XIV Международная студенческая научная конференция Студенческий научный форум - 2022

ВВЕДЕНИЕ

Работа с мельчайшими объектами является безотлагательной для многих частей науки и техники, а методы манипуляции ими без контакта перспективнейшими в этих областях.

В данной научной статье рассматриваются физические принципы, лежащие в основе работы оптического пинцета, а также историческая справка и практическая ценность данного изобретения.

Краткая история возникновения и практическая ценность оптического пинцета

Оптический пинцет или лазерный пинцет, оптическая ловушка представляет из себя устройство, позволяющее с помощью света лазера взаимодействовать с мельчайшими объектами размером от 10нм до 10мкм.[1]

О наблюдении сфокусированного пучка света, способного удержать микрообъект в трёх измерениях впервые стало известно в 1978 году из сообщения Артура Ашкина и его коллег. Полностью функционально этот инструмент был представлен в 1986 году. После чего и началось его интенсивное развитие.[2]

После этих событий ученые стали применять данный прибор там, где невозможно механическое воздействие, поскольку при малой мощности вредоносное воздействие можно свести к минимуму – биофизике. Впервые с помощью него были изучены бактериальные жгутики. Также физикам удалось использовать оптический пинцет для применения метода разделения частиц по форме, размеру и другим свойствам.[3]

Физические принципы

Взаимодействие с микрочастицей с использованием лазеров, оптически, базируется на явлении давления света, когда излучение представляется цугом. В таком случае микрочастицы движутся по направлению распространения цуга. Объекты, во втором случае, представляемые как диэлектрические сферы взаимодействуют с электрическим полем, создаваемым световой волной, поскольку на сфере индуцирован дипольный момент. В результате объект взаимодействия перемещается вдоль градиента электрического поля. Однако, движение по градиенту может быть больше чем движение под давлением цуга, если луч света будет сильно сфокусирован.[4]

Опираясь на эти принципы Ашкином были предложены, два разных метода:

1)Физической оптики для частиц, диаметр которых больше длины волны света.

Смотря на рис.1, где показано движение сферы в фокусе гауссова пучка. Когда сфера движется влево от центра пучка и касается цуга, как в случае (a), возникает сила, вызванная давлением света на нее, которая ее направляет к центру ловушки. Когда сфера находится в центре цуга, как в случае (b), сила направлена в сторону фокуса. Формула используемая для подсчета суммарной силы, действующей на частицу.

Формула полной силы давления света на шар

Величина, характеризующая изменение потока импульса

падающей волны

Где a – радиус шара; с – скорость света; θ,ψ - сферические координаты точки

падения луча, Io(θ,ψ) – распределение интенсивности света в падающем

световом пучке.

Произведя необходимые вычисления проекция этой силы вдоль оси распространения и поперек луча, можно оценить характер движения данной сферы. Расчет также показывает, что цуг «имея неоднородно распределенную интенсивность, затягивает» сферу в фокус этого пучка. [5]

Рис.1, Иллюстрация оптического захвата частиц

2) Электрического диполя для частиц, чей диаметр меньше длины волны.

Для таких частиц чей размер a = λ/20 (Релеевское приближение), при воздействии на них цугом, были получены следующие аналитические выражения.

Общая сила в виде суммы двух составляющих

Cила, возникающая при наличии градиента интенсивности светового поля

Cила, возникающая при рассеянии света на частице

Где S – вектор Пойтинга, а – радиус частицы, ε – диэлектрическая проницаемость частицы, ε0 – диэлектрическая проницаемость среды. Вычисления в представленных формулах сложны, чтобы избежать трудностей пользуются приближениями, когда размер сферы сильно больше или меньше относительно длины волны. Однако практическую ценность имеет то, что возможен захват объекта не обязательно сферической формы. [6]

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Оптический пинцет [Электронный ресурс] // Википедия - свободная

энциклопедия. URL: http://ru.wikipedia.org/wiki/Оптический_пинцет/

[27 декабря 2021].

Ashkin A. Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers /A. Ashkin. – Singapore: World Scientific, 2006. – P. 439.

The Nobel Prize in Physics 1997 [Electronic resource] // Nobelprize.org. – The Official Web Site of the Nobel Prize. (Engl.). – URL:http://www.nobelprize.org/nobel_prizes/physics/laureates/1997/ [27 декабря 2021].

Сойфер В. А. Оптическое манипулирование микрообъектами: достижения и новые возможности, порожденные дифракционной оптикой / В. А. Сойфер, В. В. Котляр, С. Н. Хонина // Физика элементарных частиц и атомного ядра. – 2004. – Т.35. – вып.6. – С. 1370–1372.

Ахманов С. А. Оптическая левитация / С. А. Ахманов, С. Ю. Никитин // Физическая оптика. – 2004. – С. 89 – 103.

Harada Y. Radiation forces on a dielectric sphere in the Rayleigh scattering regime / Y. Harada, T. Asakura // Optics Communications. – 1996. – Vol. 124. – P. 529–541.

Код для цитирования: Скопировать