеризации закреплялась на нём.

На рис. 3 представлены изображения изготовленных на установке трёхмерного наноструктурирования M3DSS микротурбин, полученные с помощью оптического микроскопа, а на рис. 4 - изображения того же набора турбин, но полученные с помощью растрового электронного микроскопа. Диаметр изготовленных микротурбин составил 50 мкм, толщина лопаток - 4,5 мкм. Зазор между лопатками по краю составил 2 мкм и был выбран из условия полного взаимодействия светового пучка с микротурбиной (т.е. свет не должен проходить мимо).

Как видно из рис. 4, изготовленные микротурбины по форме совпадают с трёхмерными моделями на рис. 2 с поправкой на погрешность изготовления.

2. Вращение микрообъектов специальной формы, изготовленных на установке трёхмерного наноструктурирования

Для проведения эксперимента по вращению микрообъектов специальной формы, изготовленных на установке трёхмерного наноструктурирования, в

сложных вихревых пучках была использована оптическая установка, схема которой приведена на рис. 5.

Рис. 3. Изображения изготовленных микротурбин, полученные с помощью оптического микроскопа

Рис. 4. Изображения изготовленных микротурбин, полученные с помощью электронного микроскопа

Рис. 5. Оптическая схема установки по вращению агломерации микрочастиц в сложном вихревом пучке. 1 - лазер; 2 - диафрагма; 3 - полупрозрачное зеркало; - ДОЭ; 5 - микрообъектив (*20); 6- кювета с образцом; 7 - дистиллированная вода; 8 - микрообъектив (*20); 9 - треугольная призма; 10 - набор светофильтров; 11 - CCD камера;12 - фоновая подсветка

Для фокусировки лазерного пучка и формирования изображения для наблюдения использовались микрообъективы 20х. Лазерный пучок с длиной волны 532 нм и мощностью 1,8 Вт заводился вместе с фоновой подсветкой снизу, а наблюдение велось сверху в проходящем свете. Рабочий световой пучок формировался бинарным фазовым ДОЭ. Размер сформированного пучка совпадал с размером микротурбины.

Изготовленные микротурбины были помещены в кювету с дистиллированной водой. Вращение осуществлялось сложным вихревым пучком, являющимся суперпозицией вихревых пучков 6, 12, 18, 24, 30, 36, 42 и 48 порядков [13]. При этом мощность сформированного пучка непосредственно в рабочей плоскости в одном порядке не превышала 200 мВт.

На рис. 6 представлены стадии вращения агломерации полистироловых микрочастиц в сложном вихревом пучке [13].

Как видно из рис. 6, световой пучок вращает микротурбину с довольно высокой скоростью, угловая скорость - 0,2...0,25 с-1.

Рис. 6. Стадии движения полимерной микротурбины с интервалом 7с в сложном вихревом пучке

В ходе эксперимента было выявлено, что микротурбина хорошо вращается в одном из двух формируемых бинарным ДОЭ порядков, в то время как на другой, в котором топологические заряды вихревого пучка имеют обратный знак, почти не реагирует. Это показывает, насколько сильное влияние оказывает согласование формы микротурбины и вихревого пучка.

Заключение

Проведённые в работе результаты экспериментов подтверждают возможность вращения микромеханических элементов вихревыми пучками, распределение интенсивности в которыхпредставляет собой набор интерференционных максимумов и минимумов без чётко выраженной кольцевой структуры. Показано, что при использовании вихревого светового пучка с

4

топологическими зарядами обратного знака микротурбина не вращается.

Благодарности

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации, Российского фонда фундаментальных исследований (гранты РФФИ 13-07-00266, 13-07-97004р_поволжье_а, 13-07-97005р_поволжье_а, 1207-31075), ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» (соглашение №8231).

Литература

1. Gauthier, R.C. Theoretical model for an improved radiation pressure micromotor / R.C. Gauthier // Applied Physics Letters. - 1996. - Vol. 69. - P. 2015-2017.

2. Gauthier, R.C. Radiation-pressure-based cylindrically shaped microactuator capable of smo oth, continuous, reversible, and stepped rotation. / R.C. Gauthier, M. Ashman, A. Frangioudakis, H. Mende and S. Ma // Applied Optics. -1999. - Vol. 38. - P. 4850-4860.

3. Gauthier, R.C. Optical selection, manipulation, trapping, and activation of a microgear structure for applications in micro-optical-electromechanical systems / R.C. Gauthier, R.N. Tait, H. Mende and C. Pawlowicz // Applied Optics. -2001. - V. 40. - P. 930-937.

4. Gauthier, R.C. Activation of micro components with light for micro-electro-mechanical systems and micro-optical-electro-mechanical systems applications / R.C. Gauthier, R.N. Tait and M. Ubriaco // Applied Optics. - 2002. -Vol. 41. - P. 2361-2367.

5. Higurashi, E. Optically induced rotation of anisotropic micro-objects fabricated by surface micromachining / E. Higu-rashi, H. Ukita, H. Tanaka and O. Ohguchi // Applied Physics Letters. - 1994. - Vol. 64. - P. 2209-2210.

6. Ukita, H. Theoretical demonstration of a newly designed micro-rotator driven by optical pressure on a light incident surface / H. Ukita and K. Nagatomi // Optical Review. -1997. - Vol. 4(4). - P. 447-449.

7. Ukita, H. Micromechanical photonics / H. Ukita // Optical Review. - 1997. - Vol. 4(6). - P. 623-633.

8. Galajda, P. Complex micromachines produced and driven by light / P. Galajda and P. Ormos // Applied Physics Letters. - 2001. - Vol. 78. - P. 249-251.

9. Ukita, H. Rotation rate of a three-wing rotor illuminated by upward-directed focusedbeam in optical tweezers / H. Ukita, T. Ohnishi and Y. Nonohara // Opt. Rev. - 2008. -Vol. 15. - P. 97-104.

10. Maruo, S. Optically driven micropump with a twin spiral microrotor / S. Maruo, A. Takaura, Y. Saito // OPTICS EXPRESS. - 2009. - Vol. 17(21). - P. 18525.

11. Lin, X A light-driven turbine-like micro-rotor and study on its light-to-mechanical power conversion efficiency / X. Lin, G. Hu, Q. Chen, L. Niu, Q. Li, A. Ostendorf, H. Bo // APPLIED PHYSICS LETTERS. - 2012. - Vol. 101. - P. 113901.

12. Морозов, А.А. Rotation of Microturbines by Multiring Optical Vortex / A.A. Morozov. - Материалы международной конференции "APCOM-2011 WORKSHOP", 4-8 июля 2011 г., Москва-Самара:

http://apcom2011.org/papers/61_SAMP14_A.Morozov_doc.pdf

13. Морозов, А.А. Сложные вихревые пучки для вращения микромеханических элементов / А.А. Морозов, Р.В. Ски-

данов // Компьютерная оптика. - 2013. - Т. 37, № 1. -С. 68-75.

14. Ostendorf, A. Two-Photon Polimerization: A New Approach to Micromachining / A. Ostendorf, B.N. Chichkov // Photonics Spectra. - 2006. - N 10. - P. 72-80.

References