بخشی از مقاله
چکیده
با بکارگیري LCD ویدئو پروژکتور بهجاي SLM، طرحهاي مربوط به انبرك نوري چند تلهاي ایجاد شد. براي اطمینان از اینکه LCD ویدئوپروژکتور چه مقدار اختلاف راه براي باریکه نوري ایجاد میکند، با استفاده از یک تداخلسنج ماخ-زنر و بررسی اختلاف راه مربوط به LCDهاي قرمز، سبز و آبی، مشخص شد که براي به تله انداختن نمونههاي زیستی، LCDي قرمز براي طول موج 1064 نانومتر و براي نمونههاي غیرزیستی LCDي سبز براي طول موج 532 نانومتر بهترین گزینهها هستند.
مقدمه :
انبرك نوري ابزاري بسیار موثري براي میکرو - نانو - دستکاري است.این وسیله شامل یک باریکه لیزر گاوسی است که با استفاده از عدسی شیئی میکروسکوپ کانونی میشود و به ذرات مجاورنیروي بازگردانندهاي بسمت کانون وارد میکند.[1] این نیرو دراصل از برهم کنش نور لیزر و ماده تحت تابش ایجاد میگردد وبسته به اندازه ذره تغییر می کند. این ابزار توانایی اعمال نیروهاییدر محدوده چند فمتونیوتن تا چند صد پیکوبواسطهنیوتن را دارد.این محدوده نیرو، انبرك نوري کاربردهاي فراوانی درهايزمینهمختلف علوم زیستی یافته است. بعنوان مثال رفتار کشسانی پلیمرهاي زیستی مانند DNA و RNA توسط انبرك نوري موردمطالعه قرار گرفته است]٢.[در سالهاي اخیر یکی از کاربرديترین زمینههاي تحقیقاتی انبرك نوري ایجاد و کنترل همزمان آرایهاي از تلههاي نوري - تله چندگانه - بودهاست.
از این تلهها براي به دام انداختن ذرات وبررسی بر هم کنش ذرات به تله شده با یکدیگر - یا با میدانخارجی - استفاده میشود]٣.[ براي ایجادهايتله چندگانه رهیافت متفاوتی از جمله استفاده از آیینههايمنحرفشکل پذیر و کنندههاي آکوستو-اپتیکی1 وجود دارد. یکی از مهمترین و کاراترین رهیافتها، استفاده از قطعات اپتیکی پراشی - DOE - 2است]۴.[ این وسیله توسط تغییر شکل جبهه موج باریکه وروديبه عدسی شیئی باعث میشود که باریکه در چند مکان کانونی شود. 3SLM، جدیدترین نوع این قطعات است که بصورت پویا وزمان واقعی جبهه موج باریکه و بنابراین تغییرشکل آرایه تلهها رامیدهد بدین صورت که ابتدا تبدیل فوریه فضایی طرح شدتمورد نیاز بر روي SLM تولید میشود. از آنجاییکه این قطعه اپتیکی در کانون پشتی عدسی شیئی - یا مزدوج اپتیکی آن - قرار میگیرد، تبدیل فوریه طرح مذکور بصورت یک توزیع شدت - توزیع شدت مورد دلخواه - در کانون جلویی عدسی شیئی - صفحه جسم یا نمونه - تشکیل میشود. با هر بار تغییر طرح رويSLM طرح آرایه تلهها بصورت دینامیک تغییر خواهد کرد.
تئوري:
تک تلهي نوري:
همانطور که در مقدمه بیان شد انبرك نوري تک تلهاي در اصل یک باریکه لیزر کانونی شده است که میتواند به ذراتی که ضریب شکستشان بزرگتر از محیط اطراف است نیرو وارد کرده و آنها را
در مرکز باریکه کانونی شده معلق نگه دارد. نیروهاي وارد بر ذره در یک تله نوري نوعی را میتوان به دو دستهنیرويتقسیم کرد: - 1پراکندگی که در جهت انتشار نور است، - 2 نیروي گرادیانی که در جهت گرادیان فضایی شدت نور است. برایند برداري این دو نیرو، نیرویی به سمت کانون بر ذره وارد میکند. شکل 1 نیروهاي واردبر یک ذره وقتی در کانون نباشد را نشان میدهد. همانطور که ازشکل1 برمیآید نیروي برآیند همواره بسمت کانون لیزر است.
در صورتیکه هیچ نیروي خارجی - غیر از نیروي تله - وجود نداشته باشد ذره در مرکز تله باقی خواهد ماند، ولی اگر یک نیروي خارجی ذره را از مرکز تله دور کند، نیروي بازگرداننده فنرگونهاي از طرف تله بر ذره وارد خواهد شد. بدیهی است که محل تعادل ذره نسبت به مرکز تله، جایی است که برآیند نیروهاي وارد بر ذره صفر میشود. با دانستن ثابت فنر گیريوابسته به تله - - k و اندازه فاصله ذره تا مرکز تله - - x، نیروي خارجی از طریق قانون هوك، F= -kx تعیین میگردد. یکی از دقیقترین روشهاگیري اندازه ثابت تله روش توان طیفی است که با بهرهگیري از فیزیک حرکت براونی ذره در پتانسیل هماهنگ تله نوري، ثابت تله بدست میآید.معادله حاکم بر ذره کروي درون تله نوري به صورت زیر است:
که γ ضریب مقاومت سیالی است که ذره در آن قرار دارد و F - t - نیروي کاتورهاي ناشی از برخورد مولکولهاي سیال با ذره است.میتوان نشان داد که چگالی توان طیفی جابجایی ذره درون تله با رابطه زیر داده میشود:که در آن فرکانس و fc فرکانس مشخصه سیستم است که به فرکانس گوشه معروف است و بر حسب ثابت فنر و ضریب مقاومت سیال با رابطه fc 2kπγ داده میشود. با بدست آوردن فرکانس گوشه برازش توان طیفی دادههاي تجربی ثابت فنر بدست میآید. شکل2 یک توان طیفی نوعی از دادههاي تجربی مکان ذره میکرونی تله شده را نشان میدهد.
تله نوري چندگانه:
پایه همه روشهاي تولید انبرك نوري چندگانه این است که باریکه لیزر را در چند مکان کانونی کنند. بهترین ابزارهایی که در ایجاد چندین کانون مورد استفاده قرار میگیرند قطعات پراشی از جمله DOE و SLM ها هستند. روش کار این قطعات به این صورت است که یک الگوي توزیع فاز بصورت درجات رنگ خاکستري روي این قطعه طراحی میشود. با عبور یا بازتاب نور از این قطعه، باریکه نور پراشیده شده و سپس این طرح پراش توسط عدسی شیئی در محل نمونه در چندین مکان کانونی میشود. هر یک از کانونهاي ایجاد شده به عنوان یک تله مستقل عملو میکندبنابراین آرایهايمستقلازتلههاي را ایجاد مینمایند.
روشهاي آزمایشی:
استفاده از SLM به علت قیمت بالاي آن براي ما امکان پذیر نبود،لذا بجايSLM از 4LCD یک ویدیو پروژکتور استفاده کردیم]۵.[قسمت اولیه کار و اصلی ترین قسمت براي اینکه ببینیمتوانآیا میاز این LCD به جاي SLM استفاده کرد مشخصهیابی LCD با طول موجهاي 532 و 1064 نانومترهمانبود - این طولموجهاطول موجهایی است که قرار است ذره با آنها تله شود - .در ابتدا مدار الکترونیکی ویدئو پروژکتور طوري تغییر داده شد کهاین مدار بتواند بدون لامپ و سیستم خنک کنندههايکار کند. سیم اتصال LCD ها - سه LCD مربوط به رنگهاي سبز، قرمز و آبی - تعویض و با سیمهاي بلندتري جایگزین شدند تا بتوانیم از اینLCDها در چیدمان استفاده کنیم. براي درجهبندي این LCD ها ازیک تداخل سنج ماخ زنر استفاده شد - شکل. - 3
در این شکل M1و M2 آیینههاي مربوط به طول موج لیزر بکار رفته در چیدمان وBS1 و BS2 باریکه شکنهاي شدتی 50% هستند. CCD بکار گرفته شده SONY, 1/3″ با پیکسل بندي 811 - H - ×508 - V - و لیزرهاي مورد استفاده، لیزرهاي Nd:YAG با طول موجهاي 532نانومتر و 1064 نانومتر بودند. این تداخل سنج شامل دو بازوي کاملا مشابه است که استفاده از آن امکان مقایسه جبهه موجهاي این دو بازورا فراهم میآورد.موج PLZ - در شکل - 3 مربوط به طول موج مربوطه قرار می گیردکه قطبش نور فرودي بر LCD را کنترلاعمالمیکند. طرحهايشده روي LCD از طریق کامپیوتر متصل به ویدئو پروژکتور کنترل میشود. الگویی نواري - شکل - 4-a-c با مقادیر متفاوتی ازدرجات خاکستري - 0-255 - روي LCD اعمال شده و در هر بارفریزهاي تداخلی مربوطه توسط CCD ثبت میگردد - شکل -d-fLCD . - 4
فاز باریکه عبوري از خود را تغییر میدهد. میزان این تغییر متناسب با درجه خاکستري اعمال شده بر روي LCD است.با اعمال مقادیر مختلف درجه خاکستري میتوان مقادیر متفاوتی ازجابجایی فاز را تولید کرد. بدیهی است پرتوهاي نوري عبوري ازمناطق مختلف طرحهاي نواري نمایش داده شده در شکل4جابجاییهاي فازي متفاوتی خواهند داشت. این جابجایی فاز بصورت جابجایی فریز در طرح تداخلی ظاهر میشوند - شکل. - 4این شکل جابجایی فازي فریزها را به ازاي 3 مقیاس رنگ 0، 130 و 255 را نشان میدهد.مقدار جابجایی فاز این فریزها با روش تبدیل فوریه در محیطبرنامه نویسی MATLAB بدست آمده است. نمودار جابجایی فازي بر حسب درجههاي خاکستري براي هر یک از LCD ها و لیزرهاي با طول موجهاي 532 و1064 نانومتر آودردهشکل 5شده است.
