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 نيروي 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:همانطوري که در اين شکل ديده مي شود احتمال به دام افتادن ذره در رزيم رامان بصورت حرکت نوساني با زمان تغيير مي کند.43
شکل2-2:برهمکنش نور با اتم ها44
شکل2-3همانطوري که در اين شکل ديده مي شود باريکه ليزري با ايجاد گراديان نيرو مي تواند باعث محبوس شدن و به تله انداختن ذرات شود.47
شکل 2-4:در اين شکل نيروي وارد بر ذرات بر حسب قدرت ليزري و به تله انداختن انها بر حسب قدرت خروجي ليزر رسم شده است .همانطوري که ديده مي شود به تله انداختن ذرات با قدرت خروجي ليزر ارتباط مستقيم دارد.48
شکل3-1:قطبش القا شده در سيستم بر حسب ميدان اعمالي به سيستم59
شکل3-2:قطبش القا شده در سيستم بر حسب ميدان اعمالي به سيستم60
شکل3-3:نيروي وارد شده به سيستم بر حسب تغييرات I61
شکل3-4 :تغييرات فرکانس سيستم بر حسب جابه جايي مولکولي نشان داده شده است .62
شکل3-5 :همانطوري که در اين شکل ديده مي شود نيروي وارد شده بر ذره بصورت گوسي بوده و باعث به تله افتادن ذره در چاههاي اين نيرو مي شود.63
شکل3-6:همانطوري که در اين شکل ديده مي شود ميزان توان خروجي در يک ليزر با استفاده از دمش Wcp در ان بصورت غير خطي کاهش مي يابد.که اين عمل براي حالت دمش Wp کاملا بر عکس هستش .65
شکل3-7:همانطوري که در اين شکل ديده مي شود ميزان توان خروجي در يک ليزر با استفاده از دمش Wp در ان بصورت غير خطي افزايش مي يابد.66
شکل3-8:همانطوري که در اينجا ديده مي شود نيروي وارد بر يک ذره يا جسم به تله افتاده بر حسب تغييرات ذره از منبع اين نيرو بصورت بالا تغيير مي کند که مي توان اين سيسم را بصورت ميکروسکوپيکي در حرکت نسبي ذرات از منبع نيز مشاهد کرد.(در شکل قبلي)67
فهرست علائم
فصل اول پيشينه تحقيق و بررسي 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 داراي 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 نوري 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 نظريات دستکاري ميکروسکوپي نوري
اگر ما ليزري را برداريم و به يک ذره ي کوچک بتابانيم، همزمان با حرکت نور،باريکه ليزر در درون آن انعكاس مي يابد. نيروهايي که باعث تغييرات مسير مي شود، طوري روي ذره فعاليت انجام مي دهند تا ذره به بخش پر تراکم تر پرتو ليزر حرکت کند. به خاطر اينکه پرتوهاي ليزر منحني گائوسي دارند، بخش پر شدت آن در مرکز محورهاي پرتوها است. بنابرين نيرو، ذرات را محدود به محور پرتو مي کند و از آنجايي که كانون پرتو قسمت پرتراکم پرتو در مسير انتشار است، آن ذرات را به سمت کانون هدايت مي کند. ذرات در سه بعد به دام مي افتند. براي توليد نيروي کافي براي رسيدن به اين پديده دام انداختن سه بعدي، احتياج به توان زيادي نيست. ما به شيب شدت بالا نياز داريم و توجه خود را روي نقاطي با قطر چند ميکرون متمركز مي كنيم .ذرات به دام افتاده از اين طريق زمينه ي تحقيقات فراواني را محيا کرده اند. از طريق گرفتن ذرات چسبيده به انتهاي مولکول ها و کشيدن آنها مي توانيم ويژگي هاي کشساني DNA را اندازه گيري کنيم. اگر ذرات به دام بيافتند راحت تر مي توانند شناسايي شوند.
اگرچه مد هاي پرتوي ليزر استفاده شده در دستكاري ميكروسكوپي نوري هم در فاز و هم در دامنه متنوع هستند، بيشتر آناليز هاي تئوري دستکاري ميکروسکوپي نوري در صفحه عرضي هنوز بر چگونگي انتقال تكانه خطي نور به ذرات استوار مي باشد. اشکين [2]دو روش متفاوت دستکاري ميکروسکوپي ارائه کرد که بر اساس اندازهي ميکروذرات نسبت به طول موج نور مورد استفاده در دام هاي نوري پايه گذاري شده بود.

در این سایت فقط تکه هایی از این مطلب با شماره بندی انتهای صفحه درج می شود که ممکن است هنگام انتقال از فایل ورد به داخل سایت کلمات به هم بریزد یا شکل ها درج نشود

شما می توانید تکه های دیگری از این مطلب را با جستجو در همین سایت بخوانید

ولی برای دانلود فایل اصلی با فرمت ورد حاوی تمامی قسمت ها با منابع کامل

اینجا کلیک کنید

در علم اتمسفري، ثابت شده است که ذرات معلق در هوا با توجه به اندازه خود نور را پخش مي کنند. وقتي نور در حوزه رايلي1 پراكنده مي شود، اندازهي ذرات پراكنده شده کوچکتر از طول موج نور است. بنابراين به اين نتيجه مي رسيم که مسئول رنگ قرمز غروب آفتاب و آبي آسمان، جداسازي زاويه دار است. وقتي نور در حوزه مي2 اتفاق مي افتد، ذرات پخش شونده مانند دود و قطرات آب و گردوغبار، بزرگتر از طول موج نور ها هستند. پراكندگي مي مسئول سفيدي رنگ ابرها است.
با دنبال کردن همان روش، اشکين بيان کرد که دستکاري ميکروسکوپي نوري توسط دو روش مجزا آناليز مي شود. يکي از اين روش ها رويکرد اپتيك پرتويي براي ذرات مي مي باشد (قطر ذرات بزرگتر از طول موج نور) و ديگري تقريب دو قطبي الکتريکي براي 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 ). بيشترين 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 هاي نوري
تصور کنيد بتوانيد تک سلولي را بدون برخورد فيزيکي برداريد. مثل يک داستان علمي تخيلي بنظر مي آيد. با به کار بردن ويژگي هاي بخصوص پرتوي ليزر، انبرک نوري مي تواند به راحتي اين 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 هاي نوري از پرتوي ليزر يا پرتوها استفاده مي کنند تا فشارهاي پيکونيوتن خيلي قوي توليدكنند که بتوانند اجسام ميکروسکوپي را دست کاري کند. اين توانايي در مطالعاتي مانند سلول هاي بيولوژيکي، موتورهاي مولکولي، ميکرو ماشين، ميکروفلوئيد، فيزيک کلوئيدي و ويژگي هاي پرتو هاي ليزر مورد استفاده قرار مي گيرد. انبرک ها براي اولين بار توسط محققان آزمايشگاه بل در سال 1986 توسط آرتور اشکين ارائه شدند. موضوعات اوليه را مي توان به وسيله ي قوانين نيوتون توضيح داد. زيرا نور با خود نيروي حرکت حمل مي کند و تغيير مسير نور به معناي اين است که نيرويي بايد با آن تغيير همراه شود. انبرکهاي نوري در واقع باريکه ليزر کانوني شده توسط عدسي شيئي با گشودگي عددي(Numerical Aperture) بالا مي باشند. وقتي ذرات در نزديکي کانون ليزر قرار ميگيرند نيرويي از طرف باريکه ي ليزر بر آنها وارد ميشود. اين نيرو در حالت کلي به دو مولفه تقسيم ميشود. نيروي پراکندگي در جهت انتشار باريکه ليزر و نيروي گرادياني که در راستاي گراديان شدت باريکه ليزر است. نيروي گرادياني به عنوان عامل اصلي بوجود آمدن تله نوري، تعيين کننده بهره ي تله است. در واقع اين نيرو يک نيروي باز گرداننده اي است که ذره ي با ضريب شکست بيشتر را از محيط پيرامونش به سمت نقاط با بيشينه ي شدت (مرکز کانون) مي کشد. همانطور که از اسم اين نيرو(نيروي گرادياني )پيداست اين نيرو ناشي از گراديان شدت در کانون عدسي شيئي است و مسلمأ هر چه ميزان گراديان شدت بيشتر شود نيروي باز گرداننده تله و به عبارتي بهره تله افزايش خواهد يافت. در انبرک نوري عمومأ از باريکه هاي ليزر با مد عرضي TEM استفاده مي شود اندازه لکه ي باريکه (قسمتي از سطح مقطع عرضي باريکه که در انجا شدت به برابر مقدارش در مرکز مي رسد) نوعأ مي تواند پارامترکنترلي خوبي براي اندازهي لکهي کانوني شده باشد هرچه ابعاد لکه ي کانوني کوچک تر باشد توزيع شدت در کانون تيزتر و نيروي گرادياني بيشتر خواهد بود. اما مسئله ي مهمي که در اينجا مطرح ميشود اين است که جهت استفاده از حدکثر گشودگي عددي عدسي شيئي مي بايست باريکه ليزر دهانه پشتي عدسي شيئي را کاملأ بپوشاند. از طرفي ضمن رعايت اين اصل، مي بايست مراقب اثرات مخرب پراش ناشي از بريده شدن باريکهي ليزر باشيم.
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 هاي نوري مي توانند با طيف بيني رامان، طيف بيني دو فوتوني و ميکروسکوپي کانفوکال ترکيب شوند. با ترکيب انبرک هاي نوري با پرتوهاي ليزر، محققان مي توانند ميکرو جراحي هايي روي ذرات انجام دهند. براي نمونه آنها مي توانند کروموزوم ها را جذب کنند و سپس آنها را به ذرات کوچکتر تقسيم کنند تا با استفاده از تله گذاري IR و ليزر برنده ي سبز که به قيچي نوري معروف است، براي آناليز بيشتر استفاده شوند. اين موضوع به اين دليل امکان پذير است که بيشتر موضوعات بيولوژيکي به جاي روش نور IR استفاده در طول موج سبز جذب مي 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 صنعتي مانند جابه جايي مولکولها و غيره 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.


دیدگاهتان را بنویسید