بخشی از مقاله
چكيده
وقتي يك جسم ديالكتريك بين دو پرتو غيرمتمركز كه از دو جهت مختلف ميآيند قرار گيرد، نيروي كلي كه به جسم وارد ميشود برابر صفر است، اما جمع نيروهايي كه از طرف پرتوهاي ليزر به سطح جسم ديالكتريك وارد ميشود، غيرصفر خواهد بود. بنابراين غيرصفربودن نيروهاي وارد بر سطح موجب ميشود تا جسم در راستاي محور پرتوهاي ليزر كشيده شود.
با استفاده از همين اصل، وسيلهاي به نام كشنده نوري١ ساخته شده است كه ميتواند خواص ويسكوالاستيكي٢ اجسام ديالكتريك متفاوت را، از جمله سلولهاي زيستي، اندازهگيري كند. به دليل غيرمتمركز بودن پرتوهاي ليزر بر روي اجسام - پرتوهايي كه كانون نشدهاند - ، آسيبي كه به جسم موردِ آزمايش وارد ميشود، بسيار كم بوده و در نتيجه نيرويي كه به سطح از طريق پرتوهاي تابيده شدهي ليزر وارد ميشود، به توان ليزر استفادهشده محدود نميباشد.
مقدمه
تقريباً در سه دههي اخير، به داماندازي توسط ليزر براي مطالعه خواص اجسام مختلف، در گسترهي اتم تا سلول، موردِ استفاده قرار گرفته است .[1,2,3] اصل اوليه در به داماندازي اين است كه تكانه از پرتوهاي نور به جسم منتقل ميشود و بنابر قانون دوم نيوتون، نيرويي به جسم وارد ميشود. تا به حال از اين نيرو براي به دامانداختن اجسام استفاده شده است و معمولترين نوع به دام اندازي، دام نيروي گرادياني تك پرتو٣، به نام انبرك نوري٤، ميباشد .[4] بر خلاف انبرك نوري، در كشنده نوري از دو پرتوي نور واگراي روبهروي هم و كاملاً مساوي،با نمايهِ شدت گوسي، استفاده ميشود تا اجسام را در بين اين دو پرتو ليزر به دام بياندازد - شكل١ - . اين به داماندازي زماني پايدار ميباشد كه مجموع نيروهاي وارد بر جسم برابر صفر باشد. اين شرايط زماني برآورده ميشود كه ضريب شكست جسم از ضريب شكست محيط اطرافش بيشتر باشد.
شكل١: شماتيك جسم به دامافتاده در كشنده نوري.
همچنين ابعاد پرتويليزر موردِ استفاده بايد از سايز جسم به دامانداخته شده، بيشتر باشد. در اجسام گسترده، از جمله سلولها، تكانه در ابتدا به سطح اجسام منتقل ميشود. مجموع نيروهاي وارد شده بر مركز جرم جسم برابر صفر است و تمام نيروهاي سطحي يكديگر را خنثي ميكنند، اما اگر جسم به دامانداختهشده به اندازه كافي كشسان باشد، جسم موردِ نظر در راستاي محور پرتوهاي ليزر كشيده ميشود
شكل٢: انتقال تكانه و نيرويي كه به يك جعبهي ديالكتريك توسط يك پرتو ليزر كه از سمت چپ تابيده ميشود. شكل - الف - : مقداري از نور ورودي از وجهجلويي بازتابيده ميشود و باقي پرتو عبور كرده و به دليل زيادتر بودن ضريب شكست جعبه، تكانه دريافت ميكند. در انتهامجدداً، مقداري از پرتو از وجه عقبي بازتابيده ميشود و باقي عبور ميكند و در عين حال تكانه از دست ميدهد. پيكانهاي پاييني، مقدار تكانهي منتقلشده به سطح را نمايش ميدهند.
شكل - ج - : به دليل وجود اختلاف بين نيروهاي عقبي و جلويي، نيروي كلي برابر با 421 بر مركز جرم اثر ميكند. اين نيرو مكعب را در جهت نور هُل ميدهد و اگر جسم خاصيت الاستيكي داشته باشد، نيرويي كه به سطح وارد ميشود، موجب تغييرِ شكل جسم خواهد شد.
تئوري
سادهترين راه براي توصيف برهمكنش نور با ذرات، استفاده از روش اپتيك پرتوي٦ ميباشد. اين روش زماني معتبر ميباشد كه ابعاد سلول موردِ آزمايش، از طول موج نور ليزر بسيار بزرگتر باشد. قطر سلولهاي زيستي - ٢ - ، از مرتبه دهها ميكرومتر ميباشد. آزمايش با سلولهاي زيستي، از جمله به وسيله كشنده نوري، در محيطهاي آبي صورت ميگيرد و آب نيز تنها براي امواج الكترومغناطيسي فروسرخ نزديك٧ - طولموج نور ليزري كه ما به كار بردهايم - شفاف ميباشد. بنابراين معياري كه براي روش اپتيك پرتوي در نظر گرفتيم 25 130 ≫ 1 - - براي مدل كردن اين آزمايش كاملاً قابل اجرا ميباشد.
ايده اين است كه امواج ليزر را يك تكپرتو نور با شدت، تكانه و جهت مناسب در نظر بگيريم كه در محيطي همگن و غيرپاشنده حركت ميكند و ميتواند با اپتيك هندسي توضيح داده شود. براي هر پرتو ميتوان تكانهاي متناسب با انرژي - - و ضريب شكست محيطي كه از آن عبور ميكند - - به صورت در نظر گرفت كه در آن سرعت نور در خلأ ميباشد
آزمايش و بحث
به مشابهت هر چيدمان آزمايشگاهي مهم، تعدادي وسايل آزمايشگاهي بسيار ضروري و دقيق در كشنده نوري مورد استفاده قرار ميگيرند كه تمامي آنها از وسايل اپتيكي ميباشند. در شكل٣ چيدمان كشنده نورياي كه استفاده ميكنيم را مشاهده ميكنيد. بر اساس كار اين وسيله اپتيكي، ابتدا باريكه نوري از ليزر خارج ميشود و با برخورد به تقسيمكننده نوري٨، نيمي از آن به سمت يك عدسي شيئي و نيمه ديگر آن به سمت عدسي شيئي ديگري ميرود.
سپس به كمك اين عدسيها، نور در داخل فيبرها متركز ميشود. در ادامه، فيبرها نور را منتقل ميكنند تا به محفظهاي كه در آنجا ابتداي دو فيبر روبروي يكديگر قرار گيرند و از ميان آنها، جرياني از ذرات نمونه حركت ميكنند و با توجه به تئورياي كه در بالا اشاره شد، ذره به دام افتاده و متناسب با سختي فيزيكي آن، به اندازهاي از دو طرف كشيده ميشود. ليزري كه ما براي انجام آزمايش از آن استفاده كرديم، ليزر نيمههادي٩ قرمز رنگ با طول موج ٦٤٠ نانومتر، ٤ ميليمتر قطر بيم خروجي و ٢٠٠ ميليوات شدت خروجي ميباشد.
تصاوير ارائهشده در زير - مربوط به سر فيبرها - توسط دوربين CCD تهيه شده است. لازم به ذكر است كه در آزمايشهاي اوليه، از ذرات ٩ ميكروني پلياستايرن براي به داماندازي و بررسي كشنده نوري استفاده كرديم. در شكل٤، تصوير نور خروجي از فيبر تكمد براي طولموج ٦٤٠ نانومتر را مشاهده ميكنيم. براي اينكه طرح شدتي پرتو خروجي از فيبر به شكل گوسي باشد - تا شرايط بالا برآورده شود - ، فيبر بايد تك مد باشد.
شكل٣: چيدمان كشنده نوري ما در آزمايشگاه بيوفيزيك دانشكده فيزيك دانشگاه صنعتي شريف.
