Лазерный оптико-акустический микроманипулятор для газовых пузырьков
5
Результаты расчета и их анализ.
Для оценки эффективности
ОА-микроманипулятора и исследования возможности перемещения и
удержания газовых пузырьков было рассчитано пространственное
распределение действующего в воде (плотность — 1 000 кг/м
3
; ско-
рость звука — 1 500 м/с) потенциала усредненной силы радиацион-
ного давления на воздушный пузырек диаметром 1 мкм. Акустиче-
ское поле возбуждали лазерными импульсами (энергия 5 мкДж, дли-
на волны 1,06 мкм, диаметр перетяжки 4 мкм по уровню 1/
e
2
).
Показатель поглощения лазерного излучения в жидкости взят рав-
ным 0,2 см
−1
. Требуемый показатель поглощения может быть полу-
чен путем добавления в воду соответствующего красителя. В расче-
тах также использованы следующие параметры: скорость звука в
воздухе — 340 м/с; коэффициент поверхностного натяжения воды
σ = 0,072 Н/м. Давление газов внутри пузырька диаметром 1 мкм,
рассчитанное по формулам (6)–(7), составило величину порядка
2,4 атмосферы. Приняв плотность воздуха 1,2 кг/м
3
при атмосфер-
ном давлении, получим плотность воздуха 2,9 кг/м
3
внутри газового
пузырька. Давлением насыщенных паров воды внутри пузырька
пренебрегаем. Поиск решения проводили в области
r
ʹ
∈
[0, 25],
z
ʹ
∈
[−100, 100].
Характерные пространственные распределения нормированного
потенциала силы для лазерных импульсов с безразмерной длитель-
ностью τʹ = 1 и τʹ = 5 приведены на рис. 2: сила всегда действует по
направлению точно к центру перетяжки лазерного пучка. Это поз-
воляет проводить удержание пузырька по трем координатам в цен-
тре перетяжки или перемещение пузырька вслед за лазерным лучом
по заданной траектории в пространстве. Для лазерного излучения с
безразмерной длительностью импульса τʹ = 1 при частоте следова-
ния лазерных импульсов 10 кГц (что при энергии в импульсе 5 мДж
соответствует средней мощности излучения 50 мВт) максимальное
усредненное значение силы составляет 2,9 пН. Эффективность ОА-
пинцетов сравнима с эффективностью современных оптических
устройств, которые развивают для частиц микронных размеров си-
лы порядка 1 пН на 10 мВт мощности лазера [14].
Положение потенциальной ямы для газовых пузырьков (см.
рис. 2) не зависит от длительности импульса. При изменении дли-
тельности изменяется только амплитуда при сохранении направления
силы, что позволяет использовать в ОА-микроманипуляторах лазеры
с различными длительностями импульсов. Приведенным на рис. 2
графикам соответствуют длительности импульсов 5…50 нс. Для
управления положением газовых пузырьков можно использовать лю-
бой лазер с длительностью, лежащей в данном диапазоне значений.
