پردیس بین المللی ارس
گروه مهندسی نانو فناوری
گرایش مهندسی نانو الکترونیک
پایان‌نامه برای دریافت درجه کارشناسی‌ارشد
عنوان پایان نامه
بررسی قابلیت مدیریت اجسام با ابعاد نانومتر توسط انبرکهای نوری
پژوهشگر
سعید ایمانی
استاد راهنما
دکتر (حامد باغبان )
استاد مشاور
دکتر (سعید گل محمدی )
بهمن93
قدردانی و تشکر
تقدیم به
نام و نام خانوادگی:سعید ایمانی
عنوان پایان نامه: بررسی قابلیت مدیریت اجسام با ابعاد نانومتر توسط انبرکهای نوری
مقطع / رشته / گرایش / دانشکده: کارشناسی ارشد/برق الکترونیک/نانوالکترونیک /پردیس ارس
تاریخ فارغ التحصیلی: 1393 استاد راهنمای اول: دکتر حامد باغبان استاد راهنمای دوم:
استاد مشاور اول: دکتر سعید گل محمدی استاد مشاور دوم: کلیدواژه‌ها : نانو الکترونیک، انبرکهای نوری،فشار نوریچکیده :
همانطوری که می دانیم انبرکهای نوری در واقع برای مولکولها وذرات تله های نوری هستند که در آنها مطالعه و دستکاری ذرات در ابعاد نانومتری و میکرومتری مطالعه و انجام می شود.نیروهایی که در این کار برای ذرات و مطالعه انها لازم است در حد پیکومتری بوده و نیروهای حاصل از انواع پراکندگی در سطح ذرات مورد بررسی و مطالعه قرار میگیرد.در این روش می توان گفت که تله اندازی ذرات، با استفاده از امواج محوری و کانونی شده ی لیزری صورت می گیرد که نیروی گرادیان حاصل از این امواج کانونی می تواند براحتی در انتقال نیرو و نهایتا در جابه جایی ذرات استفاده شود.پس می توان گفت که ذرات در این روش با تله اندازی بوسیله باریکه های لیزری فرودی بر سطح ذره، مورد شتاب قرار میگیرد و در چاه پتانسیلی آن محبوس می گردد.در پایان با توجه به کاربردهای وسیع انبرکهای نوری بخصوص در سالهای اخیر در این پایان نامه ضمن مطالعه انبرکهای نوری، بهینه سازی عوامل موثر در افزایش پایداری این تله اندازی ذرات و عوامل موثر در انبرکهای نوری اعم از قطبش ذرات و باریکه های لیزری و خصوصیات مهم این باریکه بصورت کیفی مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است .
همچنین اثرات همدوسی و قطبش در یک سیستم یا انبرکهای نوری بررسی شده و حالتهای همدوس یک سیستم و اثرات آن در انبرکها، پهنای خط همدوسی و میزان آن و همچنین در حالت کلی سیستم های واقعی که مطابق با دنیای واقعی مولکولهاست یعنی سیستمی که در آن مولکولها دارای حرکت هستند بررسی و میزان این تحرک و اثرات آن در انبرکها لحاظ شد .همانطوری که نتایج نشان می دهند قطبش و میزان همدوسی سیستم برای به تله انداختن و جابه جایی مولکولها و ذرات بسیار مهم و با اهمیت می باشد و با استفاده از باریکه های همدوس و قطبش ذرات براحتی می توان یک ذره را به تله انداخته و یا آن را جابه جا کرد که در این راستا حرکت خود ذرات و تاثیرات محیطی بسیار با اهمیت است که در انبرکهای نوری که بصورت تجربی ساخته و مورد استفاده قرار میگیرند باید به انها دقت شود.در این پایان نامه حالتهای مختلف باریکه های لیزری در رژیم های مختلف و اثرات ان بر روی ذرات مطالعه و بررسی شده است . علاوه بر خصوصیات باریکه های لیزری در رژیم های رایلی و غیره و اثرات گرایان نیروی ایجاد شده در لیزری کانونی ،خصویات ذرات و قطبش انها و نیز تاثیرات ان در به دام انداختن ذرات و پایداری سیستم مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت. مطالعه و شبیه سازی ما مطابق با ذرات و دنیای واقعی آنها بود ودر اینجا نشان دادیم که چگونه حرکت ذرات و برهمکنش آن با باریکه لیزری می تواند در به تله انداختن ذرات مورد بررسی و توجه قرار گیرد.
فهرست عناوینصفحهفصل اول پیشینه تحقیق و بررسی منابع1
مقدمه:2
1-1 نظریات دستکاری میکروسکوپی نوری3
1-2 نيروي اپتيكي:4
1-3 فشار اپتيكي:6
1-4 معرفي انبرک های نوری7
1-5 ديناميك انبرك هاي نوري:10
1-6 تعدادي از كاربردهاي انبرك هاي نوري:12
1-7 تله اندازي نوري12
1-8 نيرو ها در رژيم رايلي13
1-9 نيرو در حوزه Mie15
1-10 اثر پهناي باريكه:18
1-11 حوزه مياني21
1-12 تله اندازي اپتيكي مانند يك مساله پراكندگي22
1-13 تقريب پاراكسيال:26
1-14 نيروهاي اضافي در انبرك هاي نوري:27
1-15 اندازه گيري نيرو:29
1-16 اندازه گيري نيروهاي عرضي30
1-17 مشخص كردن موقيعت ذره:32
1-18 روش هاي كاليبره كردن:33
1-19 كاليبره كردن اندازه گيري نيرو:35
1-20 كاليبره كردن نيروي كشش ويسكوزيته:36
1-21 كاليبره كردن حركت براوني:36
فصل دوم:مواد و روشهای مورد استفاده تحقیق38
مقدمه:39
2-1 تله اندازی نوری:39
2-2 مطالعه دینامیک انبرک نوری در برهمکنش رامان42
2-3 برهمکنش با ماده:43
2-4 بررسی اثرات ثابت توان لیزر بر ثابت سختی تله:46
2-5 تصویر برداری و آشکار سازی نانوذرات48
2-6 نیروهای نوری بر روی نانوذرات49
2-7 نیروها در تقریب دو قطبی49
2-8 نیروهای خارج از تقریب دو قطبی50
2-9 نیروهای همبستگی نوری:53
2-10 دینامیک نانوذرات به دام افتاده54
فصل سوم نتایج وپیشنهادات57
3-1توان و انرژی لیزری در جابه جایی ذرات :64
نتیجه گیری :68
پیشنهادات:68
مراجع:69
فهرست شکلهاصفحهشكل1-1: طول موج نور بر حسب قطر ذره كه حوزه آناليز را مشخص مي كند.4
شكل1-2: وابستگي بين پرتو نور فرودي، شكست و بازتابش در مرز دو محيط7
شكل1-3: اصول اوليه كنترل موقعيت در انبركهاي نوري.11
شكل1-4:نيروي اپتيكي اعمالي بر ميكروكره قرار گرفته در نزديكي كانون عدسي شئ14
شكل1-5: مسير پرتو نوري در ذره كروي17
شكل1-6:مسير پرتو براي يك كره منعكس كننده بالا براي باريكه گائوسي17
شكل1-7: هندسه براي محاسبه كارايي تله اندازي محوري براي ميكروكره با در نظر گرفتن پهناي باريكه19
شكل 1-8: كارايي تله اندازي محوري ميكرو كره پلي استيرن قرار گرفته در آب بوسيله تقريب هاي پرتويي خط مستقيم (اپتيك پرتويي)و خط سهمي وار(پهناي باريكه) با پهناي باريكه 20
شكل 1-9: كارايي تله اندازي عرضي ميكروكره پلي استيرن بوسيله تقريب هاي پرتويي دو همگرايي21
شکل1-10: دورنماي پتانسيل اپتيكي براي ذره ذره كروي بدليل يك باريكه گائوسي متمركز شده منتشره در راستايZ +.روزنه هاي عددي متفاوت براي عدسي كانوني كننده در( الف-ج) در نظرگرفته شده است. در ستون سمت چپ توزيع شدت عرضي و طولي ميدان. ناحيه حدود طول موج. ستون وسطي نيروهاي موضعي اعمالي به ذره رانشان مي دهد(ماتريس پيكان). مقادير مطلق در مقادير پشت ماتريس پيكان كدگذاري شده است، نواحي كم نيرو(آبي)و نواحي پر نيرو(قرمز). در ستون راست، ميدان نيروي يكسان برروي توزيع شدت نشان داده مي شود، شيفت بين موقعيت نيرو و موقعيت تعادلي ذره را نشان مي دهد. همه محورها در واحد طول موج برچسب گذاري مي شوند.ذره فرض مي شود كه قطر يك طول موج و ضريب شكست دارد و و سيال احاطه كننده ضريب شكست دارد.25
1-11: اصول اوليه اندازه گيري نيروی ذره به دام افتاده، احتمال بالايي براي حضور در پتانسيل كمينه دارد.(الف)، كه يك نمودار هيستوگرام نتيجه مي شود(ب). براي ساختار و كاربرد هاي نوعي، چاه پتانسيل مي تواند بصورت هارمونيك تقريب زده شود(ج)ف كه يك رابطه خطي بين نيروي خارجي اعمالي به ذره و جابجايي ذره نتيجه مي دهد(د)30
شکل1-12: مولفه نيروي ()32
شكل1-13: نيروي هاي محاسبه شده بر روي كره. باريكه گائوسي مي باشد. شكل چپ نيروي عرضي روي كره به عنوان تابعي جابجايي عرضي. شكل سمت راست نيروي محوري بر روي كره به عنوان تابعي از جابجايي محوري35
شکل2-1:همانطوری که در این شکل دیده می شود احتمال به دام افتادن ذره در رزیم رامان بصورت حرکت نوسانی با زمان تغییر می کند.43
شکل2-2:برهمکنش نور با اتم ها44
شکل2-3همانطوری که در این شکل دیده می شود باریکه لیزری با ایجاد گرادیان نیرو می تواند باعث محبوس شدن و به تله انداختن ذرات شود.47
شکل 2-4:در این شکل نیروی وارد بر ذرات بر حسب قدرت لیزری و به تله انداختن انها بر حسب قدرت خروجی لیزر رسم شده است .همانطوری که دیده می شود به تله انداختن ذرات با قدرت خروجی لیزر ارتباط مستقیم دارد.48
شکل3-1:قطبش القا شده در سیستم بر حسب میدان اعمالی به سیستم59
شکل3-2:قطبش القا شده در سیستم بر حسب میدان اعمالی به سیستم60
شکل3-3:نیروی وارد شده به سیستم بر حسب تغییرات I61
شکل3-4 :تغییرات فرکانس سیستم بر حسب جابه جایی مولکولی نشان داده شده است .62
شکل3-5 :همانطوری که در این شکل دیده می شود نیروی وارد شده بر ذره بصورت گوسی بوده و باعث به تله افتادن ذره در چاههای این نیرو می شود.63
شکل3-6:همانطوری که در این شکل دیده می شود میزان توان خروجی در یک لیزر با استفاده از دمش Wcp در ان بصورت غیر خطی کاهش می یابد.که این عمل برای حالت دمش Wp کاملا بر عکس هستش .65
شکل3-7:همانطوری که در این شکل دیده می شود میزان توان خروجی در یک لیزر با استفاده از دمش Wp در ان بصورت غیر خطی افزایش می یابد.66
شکل3-8:همانطوری که در اینجا دیده می شود نیروی وارد بر یک ذره یا جسم به تله افتاده بر حسب تغییرات ذره از منبع این نیرو بصورت بالا تغییر می کند که می توان این سیسم را بصورت میکروسکوپیکی در حرکت نسبی ذرات از منبع نیز مشاهد کرد.(در شکل قبلی)67
فهرست علائم
فصل اول پیشینه تحقیق و بررسی منابع
مقدمه:
اگر چه با تجربه روزانه در تناقض است، اما از زمان ظهور تئوري الكترومغناطيس به وسيله ماكسول، پذيرفته شده است كه امواج نوري دارای تكانه خطي هستند. ماكسول طرز عمل تئوري به صورت خودسازگار توضيح هاي كپلر را اثبات كرد كه معتقد بود نيروهاي دافع خورشيد روي قسمت هاي دنباله دار از فشار تابش نور خورشيد ناشي مي شود .حتي قبل از اختراع ليزرها، مشاهدات با لوازم آزمايشگاهي دقيق از لحاظ كيفي ( لبدو 1903، نيكول و هال 1901 ) و به صورت كمي ( نيكول و هال 1901 ) وجود فشار تابشي را ثابت كرد. به هر حال دستكاري ميكروني اپتيكي به عنوان يك وسيله به محدود كردن انتخابي و حركت ذرات كوچك، گراديان شدت خيلي بالا لازم دارد كه تنها با چشمه هاي نور ليزر ممكن مي شود. اين شاخه از فعاليت چهل سال قبل به وسيله اشكين در مقاله اي با عنوان ” شتاب و تله اندازي ذرات به وسيله فشار تابشي” [1] آغاز گرديد. او باريكه ليزر متمركز شده ضعيف را براي هدايت ذرات استفاده كرد. او نه تنها شتاب ذرات به وسيله نيروي تابش را مشاهده كرد بلكه متوجه يك نيروي گراديان ( هل دادن ذرات شفاف با يك ضريب شكست بالاتر از محور باريكه احاطه كننده ) شد. علاوه بر اين او مفهوم تله اندازي نوری انتشار شمارنده را ارائه و اثبات كرد كه در آن فشار تابشي دو باريكه ي ليزر مخالف منجر به محصور شدن سه بعدي پايدار ذرات مي شد. به زودي تله هاي اپتيكي پايدار ديگر شامل تله معلق اپتيكي ناشي از موازنه نيروي گرانش با فشار تابشي اثبات گرديد[1] . يك شكاف مهم در شاخه دستكاري ميكروني اپتيكي، اثبات تله نيروي گراديان باريكه منفرد بود كه امروزه به انبرك هاي نوري معروف است. در انبرك هاي نوري يك باريكه ليزر منفرد به واسطه يك عدسي با روزنه عددي بالا شديداً متمركز مي شود و به وسيله اين وسايل مي توان نيروهاي گراديان متقابل كننده با نيروهاي پراكندگي را در جهت انتشار ايجاد كرد. اين پياده سازي ظريف از تله اپتيكي، تله اندازي اپتيك سه بعدي ذرات دي الكتريك به صورت پايا را ممكن مي سازد. بر پايهي اين ساخته هاي بنيادي يك شاخه كلي از دستكاري اپتيكي ذرات ميكروني توسعه يافت. از يك سو انبرك هاي نوري به صورت همه جانبه سريعا توسعه پيدا كردند كه شامل ابزارهاي چند تابعي به وسيله سازوكار تسهيم زمان، شكل دهي باريكهي هولوگرافيك و يك تعداد غير قابل شمارش از پالايش تكنولوژيكي را مي شد. از سوي ديگر يك محدوده وسيع از سازوكارهاي ديگر ظاهر شد كه مفهوم انبرك هاي اپتيكي گسسته چندگانه يا منفرد را فراتر برد اما يك چشم انداز اپتيكي مربوط به مسائل ويژه ارائه نمود.
1-1 نظریات دستکاری میکروسکوپی نوری
اگر ما لیزری را برداریم و به یک ذره ی کوچک بتابانیم، همزمان با حرکت نور،باریکه لیزر در درون آن انعكاس مي يابد. نیروهایی که باعث تغییرات مسیر می شود، طوري روي ذره فعالیت انجام می دهند تا ذره به بخش پر تراکم تر پرتو لیزر حرکت کند. به خاطر اینکه پرتوهای لیزر منحنی گائوسي دارند، بخش پر شدت آن در مرکز محورهاي پرتوها است. بنابرین نیرو، ذرات را محدود به محور پرتو می کند و از آنجایی که كانون پرتو قسمت پرتراکم پرتو در مسیر انتشار است، آن ذرات را به سمت کانون هدایت می کند. ذرات در سه بعد به دام می افتند. برای تولید نیروی کافی برای رسیدن به اين پديده دام انداختن سه بعدی، احتیاج به توان زیادی نیست. ما به شیب شدت بالا نیاز داریم و توجه خود را روی نقاطی با قطر چند میکرون متمركز مي كنيم .ذرات به دام افتاده از این طریق زمینه ی تحقیقات فراوانی را محیا کرده اند. از طریق گرفتن ذرات چسبیده به انتهای مولکول ها و کشیدن آنها می توانیم ویژگی های کشسانی DNA را اندازه گیری کنیم. اگر ذرات به دام بیافتند راحت تر می توانند شناسایی شوند.
اگرچه مد هاي پرتوی لیزر استفاده شده در دستكاري ميكروسكوپي نوري هم در فاز و هم در دامنه متنوع هستند، بیشتر آنالیز های تئوری دستکاری میکروسکوپی نوری در صفحه عرضي هنوز بر چگونگي انتقال تكانه خطي نور به ذرات استوار مي باشد. اشکین [2]دو روش متفاوت دستکاری میکروسکوپی ارائه کرد که بر اساس اندازهی میکروذرات نسبت به طول موج نور مورد استفاده در دام های نوری پايه گذاري شده بود.
در علم اتمسفری، ثابت شده است که ذرات معلق در هوا با توجه به اندازه خود نور را پخش می کنند. وقتی نور در حوزه رايلي1 پراكنده می شود، اندازهی ذرات پراكنده شده کوچکتر از طول موج نور است. بنابراین به این نتیجه می رسیم که مسئول رنگ قرمز غروب آفتاب و آبی آسمان، جداسازی زاویه دار است. وقتی نور در حوزه می2 اتفاق می افتد، ذرات پخش شونده مانند دود و قطرات آب و گردوغبار، بزرگتر از طول موج نور ها هستند. پراكندگي می مسئول سفیدی رنگ ابرها است.
با دنبال کردن همان روش، اشکین بیان کرد که دستکاری میکروسکوپی نوری توسط دو روش مجزا آنالیز می شود. یکی از این روش ها رویکرد اپتيك پرتويي برای ذرات می مي باشد (قطر ذرات بزرگتر از طول موج نور) و دیگری تقريب دو قطبي الکتریکی برای ذرات رايلي است (طول موج نور بزرگتر از قطر ذرات). (شكل1-1)
شكل1-1: طول موج نور بر حسب قطر ذره كه حوزه آناليز را مشخص مي كند.
1-2 نيروي اپتيكي:
نيروي اپتيكي اصلي از گراديان شدت ميدان الكتريكي حاصل مي شود ( نيروي گراديان ). بیشترین گراديان با پرتو ليزر شديدا متمركز شده حاصل مي شود. اگر ضريب شكست ذره بزرگتر از ضريب شكست محيط احاطه كننده ( معمولا آب ) باشد، با كانوني كردن قوي، يك محبوس سازي سه بعدي مي تواند به دست آيد. نيروي گراديان، شيء را در جهت گراديان ميدان الكتريكي هل مي دهد. شيء در ناحيه اي با شدت ميدان بالا به تله مي افتد.
نيروهاي اپتيكي معمولا با رابطه زير تعريف مي شوند:
(1-1)
در رابطه بالا Q فاكتور بي بعد است، نسبت ضريب شكست هاي ذره و محيط مي باشد و P توان ليزر است.
زماني كه نيرو با رابطه بالا تعريف شود فاكتورهاي اصلي Q و هستند. فاكتور دوم تكانه فرودي بر ثانيه از باريكه ليزر در يك محيط با ضريب شكست مي باشد. نيروها تنها زماني اعمال مي شوند كه تكانه فرودي بر ثانيه، يا دامنه يا جهتش را تغيير دهد. فاكتور Q اين تغيير را توصيف مي كند. در يك سيستم با P و ثابت ( كه اغلب چنين است ) تنها فاكتور Q نيروي وارد به شيء را تعيين مي كند. فاكتور Q به طول موج، قطبش، ساختار مد، نسبت ضرايب و هندسه ذره بستگي دارد. نيروي فشار تابشي از يك پرتويي با تكانه بر ثانيه زماني كه Q=2 باشد، بزرگ خواهد بود. اين متناظر با پرتو بازتابيده عمود بر روي آينه كاملا بازتابنده است.
در تله اندازي اپتيكي دو نوع نيروي اپتيكي بين تله اندازي و هل دادن ذره به بيرون تله رقابت مي كنند نيروي گراديان ذره به دام افتاده را حفظ مي كند در حالي كه نيروي پراكندگي ذره را به بيرون از تله در جهت باريكه هل مي دهد.
اگر شعاع ذره خيلي كوچكتر از طول موج نور باشد ذره به عنوان ذره رايلي بحث مي شود بنابراين تقريب دو قطبي الكتريكي يا سازوكار رايلي استفاده مي شود. در مواردي كه شعاع ذره بزرگتر از طول موج باشد يك سازوكار اپتيك پرتويي ساده كافيست.
1-3 فشار اپتيكي:
شكل 1-2 پرتوهاي بازتابيده و شكسته شده را نشان مي دهد كه در آن زاويه فرودي و زاويه بازتابيد، زاويه شكست، تكانه فرودي، تكانه بازتابيده و تكانه شكست مي باشد. نيروي فشار اپتيكي يعني تغيير تكانه بر ثانيه به صورتي عمل مي كند كه تكانه نور در مرز پايسته باشد. جهت فشار اپتيكي عمود به سطح است. زيرا تكانه در جهت عرضي پيوسته است. نيروي فشار اپتيكي F ناشي شده از بازتابش و شكست در صفحه تداخل به وسيله رابطه زير كه تغيير تكانه را در جهت عمود در نظر مي گيرد داده مي شود:
(1-2)
كه در آن c سرعت نور در خلا، T و R به ترتيب ضرايب فرنل عبور و بازتابش هستند. در مورد نور قطبيده دايروي R به صورت ميانگين براي قطبش s و براي قطبش p به صورت زير داده مي شود:
(1-3)
آن جا هيچ جذبي در نظر گرفته نشده است يعني.
(1-4)
فشار اپتيكي كل عمل كننده روي اشياء ميكروني، جمع برداري نيروي هاي اعمالي بر روي سطح مقطع كل
شكل1-2: وابستگي بين پرتو نور فرودي، شكست و بازتابش در مرز دو محيط
1-4 معرفي انبرک های نوری
تصور کنید بتوانید تک سلولی را بدون برخورد فیزیکی بردارید. مثل یک داستان علمی تخیلی بنظر می آید. با به کار بردن ویژگی های بخصوص پرتوی لیزر، انبرک نوری می تواند به راحتی این کار را انجام دهد. انبرک هاي نوري (OT)، پرتوهاي نوري متمرکز شده اي هستند که قادر به گير انداختن و دستكاري ذرات ريز بوسيله مزيت هاي اثر فشار تابشي مي باشد ( از اندازه ميکرون تا اندازه نانومتر). انبرک های نوری از پرتوی لیزر یا پرتوها استفاده می کنند تا فشارهای پیکونیوتن خيلي قوی توليدكنند که بتوانند اجسام میکروسکوپی را دست کاری کند. این توانایی در مطالعاتی مانند سلول های بیولوژیکی، موتورهای مولکولی، میکرو ماشین، میکروفلوئید، فیزیک کلوئیدی و ویژگی های پرتو های لیزر مورد استفاده قرار مي گيرد. انبرک ها برای اولین بار توسط محققان آزمايشگاه بل در سال 1986 توسط آرتور اشکین ارائه شدند. موضوعات اولیه را می توان به وسیله ی قوانین نیوتون توضیح داد. زیرا نور با خود نیروی حرکت حمل می کند و تغییر مسیر نور به معنای این است که نیرویی باید با آن تغییر همراه شود. انبرکهای نوری در واقع باریکه لیزر کانونی شده توسط عدسی شیئی با گشودگی عددی(Numerical Aperture) بالا مي باشند. وقتی ذرات در نزدیکی کانون لیزر قرار میگیرند نیرویی از طرف باریکه ی لیزر بر آنها وارد میشود. این نیرو در حالت کلی به دو مولفه تقسیم میشود. نیروی پراکندگی در جهت انتشار باریکه لیزر و نیروی گرادیانی که در راستای گرادیان شدت باریکه لیزر است. نیروی گرادیانی به عنوان عامل اصلی بوجود آمدن تله نوری، تعیین کننده بهره ی تله است. در واقع این نیرو یک نیروی باز گرداننده ای است که ذره ی با ضریب شکست بیشتر را از محیط پیرامونش به سمت نقاط با بیشینه ی شدت (مرکز کانون) می کشد. همانطور که از اسم این نیرو(نیروی گرادیانی )پیداست این نیرو ناشی از گرادیان شدت در کانون عدسی شیئی است و مسلمأ هر چه میزان گرادیان شدت بیشتر شود نیروی باز گرداننده تله و به عبارتی بهره تله افزایش خواهد یافت. در انبرک نوری عمومأ از باریکه های لیزر با مد عرضی TEM استفاده می شود اندازه لکه ی باریکه (قسمتی از سطح مقطع عرضی باریکه که در انجا شدت به برابر مقدارش در مرکز می رسد) نوعأ می تواند پارامترکنترلی خوبی برای اندازهی لکهی کانونی شده باشد هرچه ابعاد لکه ی کانونی کوچک تر باشد توزیع شدت در کانون تیزتر و نیروی گرادیانی بیشتر خواهد بود. اما مسئله ی مهمی که در اینجا مطرح میشود این است که جهت استفاده از حدکثر گشودگی عددی عدسی شیئی می بایست باریکه لیزر دهانه پشتی عدسی شیئی را کاملأ بپوشاند. از طرفی ضمن رعایت این اصل، می بایست مراقب اثرات مخرب پراش ناشی از بریده شدن باریکهی لیزر باشیم.
امروزه سيستم انبرک هاي نوري ابزار تحقيقي مهم در بيوفيزيک به شمار مي آيند. براي مثال آزمايشات DNA تک مولکولي يا برخي بررسي هاي سلولي به استفاده از انبرک هاي نوري نيازمند هستند. شتاب دهي ذرات ايجاد شده با فشار تابشي ابتدا توسط اشكين3 کشف شد. او با استفاده از دو پرتو ليزري رودرو منتشره، گيراندازي كره هاي ميکروسکوپي را انجام داد. در سال 1986 تله اندازي نوري با يك پرتو ليزر كه به شدت متمركز شده بود، انجام گرفت. اين تله گذاري با جابجايي تكانه بين پرتو نور و ذره به دام افتاده بوسيله يك فرآيند پراكندگي بدست آمد. اين نيروي استخراج شده در ذره (يا طوقه) با نور مي تواند به مولفه پراكندگي (كه ذره را در جهت انتشار پرتو هل مي دهد) و نيروي گراديان (که ذره را به طرف ناحيه شدت بالا جذب مي کند) تجزيه شود.
براي ايجاد يك تله ثابت محکم، نيروي گراديان محوري بايد با نيروي پراكندگي هماهنگ شود. به اين مورد مي توان با كانوني كردن پرتو نور با استفاده از عدسي با روزنه عددي بالا دسترسي پيدا کرد.
علاوه بر توانايي دستكاري ذرات کوچک، انبرک هاي نوري همچنين مي توانند يک تکنيک مفيد را براي اندازه گيري نيروها در دنياي ميکروسکوپي تشکيل بدهند. وقتي يک نيروي خارجي به يك ذره گير افتاده اعمال شود ذره به سوي مكان تعادلي جديدي حركت مي كند كه در آن مكان نيروي نوري، نيروي خارجي را خنثي ميكند. از آن جايي که پتانسيل تله هارمونيك در نظر گرفته مي شود آن مي تواند در يک فرآيندي تنظيم شود كه بدست آوردن ثابت سفتي( stiffness ) را شامل شود. اخيراً چندين شيوه تجربي براي اندازه گيري نيروي استخراج شده با پرتو نوري توسعه و پيشرفت پيدا کرده است.
نيروهاي شامل شده در آزمايشات تله گذاري نوري را مي توان با استفاده از تئوري تعميم يافته لورنتز –مي(GLMT) پيش بيني کرد. اين تئوري در کل يک شيوه قاطع و پيچيده مي باشد که مي توان نتايج صحيح را از آن کسب کرد. به هر حال وقتي اندازه ذره کوچکتر از طول موج پرتو نوري باشد مي توان از تقريب سازي معروف رايلي استفاده کرد. شيوه ريلي ساده تر از شيوه GLMT مي باشد و نتايج کافي و مناسب براي اهداف بيشتر در درون محدوده قابليت کاربرد تهيه مي كند. ولي مدل پرتو نوري توصيف ساده و مستقيم را از تله گذاري نوري براي ذراتي ارائه مي دهد که اندازه قطر آنها بزرگتر از طول موج ليزر بکار برده شده مي باشد.
انبرک هاي نوري در حال حاضر يک بخش چند رشته اي و جذاب براي مطالعه در محدوه وسيع از رشته ها ارئه مي دهد. براي مثال تشکيل يک گروه OTشامل مهندسي نور (طراحي سيستم نوري، ميکروسکوپي) فيزيک ها (تئوري الکترومغناطيس، مکانيک هاي سيال)، فتونيک ها (تکنولوژي ليزر) مهندسي برق ( پردازشگر سيگنال، کنترل سخت افزار) و … مي باشد.
انبرک های نوری می توانند با طیف بینی رامان، طیف بیني دو فوتونی و میکروسکوپی کانفوکال ترکیب شوند. با ترکیب انبرک های نوری با پرتوهای لیزر، محققان می توانند میکرو جراحی هايي روی ذرات انجام دهند. براي نمونه آنها می توانند کروموزوم ها را جذب کنند و سپس آنها را به ذرات کوچکتر تقسیم کنند تا با استفاده از تله گذاري IR و لیزر برنده ی سبز که به قیچی نوری معروف است، برای آنالیز بیشتر استفاده شوند. این موضوع به اين دلیل امکان پذیر است که بیشتر موضوعات بیولوژیکی به جاي روش نور IR استفاده در طول موج سبز جذب می شود.
1-5 ديناميك انبرك هاي نوري:
اگر چه انبرك هاي نوري منفرد در يك موقعيت ثابت شده كاربردهاي بسياري را دارند اما اغلب تمايل به داشتن يك تله اي كه بتواند در نمونه هاي چنبري جابه جا شود وجود دارد. در شكل1-3 (آ) ساختار پايه اي انبرك هاي نوري نشان داده شده است. يك باريكه ليزر مستقيم به واسطه يك عدسي با طول كانون كوتاه متمركز مي شود كه معمولا يك شيء ميكروسكوپي است و در درون يك چنبر نمونه محتوي يك سيال با ذرات پراكنده كننده است. براي حركت نقطه كانون و بنابراين تله اپتيكي به موقعيت مختلف در صفحه عمود به محور باريكه ليزر فرودي لازم است تا يك زاويه نسبت به محور باريكه به صورت نشان داده شده در شكل1-3(ب) داشته باشد. يك باريكه همگرا يا واگرا در سوي ديگر، صفحه كانون را در امتداد محور باريكه بالا خواهد برد 1-3(ج).
مهم است كه باريكه به روزنه عقبي عدسي ميكروسكوپي هميشه با قطر يكسان و در موقعيت مركز شده يكسان براي نگه داشتن عملكرد تله نوري ضربه بزد و خصوصياتش تغيير نکند. يك امكان، استفاده از تلسكوپ كانوني دو عدسي براي ايجاد يك صفحه در هم آميخته اپتيكي از روزنه پشتي عدسي شيء ميكروسكوپي مي باشد ( شكل1-3د ). هر زاويه نشان داده شده در اين صفحه، به عنوان مثال به وسيله يك آينه نگه داشته شده به وسيله يك قاب حلقوي، يك زاويه متناظر در روزنه پشتي عدسي شيء ميكروسكوپي بدون يك جابه جايي در موقعيت نتيجه خواهد داد. به طور مشابه هر واگرايي ايجاد شده با يك قطر باريكه ثابت در اين صفحه، با يك قطر باريكه ثابت در روزنه پشتي عدسي شيء ميكروسكوپي باز توليد خواهد شد.
اگر آينه هاي اسكن کننده كنترل شده با كامپيوتر استفاده شود كنترل موقعيت مي تواند به صورت خودكار درآيد [5] . يك سازوكار مشابه، تيغه هاي صوتي اپتيكي در صفحه درهم آميخته استفاده مي كند (AODs) .اما AODs ها مي توانند يك زاويه به وسيله استفاده كردن يك شبكه براگ ديناميكي درون يك ماده پيزوالكتريك معرفي كنند و اين تابع، تنظيم شدن آهنگ خيلي بالاي زاويه هاي انحراف مختلف را اجازه مي دهد. يك كاربرد قدرتمند، انبرك هاي نوري زمان اشتراك مي باشد كه باريكه ليزر به يك مكان جهت گيري مي شوند. ( نگه داشته شده در آن جا براي يك زمان كوتاه و سپس جهت گيري شده به موقعيت بعدي ) اگر اين پي در پي انجام شود و توقفگاه در هر موقعيت به اندازه كافي براي عقب راندن يك ذره به موقعيت مركز به اندازه كافي بلند باشد و همچنين غيبت باريكه ليزر به اندازه كافي به منظور فرار ذرات به دليل حركت براوني به اندازه كافي كوتاه باشد، ذرات مي توانند به صورت شبه هم زمان به تله بيفتند [5] .
يك روش مبتكرانه به آزاد كردن كنترل زاويه باريكه و واگرايي باريكه در يك صفحه خاص بدون دستكاري مكانيكي، پراش در هولوگرام هاي توليد شده كامپيوتري مي باشد كه به المان هاي اپتيكي پراش نيز مشهور هستند (DOE) ، هولوگرام مي تواند به صورت استاتيكي در موارد اپتيكي حك شود [12] براي مثال روش هاي ليتوگرافيك.
شكل1-3: اصول اوليه كنترل موقعيت در انبركهاي نوري.
1-6 تعدادي از كاربردهاي انبرك هاي نوري:
انبرك هاي نوري از زماني كه اولين بار به وسيله اشكين و همكارانش معرفي شدند كاربردهاي زياد صنعتی مانند جابه جایی مولکولها و غیره پيدا كردند. به ويژه مساله هاي بيولوژيكي بر روي يك سلول منفرد [31]مي تواند به وسيله انبرك هاي نوري براي دو دليل حل شوند؛ نخست هيچ ابزار در دسترس ديگري وجود ندارد كه قادر باشد سلول هاي منفرد ماكرومولكول ها را با يك چنين دقت و انعطاف پذيري در زمان يكسان بدون هر تماس فيزيكي دستكاري كند. دوم اينكه انبرك هاي نوري مي توانند به اعمال نيروهاي تعريف شده و از همه مهم تر براي اندازه گيري نيروهاي خيلي كوچك با يك دقت بي نظير استفاده شوند. كاربردهاي بيشتر انبرك هاي نوري و روش هاي نزديك به آن مي تواند در شاخه هاي مختلف از قبيل علوم كلوئيدي ]13[، ميكروسيال ها ]22[، جهت گيري ميكروسكوپي ]34[، جداسازي ذرات ]6[ ، يا ديناميك هاي موتور مولكولي ]11[ يافته شوند.
آزمايشات انبرك هاي نوري مي توانند سوالات فيزيك بنيادي شامل انتقال مستقيم تكانه زاويه اي اپتيكي، برهمكنش هاي هيدروديناميكي و البته برهمكنش ماده و نور را جواب دهند. آن ميتواند ثابت شود كه انبرك هاي نوري هدايت و ميزان شده به صورت ديناميكي مي توانند يك عايق گرمايي ايجاد كنند كه حركت براوني پخش كننده ذرات را باياس مي كند. اين ليست كاربرد وسيعي از انبرك هاي نوري نيست بلكه يك انتخاب كوچك از كاربردهاي مورد توجه بود. ساير كاربردها مي تواند براي مثال در منابع]38[ يافت شود.
1-7 تله اندازي نوري
اشكين ثابت کرد که پرتو متمرکز شده قادر به سرعت بخشيدن به اشياء ميکروسکوپيک مي باشد. فوتون ها مي توانند با ماده به وسيله انتقال تكانه بر همكنش بکنند. منظور اين است که نور قادر به اعمال نيرو در ذره مي باشد. دستگاه هاي انبرک هاي نوري به استفاده عدسي شي ميکروسکوپي به منظور تجميع فتونهاي بدست آمده از پرتو ليزر در يک نقطه کوچک نياز دارند. در اين شيوه ذره هدف تا حد ممکن با فوتون هاي زيادي تا زماني که اندازه حرکت هر فوتون منفرد خيلي جزئي باشد بر همكنش مي کند. يک طيف گسترده از تئوري هاي صحيح و آزموده به تدريج براي توضيح ذرات حفظ شده (به دام افتاده) در اندازه هاي مختلف توسعه داده شده است. هر کدام از آن تئوري ها يک توصيف کاملي از يك تله نوري را ارائه مي دهند. اما راه حل هاي عددي در همه مدل هاي موجود حلقه مهمي از وضيعت آزمايشگاهي و تجربي را شامل مي شود و به فهم عميقي از مشکل تله گذاري منتهي مي شود. به هر حال براي ذرات کروي (مهره ها) مشکل معمولا با برآوردي توصيف مي شود که بستگي به شعاع شي بکار برده شده و طول موج پرتو دارد.
در رژيم رايلي :(a<w) Rayleighنيروهاي عمل كننده به ذره با استفاده از تئوري الکترومغناطيس توصيف مي شوند4.
در رژيم مي Mie ، اين برهمكنش ممکن است با استفاده از اپتيک هاي پرتويي محاسبه شود.
1-8 نيرو ها در رژيم رايلي
در رژيم رايلي، ذرات کروي دو قطبي هايي مي شوند كه نور را پراکنده مي کنند. فرض مي کنيم يک ذره بوسيله پرتو قطبيده خطي گائوسي محوري منتشره در محور z با شعاع كمربند پرتو و عدد موج روشن شود. که در آن طول موج در وسيله مي باشد. فرض مي کنيم n2 , n1 به ترتيب ضريب شكست محيط و ذره باشند.a شعاع ذره، ، c سرعت نور، گذردهي فضاي آزاد و طول موج در خلا مي باشد. پس شدت پرتو I(x,y,z)يعني مثال متوسط زماني بردار پوينتينگ بصورت زير نوشته مي شود.
(1-5)
قطبش القا شده در دو قطبي برابر مي باشد در اين جا قابليت دو قطبي شدن ذره است. پرتو ليزري نيروي را در دو قطبي اعمال مي کند که داراي دو مولفه متفاوت مي باشد: گراديان پراکندگي. اولين مولفه متناسب با گراديان شدت موج مي باشد، به اين منظور است که در جهت كانون شي ميکروسکوپي مي باشد (شکل 1-4 را ببينيد) بصورت زير نوشته مي شود.
(1-6)
مولفه دوم نيرو بستگي بهدلبل پراكندگي مي باشد و به تعداد فوتون هاي برخوردكننده به مهره يا ذره بستگي دارد. اين يک نيروي محوري است که نمونه را در طول راستاي z تحت فشار قرار مي دهد.
(1-7)
شكل1-4:نيروي اپتيكي اعمالي بر ميكروكره قرار گرفته در نزديكي كانون عدسي شئ
نيروي كل وارد بر ذره برابر مي باشد. اين دو سهم در نيروي كل، پراكندگي و گراديان در امتداد محور z (محور نوري) رقابت مي كنند. مولفه z نيروي کل برابر صفر
(1-8)
مي باشد. در اين نقطه، نه خيلي دور از کانون پرتو گائوسي، مولفه عرضي نيرو نيز صفر مي باشد و بنابراين ميكروکره ها در يک موقعيت تعادلي باقي مي مانند. به منظور توليد يك تله پايدار، نيروي گراديان در امتداد محور نوري بايد بزرگتر يا بيشتر از نيروي پراكندگي باشد، اين زماني درست است که:
(1-9)
رابطه بالا فقط زماني برقرار است که پهناي پرتو ليزر 0 به حد کافي كوچك باشد. به همين دليل انبرک هاي نوري بايد با استفاده شئ ميكروسكوپي با NA بالا طراحي شوند در غير اين صورت بطوريكه نيروي پراكندگي افزايش پيدا مي کند مولفه گراديان نيروي پراكندگي را در امتداد محورz خنثي نمي کند.
نقص اصلي رژيم رايلي از فقدان صحت پيش بيني هاي براي NA بالا حاصل مي شود. چون تئوري مورد نظر از لحاظ بنيادي داراي ويژگي پاراكسيال5 مي باشد. در اين موارد، اين تئوري به توصيف کيفي از سيستم محدود مي شود.
1-9 نيرو در حوزه Mie
همان طور که در بالا توصيف شد اگر قطر ذره بزرگتر از طول موج پرتو باشد، نيروي وارد شده با پرتو ليزري به ذره کروي با استفاده از رويه اپتيک پرتويي محاسبه مي شود.
در آنالیز اپتيك پرتويي، مسير پرتوهاي فرایند هاي انعکاس و انکسار در میکرو کره برای آنالیز تله اندازي نوری کافی است. شکل 2-2 نمودار مسير پرتويي ساده یک باريكه نوری را نشان می دهد. از شکل 2-2، يك معادله ی ساده اپتيك پرتويي براساس اپتيك هندسی توسعه داده مي شود. مسير پرتويي که در شکل 2-2 نشان داده شده است، تغییر جهت دار تكانه خطی نسبت به زمان نشان می دهد. این آهنگ تغییر تكانه پرتوي نور، مطابق با قانون دوم نيوتن يك نیروی فیزیکی را نتيجه خواهد داد. بطور مشابه همچنین یک نیروی عکس العمل از طرف کره برروی پرتو نور وجود خواهد داشت. تكانه خطی نور يك پرتو لیزر با طول موج گاما مي تواند بصورت زير بیان شود.
(1-10)
P تكانه نور، E انرژي نور و C سرعت نور كه در طول موج با رابطه زير بیان می شود:
(1-11)
كه درآن C سرعت نور گاما، طول موج و فرکانس نور است. در حاليكه انرژی نور بصورت زير بيان می شود:
(1-12)
كه در آن E انرژي نور، h ثابت پلانك و f فركانس نور است. همچنين تكانه يك فوتون منفرد با رابطه زير داده می شود:
(1-13)



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه

پاسخ دهید