|
|
Od pouhého tlačení po třídění mikročástic a skládání mikrorobotků světlem
Zemánek, Pavel ; Arzola, Alejandro V. ; Brzobohatý, Oto ; Chvátal, Lukáš ; Jákl, Petr ; Kaňka, Jan ; Karásek, Vítězslav ; Šerý, Mojmír ; Šiler, Martin
Již Johannes Kepler při pozorování komet vyvodil, že světlo může působit pozorovatelnou silou na mikročástice. Dnes je toto tlačení objektů světlem využíváno jako levný zdroj pohonu pro sluneční plachetnice. V mikrosvětě je téměř třicet let je znám nástroj zvaný optická pinzeta, který k zachycení a přemístění mikroobjektů využívá silně fokusovaného laserového svazku. Nicméně přitahování objektů světlem směrem ke zdroji záření patřilo dlouhá léta do říše sci-literatury. V posledních letech byla publikována řada teoretickým návrhů, jak tohoto efektu docílit, pouze zlomek z nich byl však demonstrován experimentálně a dva z nich v naší laboratoři. Jedná se o tzv. světelné tažné svazky, které umožňují transport mikroobjektů proti směru proudu fotonů. Podařilo se nám ukázat, že experimentální sestava umožňuje rovněž velmi efektivně separovat desítky mikročástic pouhým ozářením suspenze laserem. Vzájemná interakce mezi více ozářenými částicemi vede k vytvoření vazby mezi nimi, která je zprostředkována rozptýlenými fotony. Tato optická vazba je velmi slabá, ale postačuje k samovolnému vytvoření mikrostruktur z jednotlivých původně volných mikročástic. Vytvořené mikrostruktury se ve světelném poli tažného svazku chovají zcela odlišně jednotlivé volné částice a mohou se i pohybovat opačným směrem. Osvícením suspenze částic vhodně rozloženým světelným polem je pak možné nejen samovolně sestavit mikrostruktury, ale též je cíleně dopravit na určité místo ozářené plochy – a to je již zárodek budoucích mikrorobotků sestavených a poháněných světlem.
|
|
|
Raman tweezers in microfluidic systems for automatic analysis and sorting of living cells
Pilát, Zdeněk
We have devised an automatic analytical and sorting system combining optical trapping with Raman spectroscopy in microfluidic environment, together with computerized real time image analysis, spectra processing and micromanipulation. This device serves to identify and sort biological objects, such as living cells of various prokaryotic and eukaryotic organisms based on their Raman spectral properties. This approach allowed us to collect information about the chemical composition of the objects, such as the presence and composition of lipids, proteins, or nucleic acids without using artificial chemical probes such as fluorescent markers. The non-destructive and non-contact nature of this optical analysis and manipulation allowed us to separate individual living cells of our interest in a sterile environment and provided the possibility to cultivate the selected cells for further experiments. The special microfluidic chip uses gravity to move the cells across the sorting area. Our system uses dedicated software to achieve fully automated spectral analysis and sorting. The devised system is a robust and universal platform for non-contact sorting of microobjects based on their chemical properties. It could find its use in many medical, biotechnological, and biological applications.
|
|
|
Interferometrický odměřovací systém pro elektronový litograf
Řeřucha, Šimon ; Šarbort, Martin ; Lazar, Josef ; Číp, Ondřej
Spolehlivost zápisu rozsáhlých struktur pomocí elektronového litografu je do velké míry závislá na přesném řízení polohy posuvného stolku se substrátem. Typicky je pro tuto úlohu využíváno optického odměřování pomocí laserových interferometrů, které poskytuje požadovanou úroveň přesnosti. Této přesnosti dosahuje za cenu využití složité optické sestavy, která díky nárokům na přesnost a robustnost v důsledku představuje netriviální navýšení ceny elektronového litografu jako výsledného produktu. V rámci spolupráce jsme se zaměřili na návrh a ověření optimalizovaného měřicího systému, který poskytne srovnatelnou přesnost a zároveň bude robustnější a cenově efektivnější. Jádrem optimalizace je v zásadě přesun zpracování interferenčního signálu z optické oblasti do oblasti výpočetní. V našem případě se jedná zejména o využití alternativní interferometrické detekční techniky, která využívá kontinuálně frekvenčně modulovaný laserový zdroj v kombinaci se zjednodušeným optickým systém. Výstupem optické soustavy je v obou případech dvojice fázových signálů, které v kvadraturní formě reprezentují hodnotu interferenční fáze. Požadavky na odměřovací systém jsou následující: nejistota měření menší než 2,5 nm, rozsah měření 100 mm, odezva systému 10 kHz. Navíc je vyžadováno využití jiné než viditelné vlnové délky z důvodů interference se scintilátory litografu. Pro účely ověření metody je použita optická sestava. Jako zdroj je využit kompaktní laserový modul RIO Orion (Rio Redfern Integrated Optics Inc.), založený na stabilizované DFB diodě, frekvenčně modulovaný změnou čerpacího proudu. Výstup z interferometrické sestavy je snímán dvěma detekčními systémy: jedním je standardní homodynní detekce, druhým je nová testovaná metoda. Toto uspořádání umožňuje srovnat vyhodnocení různými detekčními technikami a přitom, díky sdílené optické trase, eliminovat vnější vlivy, které mohou mít na přesné vyhodnocení výrazný vliv.
|
|
| |
|
|
Přeladitelná laserová dioda na vlnové délce 633 nm pro přesná měření délky a spektroskopii
Pham, Minh Tuan ; Mikel, Břetislav ; Hrabina, Jan ; Lazar, Josef ; Číp, Ondřej
Polovodičové lasery si našly pevné místo v řadě oborů lidské činnosti zejména díky své miniaturní velikosti, nízké ceně a vysoké energetické účinnosti. Nalezneme je jako zdroje koherentního záření ve fotonických sítích, slouží pro diagnostiku a terapii v medicíně, jsou běžné v pomůckách pro stavebnictví pro vytyčování budov či stanovení jejich rozměrů. Současné metody pro nejpřesnější měření délek v průmyslové praxi využívají principy laserové interferometrie, které jsou založeny na laserech pracujících ve viditelné oblasti spektra. Je-li laserový svazek viditelný pouhým okem, pro obsluhu odměřovacího systému jde o velkou výhodu, neboť v takovém případě lze provést justáž optické soustavy snadno. Tradičním laserem pro tyto účely je již mnoho desetiletí plynový laser HeNe, který je znám pro svoji vynikající koherenční délku. V minulosti proto byla provedena řada experimentů s nahrazením tohoto laseru za typ polovodičový. Nevýhodou klasických, běžně dostupných hranově emitujících polovodičových laserů s Fabryovým-Perotovým rezonátorem, je však jejich nízká koherenční délka. Snahou výrobců bylo proto opatřit aktivní prostředí polovodiče pasivním selektivním prvkem, který zvýší jakost vlastního rezonátoru a zároveň omezí vznik jeho vyšších podélných modů.
|
|
|
Stanice pro LIDT testy optických komponentů při kryogenních teplotách
Oulehla, Jindřich
Na Ústavu přístrojové techniky jsme se začali zabývat přípravou vrstev, které mohou být použity na optických komponentech ve vysokovýkonových laserových zařízeních. V takovýchto zařízeních jsou instalovány diodami čerpané pevnolátkové pulsní lasery (DPSSL) vyžadující použití různých optických komponentů schopných odolat poměrně vysokým hodnotám plošné hustoty energie. Při provozu takovýchto laserů vzniká velké množství odpadního tepla a je tedy nutné použít kryogenní chlazení. Cílem naší snahy je zkompletování experimentální sestavy schopné testovat různé typy vzorků jak za pokojové, tak za kryogenní teploty. Pro tyto účely je v současné době kompletována experimentální sestava s vakuovou komorou, uvnitř které je umístěn testovaný vzorek a je tak chráněn před kontaminací. Jako zdroj laserového záření používáme Nd:YAG laser o vlnové délce 1064nm a maximální energii v pulsu cca 650mJ. Tyto experimenty jsou doplňkem k naší hlavní činnosti, jíž jsou návrh a výroba optických filtrů pomocí vakuového napařování interferenčních vrstev. Jsme schopni deponovat různé materiály v závislosti na aplikaci. Nejběžnější kombinací je TiO2/SiO2, dále používáme například Ta2O5, Al2O3, HfO2 a jiné. Aplikacemi jsou interferenční filtry pro viditelnou, blízkou UV a blízkou IR oblast světelného spektra. Jako příklady námi navrstvených filtrů lze uvést antireflexní vrstvy, barevné (dichroické) filtry, hradící a pásmové filtry, děliče světla, tepelné filtry, polarizátory, nepolarizující děliče, apod. Disponujeme zcela novou napařovací aparaturou od firmy Leybold Optics, která značně rozšířila naše stávající výrobní možnosti. Aparatura je vybavena dvěma elektronovými děly a dále pak iontovým zdrojem pro Plasma Ion Assisted Deposition. Díky této technologii jsme schopni deponovat například zrcadla s řízenou dispersí, monochromatické filtry nebo hradící filtry s velmi ostrou hranou.
|
|
|
Deformovatelné zrcadlo pro výkonové technologické lasery
Mrňa, Libor
Přibližně 30 let dominoval v oblasti strojírenských technologií CO2 laser. Vzhledem ke konstrukci a uspořádání rezonátoru poskytoval tento laser výstupní svazek se směsným modem, blížícím se rozložením tzv. „top-hat“ nebo „doughnut“. V současné době se začínají rozšiřovat pevnolátkové lasery s rezonátorem ve formě optického vlákna nebo ve formě disku. Tyto lasery poskytují výstupní svazek s Gaussovským profilem. Pro některé technologické aplikace by však bylo výhodné mít rozložení energie ve svazku podobné výše uvedeným profilům. V současnosti existují optické elementy umožňující tzv. beam reshaping. Mají však řadu omezení, hlavně z hlediska malé výkonové hustoty. Ideální by byla možnost použití variabilního optického elementu, umožňující nastavení rozložení energie svazku přesně dle aplikace.
|
|
|
Optické vláknové senzory pro měření délky, tlaku, tahu, teploty a vibrací
Mikel, Břetislav
V oddělení Koherenční optiky ÚPT AV ČR v.v.i. se v současnosti využívají optická vlákna ve většině experimentů. V těchto aplikacích optických vláken je obvykle nutné využívat vlákna se speciálními vlastnostmi např. polarizačně závislé nebo mikrostrukturní vlákna. Aktuálně vyžíváme optická vlákna singlemodová, multimodová, polarizačně závislá, mikrostrukturní a další speciální. Většina typů těchto optických vláken je využívána v rozsahu vlnových délek od 350 nm do 1600 nm. Principiální schéma testovacího měření systému pro měření tvarových změn kontejnmentu. V současnosti mj. řešíme několik projektů, které se zabývají vývojem optovláknových senzorů s Braggovými mřížkami pro měření vibrací, délky, teploty a tvarových změn betonových staveb. Největší potenciální aplikací tohoto směru vývoje je projekt na měření tvarových změn kontejnmentu v JE Temelín. Náš výzkum v této oblasti je směřován k vývoji senzorů, které bude možné aplikovat do již postavených staveb, mostů apod. Pro takový případ vyvíjíme konstrukci senzoru, který bude možné připevnit na stavbu zvenku a ve kterém bude možné kompenzovat změny teploty a tlaku, které nesouvisí se změnou měřeného objektu. Dalším typem senzoru je např. senzor vibrací, kde využíváme zúžené optické vlákno, ve kterém je zapsána vláknová Braggova mřížka. Změnu úhlu konce vlákna s mřížkou lze pak měřit pouze optickým měřidlem výkonu a není nutné používat optický spektrometr.
|
|
|
Interferometrický systém pro souřadnicové odměřování
Lazar, Josef ; Holá, Miroslava ; Hrabina, Jan ; Oulehla, Jindřich ; Číp, Ondřej ; Vychodil, M. ; Sedlář, P. ; Provazník, M.
Interferometrické měřicí systémy představují nejpřesnější nástroj pro měření geometrických veličin a to nejen z pohledu komerční dostupnosti na trhu, ale z pohledu základní metrologie, fyzikálních principů a limitů a současné platné definice délky. Nalézají uplatnění všude, kde přesnost, rozlišení a také rozsah a dynamika měření představuje nejvyšší prioritu. Základní konfigurace laserového interferometru pro měření délek představuje laserový zdroj záření s vysokou koherencí se stabilizací frekvence, optika interferometru s polarizační separací svazků v měřicí a referenční dráze, detekční systém, elektronika a software pro zpracování a vyhodnocení signálů a systém pro kompenzaci vlivu indexu lomu prostředí. Konstrukce vlastního laserového zdroje vycházela z použitého laseru – Nd:YAG laseru se zdvojnásobením optické frekvence. Výstup z laseru je dělen na malou část využitou ke stabilizaci a většina je vyvedena do kolimátoru s příslušným počtem stupňů volnosti pro justáž vyvázání do optického vlákna. Kyveta z borosilikátového skla je součástí skříně. Její délka postačí díky silným absorpčním čarám na této vlnové délce malá. Má 10 cm a je ve skříni z prostorových důvodů umístěna rovnoběžně s laserem. Detekce absorpčních čar je realizována formou lineární absorpční spektroskopie. Navržené řešení využívá techniku pomalého ladění v okolí maxima absorpce s reverzací směru ladění v okamžiku poklesu detekované absorpce. Funkčnost základního uspořádání sestavy interferometrického měřicího systému byla ověřována na sestavě složené z části z komerčních optických komponentů. Sestavení funkčního interferometru obsahujícího všechny základní prvky, včetně stabilizovaného laseru, optiky a elektroniky bylo mimo jiné motivováno účastí spoluřešitele – firmy Meopta - optika, s.r.o. na veletrhu LASER 2013 v Mnichově.
|
|
|
50-leté výročí He-Ne laserů c Československu
Kršek, Jiří
Příspěvek je věnován všem účastníkům prvního laserového setkání v r. 1963 na zámku ČSAV v Liblicích, jmenovitě zakladateli tohoto oboru v Československu dr. K. Pátkovi a hlavně všem pracovníkům oddělení kvantových generátorů světla Ústavu přístrojové techniky ČSAV v Brně, jmenovitě in memoriam vedoucímu projektu F.Petrů, kolegům V.Bočkovi a B. Popelovi a také Z. Knittlovi z ÚVOJM Meopta, Přerov, kteří se zasloužili o rychlou realizaci prvního plynového He-Ne laseru v Československu již téhož roku, vybuzením stimulované emise koherentního laserového záření dne 16. října 1963. Z pověření kolegia fyziky svolal Ústav přístrojové techniky na 16. dubna 1963 do ÚRE ČSAV koordinační poradu o laserech za přítomnosti pracovníků AsÚ, FzÚ, ÚPT, ÚRE, VÚVET, VÚST, VÚ 011, ÚVOJM, ČVUT. Bylo dohodnuto, že ÚPT a VÚVET budou zajišťovat laserovou přístrojovou techniku. Karel Pátek, vynikající a dodnes citovaný český badatel v oboru optických vlastností pevných látek, v roce 1963 na půdě tehdejšího Fyzikálního ústavu ČSAV zprovoznil první prototyp laseru v Československu. Pátek si pro svůj laser zvolil aktivní prostředí neodymového skla. Ve stejném roce, na podzim 16. října 1963, byl vyvinut další laser, jehož aktivním prostředím byla plynná směs helia a neonu. Tento He-Ne laser sestavil v brněnském Ústavu přístrojové techniky kolektiv Františka Petrů za účasti Vlastislava Bočka, Bohumíra Popely a Jiřího Krška. Tento laser pracoval v blízké IČ oblasti na vlnové délce 1152,3nm a hned příští rok 8. dubna 1964 byl spuštěn He-Ne laser na 632,8nm ve viditelné oblasti spektra. V roce 1964 byly předány výsledky výzkumu a vývoje do n.p. Meopta, Přerov. Již v roce 1964 byly tyto lasery vystaveny na MSV v Brně a Meopta těchto laserů vyrobila asi 100 kusů, než jejich výrobu v roce 1968 zastavila. Lasery se pomalu dostávaly do různých oblastí výzkumu a průmyslu a tento trend pokračuje i dnešních časech.
|
host ::
RSS.