بخشی از مقاله
چکیده -
انبرک نوری باریکهی بهشدت کانونی شده توسط یک عدسی شیئی است. هنگام استفاده از عدسیهای شیئی با محیط غوطهوری روغن، به ازای روغن با ضریب شکست معین، میزان ابیراهی کروی در عمق مشخصی کمینه میشود. که در آن بهرهی تلهی نوری حداکثر است. در این مقاله عمق بهینهی تلهی نوری، برای قطرههای میکرونی - محلول آب نمک - تلهاندازی شده در هوا، به دست آورده شده است. نتایج تجربی ما نشان میدهند که هر روغن غوطهوری یک عمق بهینه دارد و بهازای 0/01 تغییر در ضریب شکست روغن غوطهوری، عمق بهینه 1/4 میکرون جابهجا میشود.
-1 مقدمه
هواویزها ذرات ریز جامد یا مایع معلق در هوا هستند. اندازهی هواویزها از 0/1 میکرومتر تا 100 میکرومتر است. به طور معمول از اندازهی هواویزها برای طبقهبندی آنها استفاده میشود زیرا اغلب اندازهگیری این پارامتر آسان بوده و از روی آن میتوان اطلاعاتی در مورد دیگر خواص هواویزها بهدست آورد. تحلیل تک قطره در هوا از نظر شیمی جو، داروهای تنفسی، لیدار و شیمی تجزیه مورد توجه است.
اگرچه مشخصات هواویزها را می توان به صورت توده ای بررسی کرد، ولی مشکلاتی در بهدست آوردن نمونههای تکی یا آنسامبلهای کوچک ذرات جو وجود دارد.
انبرک نوری امکان این کار سخت را فراهم میسازد. بیشتر کارهایی که با انبرک نوری انجام میشود، شامل تله اندازی نمونههای کلوئیدی است. با وجود این، تلهاندازی نوری ذرات هواویز نیز امکانپذیر است. در مورد نمونههای کلوئیدی عمق بهینه برای روغنهای غوطهوری مختلف محاسبه شده است .
با توجه به مشکلات تلهاندازی در هوا محاسبهی عمق بهینه برای راحتتر تله کردن ذرات از اهمیتی ویژه برخوردار است .در این پژوهش بعد از تلهاندازی هواویزها، عمقی که در آن نیرو ماکزیمم است - عمق بهینه - را با تغییر ضریب شکست روغن غوطهوری بهدست آوردیم.
-2 انبرک نوری
از زمان ابداع و کاربرد انبرک نوری کمتر از 30 سال میگذرد و در این مدت این وسیله در حوزههای مختلف علوم تجربی از جمله فیزیک، شیمی، بیوفیزیک، بیوشیمی، زیست، میکروشاره و نانو تکنولوژی مورد استفاده قرار گرفته است. به طور ساده، انبرک نوری باریکهی لیزر کانونی شده توسط یک عدسی شیئی با گشودگی عددی بالا است که قادر به تلهاندازی ذرات میباشد. با استفاده از این وسیله میتوان نیروهایی از مرتبهی چند صدم پیکو نیوتن تا چند صد پیکو نیوتن، به اجسام میکرومتری و زیر میکرومتری اعمال نمود ابعاد نور کانونی شده حدود 1 تا 3 میکرون است و در این ناحیه گرادیان شدت بسیار بزرگی ایجاد میشود. هنگامی که ذره به کانون نزدیک می شود، نیرویی متناسب با گرادیان شدت بر آن وارد شده که باعث تلهاندازی ذره میشود. این نیرو برای جابهجایی های کوچک، شبیه نیروی فنر است و یک چاه پتانسیل سه بعدی تقریبا هماهنگ ایجاد میکند. معادلهی حاکم بر ذرهی درون تله، معادلهی لانژون است .[5] بعد از حل معادله ی لانژون به روش طیف توانی، فرکانس گوشه به صورت زیر تعریف میشود که در آن k سختی تله و 0 ضریب مقاومت سیال است.
در نتیجه با معلوم بودن فرکانس گوشه، سختی تله و در نتیجه نیروی وارد به ذره برای جابهجاییهای کوچک محاسبه میشود.
-3 ابیراهی کروی ناشی از اختلاف ضریب شکست بین دو محیط مجاور
از آنجا که عدسی های شیئی غوطهور در روغن نسبت به عدسی های شیئی غوطهور در آب گشودگی عددی بالاتری دارند، در انبرک نوری برای ایجاد تلهی قویتر، معمولا از این عدسی ها استفاده میکنند. مشکل اساسی در استفاده از عدسیهای غوطهور در روغن، وجود ابیراهی کروی به علت اختلاف ضریب شکست بین محیط غوطهوری و شیشه لامل و همچنین اختلاف ضریب شکست بین شیشه لامل و محیط نمونه است - شکل . - 1 اگر یک عدسی که شرایط سینوسی را ارضا میکند، توسط یک باریکه با قطبش خطی روشن شود، اثر ابیراهی کروی روی تابع پخش توزیع شدت در محیط دوم به صورت یک عامل فاز وارد میشود .
شکل :1 شمایی از کانونی شدن پرتوی لیزر بعد از عبور از چند مرز تخت.
برای حالتی که ابیراهی کروی ناشی از عدم تطابق ضریب شکست دو محیط باشد، عامل فاز در محیط دوم و در عمق dw با رابطه زیر داده میشود :
چنانچه از روغن غوطهوری قراردای با ضریب شکست n 1.518 استفاده کنیم، تنها یک عامل فاز در هوا وجود خواهد داشت. در این حالت با توجه به 1 بودن گشودگی عددی عدسی شیئی برای هوا و قانون اسنل، 0 41.2 ، 2 90 و 1.142k0da cov/air محاسبه میشوند.
که وجود عامل فاز cov/air ، بهعلت ابیراهی کروی ناشی از اختلاف ضریب شکست بین شیشهی لامل و هوا است. برای حالتی که ضریب شکست روغن غوطهوری 0/01 تغییر کند، عامل فاز در محیط غوطهوری نیز وجود خواهد
داشت. در نتیجه 040.88 و 0.0132k0da obj /oil بهدست میآیند که وجود عامل فاز obj /oil ، بهعلت ابیراهی کروی ناشی از اختلاف ضریب شکست بین شیشهی عدسی شیئی و روغن غوطه وری است. d0 ضخامت لایهی روغن است که با توجه به نوع عدسی شیئی مورد استفاده در آزمایش ما، 80 میکرون بهدست آمد. در عمق بهینه که این دو فاز اثر یکدیگر را خنثی میکنند، رابطه 0 برقرار است. که با توجه به این رابطه تغییر عمق بهینه تقریبا 1 میکرون بهدست میآید.
-4 نتایج تجربی
در این بخش نتایج حاصل از اندازهگیری عمق بهینهی تله نوری، برای قطرههای آب نمک 100 میلی مولار، آورده شده است. شکل 2 این نتایج را نشان میدهد. توان لیزر در خروجی لیزر تا قبل از عدسی شیئی میکروسکوپ، با استفاده از دستگاه توانسنج، 22 میلی وات اندازهگیری شد. برای تحلیل ذرات از روش طیف توانی استفاده شده است و فرکانس گوشه در عمقهای مختلف به دست آورده شده است. منظور از تغییر عمق در شکل 2 تغییر عمق ظاهری است. عبارت دیگر برای تغییر عمق با چرخاندن پیچ میکرومتری میکروسکوپ، مکان عدسی شیئی را تغییر میدادیم.
شکل :2 فرکانسهای گوشه در راستای محورz بر حسب عمق تله برای ذرات به قطر تقریبی 4 میکرون و روغنهای غوطهوری با ضریب شکست مختلف.
-5 نتیجه گیری
در این مقاله فرکانس های گوشه برای نمونههای هواویز، با روغنهای غوطهوری مختلف اندازهگیری شده است. نتایج حاصل از آزمایش ها برای پنج نمونه هواویز در شکل 2 آورده شده است. با توجه به این نمودار هر روغن غوطهوری، یک عمق بهینه دارد که در آن عمق سختی تله بیشینه است و در نتیجه ابیراهی کروی مینیمم میشود. محل کمینه شدن ابیراهی کروی با تغییر ضریب شکست روغن غوطهوری جابهجا میشود. در شکل 4 عمق بهینه بر حسب ضریب شکست روغن غوطهوری رسم شده است.
شکل :4 عمق بهینه بر حسب ضریب شکست محیط غوطهوری برای ذرات به قطر تقریبی 4 میکرون. با برازش یک منحنی خطی بر این دادهها، پارامترهای این منحنی در نمودار فوق نشان داده شده اند.
