Radiation-pressure-based cylindrically shaped microactuator capable of smooth, continuous, reversible, and stepped rotation

Abstract

Long cylindrical objects have been observed to align their central axis with the propagation axis of the illuminating laser beam through the action of radiation-pressure-generated force and torque. A cylindrically shaped microactuator based on this principle and suitable for micromachine applications is examined theoretically. When four in-plane laser beams converging at a common point centered on the cylinder are used, the cylinder can be made to rotate about a pivot point. In one mode, smooth, continuous, and reversible rotation is possible, whereas the other cylinder can be step rotated and locked, similar to the operation of conventional stepping motors. The properties of the device are analyzed based on obtaining either a constant rotation rate with variable beam power levels or a quasi-constant rotation rate with constant beam power levels or on using a fixed beam sequence rate that matches the system parameters and produces smooth or stepped operation.

Optically driven micromachines: progress and prospects

“…[12][13][14][15][16][17][18][19][20][21][22][23][24][25][26][27] This work both stimulated and benefitted from more general work on optical rotation and optical torque, most notably from the pioneering work of Les Allen [28][29][30][31][32] and work carried out at The University of Queensland, 7, 10, 33-39 the University of St Andrews [40][41][42][43][44][45][46][47] and the University of Glasgow, [48][49][50][51][52][53][54][55][56][57][58][59] and elsewhere.…”

Analytical particle measurements in an optical microflume

“…This effect is considerable when using a collimated light source such as a laser, given the remarkably high number of photons available. The more well-known optical micromanipulation technique known as optical tweezers utilizes a single highly focused laser for tasks such as trapping [1,2] and sorting cells [3,4], or a combination of laser beams working in unison for the development of unique non-intrusive tools such as microactuators [5,6]. The beams can be tightly focused into the solution that is transporting the microscopic particles through a microchip or flow cell.…”

Complex vortex beams for of rotation of micromechanical elements

“…Проблема создания вращательного момента в микромеханических системах с помощью специальных пучков имеет долгую историю [1][2][3][4][5][6][7][8]. Основной упор в этих работах делается как на принципиальную возможность вращения элементов микромеханических систем [2][3][4][5], так и на саму технологию изготовления таких элементов [7,8]. Уделяетcя также внимание теоретическим аспектам процесса вращения микрообъектов в световых пучках [1,6].…”

“…Исходя из приведённого обзора, следует заметить, что во всех рассмотренных работах упор делается в первую очередь на технологию изготовления элементов микромеханики и практически нет попыток совершенствования самих световых пучков. В качестве вращающих пучков выступают либо простые пучки Гаусса [2,5], либо простейшие вихревые пучки [14]. В то же время рассчитывая дифракционные оптические элементы, формирующие вихревые световые пучки под определённую форму микромеханического компонента (микротурбины), можно повысить эффективность передачи момента вращения в микромеханические системы.…”