بخشی از مقاله
چکیده -
استفاده از باریکههای مختلف برای تلهاندازی نوری ذرات میکرونی و نانومتری میتواند باعث افزایش کاربردهای متنوع انبرک نوری شود. باریکههای بردار استوانهای به دلیل خواص منحصر به فردی که دارند امروزه بیش از پیش مورد توجه قرار گرفتهاند. این نوع باریکهها در مقایسه با باریکه گاوسی با قطبش خطی، در محل کانون حجمی در حدود یک سوم کوچکتر از باریکه خطی به وجود میآورد.
در مطالعه پیشرو به صورت تجربی تلهاندازی ذرات میکرو و نانومتری به کمک قطبش شعاعی که نوع خاصی از باریکههای بردار استوانهای هستند؛ بررسی میشود. نتایج برای ذرات 2/1 میکرونی نشان میدهد که استفاده از باریکه شعاعی قدرت تله را در راستای محوری در حدود 3 برابر بهبود میبخشد. همچنین با تلهاندازی ذرات نانومتری مشاهده شد که اندازه ذره نقش مؤثری در بهبود قدرت تلهی نوری با باریکههای برداری دارد.
-1 مقدمه
انبرک نوری با کانونی کردن یک باریکه لیزر، عموماً گاوسی، با انتقال اندازه حرکت از نور به ماده باعث تلهاندازی نوری ذرات میشود. انبرک نوری با خواص منحصر به فردی که در اندازهگیری نیروهایی از مرتبه پیکو و فمتو نیوتن دارد به ابزار بسیار قدرتمندی در مطالعات زیستی مبدل شده است. در سالهای اخیر، یکی از چالشهای بزرگ در مطالعات سلولهای زنده، کاهش آسیب ناشی از گرم شدن محیط توسط لیزر به بافت زنده است
اخیراً باریکههای غیرپراشی نظیر بسل1، ایری2، متیو3 و لاگرگاوسی4 توانستهاند کاربردهای جدیدی را در حوزه دستکاریهای اپتیکی ایجاد نمایند. باریکههای غیر پراشی از خاصیت خودترمیمی قابل توجهی برخوردار هستند و میتوانند برای انتقال ذرات تا فواصل چند صد میکرومتر مورد استفاده قرار گیرند .
مدهای ایریای که در یک مسیر منحنی منتشر میشوند در انتقال ذرات بین محفظههای میکروفلوئیدی [3] و همچنین پاکسازی محیط از ذرات در محوطهای که در مسیر نوری لیزر قرار گرفته [4]، مورد استفاده قرار گرفتهاند . از باریکههای متیو نیز میتوان به عنوان یک قالب نوری برای مهندسی میکروساختارهایی که از ذرات ساختهشدهاند، استفاده کرد
باریکههای لاگر گاوسی تکانه زاویهای مداری دارند که میتواند ذرات میکرونی تلهاندازی شده در انبرک نوری را تا چند صد هرتز بچرخاند .[6] از آنجایی که سرعت چرخش ذرات به ویسکوزیته محیط شناوری بستگی دارد، با اندازهگیری نرخ چرخش ذرات میتوان ویسکوزیته اطراف ذرات را به صورت موضعی اندازهگیری کرد.
بیشتر کارهای صورت گرفته برای تلهاندازی نوری با استفاده از باریکههای نوینی که عنوان گردید، توسط تغییر شکل فاز و دامنهی اینگونه پرتوها صورت گرفته است. تغییر وضعیت قطبش میدان نوری فرودی میتواند درجه آزادی بیشتری را مهیا کند. این امر مبانی فیزیکی گستردهتری از پدیدهها را برای ما آشکار سازد و کاربردهای جدیدتری به وجود آورد. به عنوان مثال از باریکههای بردار استوانهای میتوان برای افزایش حجم انتقال اطلاعات در فضای آزاد استفاده کرد
خواص کانونی جالب اینگونه باریکهها سبب شده که یک گزینه مناسب برای آزمایشات انبرک نوری باشند. باریکه بردار استوانهای با قطبش شعاعی نقطه کانون کوچکتری نسبت به باریکه گاوسی دارد و میتواند نیروی گرادیانی بزرگتری را ایجاد کند
شکل .1 طرح شدت و جهتگیری قطبش باریکههای بردار استوانهای. الف - باریکه با قطبش شعاعی، ب - باریکه با قطبش سمتی. پیکانهای مشکی رنگ جهت قطبش را نمایش میدهند.
تولید باریکههای بردار استوانهای روشهای متنوعی دارد [8] که ما در اینجا از یک صفحه کریستال مایع دارای الگو به نام q-plate که در مرجع [9] به تفصیل شرح داده شده است، استفاده کردهایم. در این مطالعه قدرت تلهی نوری برای ذرات میکرومتری پلیاستایرن و نانومتری طلا در قطبش خطی، شعاعی و سمتی مورد بررسی قرار گرفت و نتایج آنها با یکدیگر مقایسه گردید.
-2 مباحث نظری و کارهای تجربی
در چیدمان این آزمایش از یک لیزر - Nd:YAG,Coherent - با طول موج 1064 نانومتر و بیشینه توان خروجی 2/2 وات، یک میکروسکوپ وارون - IX71,Olympus - ، یک تیغهی نیمموج و یک عدد q-plate با بار توپولوژیکی q= برای تولید باریکه بردار استوانهای استفاده شد. q-plate یک تیغهی شفاف است
که از 2 عدد لام میکروسکوپ لایه نشانی شده توسط ITO ساخته میشود. این دولام میکروسکوپ توسط یک فاصلهانداز میکرومتری از یکدیگر جدا شده و میان آنها با کریستال مایع دو شکستی پر شده است .[10] قطبش خطی خارج شده از لیزر پس از پهنشدن از یک تیغهی نیمموج میگذرد که از این تیغه برای چرخش قطبش خطی و همچنین تغییر قطبش بین شعاعی و سمتی استفاده میشود
نور لیزر پس از برخورد به یک آینه دو رنگی و عبور از q=<-plate وارد عدسی شیئی - Olympus,100x, oil,NA=1.3 - شده و برای تلهاندازی در نمونه کانونی میشود. با توجه به اینکه باریکه موازی است، q=<-plate برای تغییر قطبش در هر قسمتی از مسیر باریکه قبل از عدسی شیئی میتواند قرار گیرد. برای اطمینان از ایجاد قطبش مورد نظر در تله، قطبش نور لیزر دقاًی قبل از عدسی شیئی با کمک یک قطبشگر اندازهگیری شد.
شکل .2 تصویر صفحه q=½ میان دو قطبشگر عمود برهم.
در مرحله اول ذرات کلوئیدی 2/ 1 میکرومتری پلیاستایرن که در فضای بین یک لام و لامل میکروسکوپ که در فاصلهی حدود 100 میکرومتری از هم قرار دارند، به کمک نور لیزر تلهاندازی شدند. برای این منظور این ذرات در نزدیکی لامل میکروسکوپ و ابتدا در عمق 2 میکرومتری نسبت به سطح لامل تلهاندازی شده و نور پراکنده شده از ذره، توسط عدسی جمع و به فوتودیود چهارتایی برخورد میکند. با اندازهگیری و بررسی سیگنال نور پراکنده شده از ذره درون تلهی نوری میتوان سختی تلهی نوری را اندازهگیری کرد. جزئیات این نوع اندازهگیری را میتوان در مرجع [11] دید. سپس این ذرات را با گامهای 2 0 /5 میکرومتری دورن نمونه حرکت داده و در هر عمق دادهبرداری برای سه راستای x، y و z صورت گرفت.
نتایج اندازهگیری سختی تله برای این ذرات در راستای عرضی - عمود بر جهت لیزر - در شکل 3 آورده شده است. همانگونه که این شکل نشان میدهد مقدار سختی تله در این اندازهگیریها با انتقال ذره به عمقهای بالاتر و افزایش مسیر لیزر در محیط غوطهوری ذرات - آب - کوچکتر میشود که این مسئله ناشی از ابیراهی کروی است. عدسیهای شیئی که در این آزمایش مورد استفاده قرار گرفتهاند، برای استفاده در نزدیکی سطح لامل تصحیحات ابیراهی دارند.
با افزایش فاصله از سطح لامل، ابیراهی کروی افزایش یافته که باعث پهن شدن لکه کانونی شده و قدرت تله کاهش مییابد. در شکل 4 سختی تله برای راستای محوری نشان داده شده است. همانگونه که مشاهده میشود برای قطبش خطی نور لیزر، تغییر محسوسی در قدرت تلهی نوری، به ازای تغییرات عمق تلهاندازی مشاهده نمیشود. در حالی که در قطبش شعاعی و سمتی با افزایش عمق تلهاندازی از قدرت تلهی نوری کاسته میشود. این امر بیانگر اثر متفاوت ابیراهی بر روی این نوع قطبش هاست.
شکل .3 نتایج سختی تله بهنجار شده به توان لیزر در عمقهای مختلف نسبت به سطح لامل برای راستای عرضی. اندازه ذرات 2/1 میکرومتر و از جنس پلیاستایرن است. هر نقطه، میانگین مقدار اندازهگیری برای چهار ذره است.
شکل .4 نتایج سختی تله بهنجار شده به توان لیزر در عمقهای مختلف نسبت به سطح لامل برای راستای محوری. اندازه ذرات 2/1 میکرومتر و از جنس پلیاستایرن است. هر نقطه، میانگین مقدار اندازه گیری برای چهار ذره است. همچنین مشاهده میشود که برای قطبش شعاعی قدرت تله نسبت به قطبش متداول خطی حدود سه برابر بزرگتر است.
