پایان نامه ارشد:بررسی قابلیت مدیریت اجسام با ابعاد نانومتر توسط انبرکهای نوری

چکیده :
همانطوری که می دانیم انبرکهای نوری در واقع برای مولکولها وذرات تله های نوری هستند که در آنها مطالعه و دستکاری ذرات در ابعاد نانومتری و میکرومتری مطالعه و انجام می شود.نیروهایی که در این کار برای ذرات و مطالعه انها لازم است در حد پیکومتری بوده و نیروهای حاصل از انواع پراکندگی در سطح ذرات مورد بررسی و مطالعه قرار میگیرد.در این روش می توان گفت که تله اندازی ذرات، با بهره گرفتن از امواج محوری و کانونی شده ی لیزری صورت می گیرد که نیروی گرادیان حاصل از این امواج کانونی می تواند براحتی در انتقال نیرو و نهایتا در جابه جایی ذرات استفاده شود.پس می توان گفت که ذرات در این روش با تله اندازی بوسیله باریکه های لیزری فرودی بر سطح ذره، مورد شتاب قرار میگیرد و در چاه پتانسیلی آن محبوس می گردد.در پایان با توجه به کاربردهای وسیع انبرکهای نوری بخصوص در سالهای اخیر در این پایان نامه ضمن مطالعه انبرکهای نوری، بهینه سازی عوامل موثر در افزایش پایداری این تله اندازی ذرات و عوامل موثر در انبرکهای نوری اعم از قطبش ذرات و باریکه های لیزری و خصوصیات مهم این باریکه بصورت کیفی مورد بررسی و مطالعه قرار گرفته است .

همچنین اثرات همدوسی و قطبش در یک سیستم یا انبرکهای نوری بررسی شده و حالتهای همدوس یک سیستم و اثرات آن در انبرکها، پهنای خط همدوسی و میزان آن و همچنین در حالت کلی سیستم های واقعی که مطابق با دنیای واقعی مولکولهاست یعنی سیستمی که در آن مولکولها دارای حرکت هستند بررسی و میزان این تحرک و اثرات آن در انبرکها لحاظ شد .همانطوری که نتایج نشان می دهند قطبش و میزان همدوسی سیستم برای به تله انداختن و جابه جایی مولکولها و ذرات بسیار مهم و با اهمیت می باشد و با بهره گرفتن از باریکه های همدوس و قطبش ذرات براحتی می توان یک ذره را به تله انداخته و یا آن را جابه جا کرد که در این راستا حرکت خود ذرات و تاثیرات محیطی بسیار با اهمیت است که در انبرکهای نوری که بصورت تجربی ساخته و مورد استفاده قرار میگیرند باید به انها دقت شود.در این پایان نامه حالتهای مختلف باریکه های لیزری در رژیم های مختلف و اثرات ان بر روی ذرات مطالعه و بررسی شده است . علاوه بر خصوصیات باریکه های لیزری در رژیم های رایلی و غیره و اثرات گرایان نیروی ایجاد شده در لیزری کانونی ،خصویات ذرات و قطبش انها و نیز تاثیرات ان در به دام انداختن ذرات و پایداری سیستم مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت. مطالعه و شبیه سازی ما مطابق با ذرات و دنیای واقعی آنها بود ودر اینجا نشان دادیم که چگونه حرکت ذرات و برهمکنش آن با باریکه لیزری می تواند در به تله انداختن ذرات مورد بررسی و توجه قرار گیرد.

فهرست عناوین صفحه
فصل اول پیشینه تحقیق و بررسی منابع………………………………………………………………………………………………….. 1

مقدمه:……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 2

1-1 نظریات دستکاری میکروسکوپی نوری……………………………………………………………………………………………… 3

1-2 نیروی اپتیكی:……………………………………………………………………………………………………………………………………… 4

1-3 فشار اپتیكی:……………………………………………………………………………………………………………………………………….. 6

1-4 معرفی انبرک های نوری…………………………………………………………………………………………………………………….. 7

1-5 دینامیك انبرك های نوری:……………………………………………………………………………………………………………… 10

1-6 تعدادی از كاربردهای انبرك های نوری:…………………………………………………………………………………………. 12

1-7 تله اندازی نوری……………………………………………………………………………………………………………………………….. 12

1-8 نیرو ها در رژیم رایلی…………………………………………………………………………………………………………………….. 13

1-9 نیرو در حوزه Mie………………………………………………………………………………………………………………………….. 15

1-10 اثر پهنای باریكه:……………………………………………………………………………………………………………………………. 18

1-11 حوزه میانی…………………………………………………………………………………………………………………………………… 21

1-12 تله اندازی اپتیكی مانند یك مساله پراكندگی………………………………………………………………………….. 22

1-13 تقریب پاراكسیال:………………………………………………………………………………………………………………………….. 26

1-14 نیروهای اضافی در انبرك های نوری:………………………………………………………………………………………….. 27

1-15 اندازه گیری نیرو:…………………………………………………………………………………………………………………………. 29

1-16 اندازه گیری نیروهای عرضی………………………………………………………………………………………………………. 30

1-17 مشخص كردن موقیعت ذره:……………………………………………………………………………………………………….. 32

1-18 روش های كالیبره كردن:………………………………………………………………………………………………………………. 33

1-19 كالیبره كردن اندازه گیری نیرو:…………………………………………………………………………………………………… 35

1-20 كالیبره كردن نیروی كشش ویسكوزیته:……………………………………………………………………………………… 36

1-21 كالیبره كردن حركت براونی:………………………………………………………………………………………………………… 36

فصل دوم:مواد و روش های مورد استفاده تحقیق……………………………………………………………………………………… 38

مقدمه:………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 39

2-1 تله اندازی نوری:………………………………………………………………………………………………………………………………. 39

2-2 مطالعه دینامیک انبرک نوری در برهمکنش رامان………………………………………………………………………… 42

2-3 برهمکنش با ماده:…………………………………………………………………………………………………………………………….. 43

2-4 بررسی اثرات ثابت توان لیزر بر ثابت سختی تله:………………………………………………………………………….. 46

2-5 تصویر برداری و آشکار سازی نانوذرات…………………………………………………………………………………………… 48

2-6 نیروهای نوری بر روی نانوذرات……………………………………………………………………………………………………….. 49

2-7 نیروها در تقریب دو قطبی………………………………………………………………………………………………………………. 49

2-8 نیروهای خارج از تقریب دو قطبی………………………………………………………………………………………………….. 50

2-9 نیروهای همبستگی نوری:……………………………………………………………………………………………………………….. 53

2-10 دینامیک نانوذرات به دام افتاده……………………………………………………………………………………………………. 54

فصل سوم نتایج وپیشنهادات…………………………………………………………………………………………………………………… 57

3-1توان و انرژی لیزری در جابه جایی ذرات :………………………………………………………………………………………. 64

نتیجه گیری :…………………………………………………………………………………………………………………………………………….. 68

پیشنهادات:…………………………………………………………………………………………………………………………………………………. 68

مراجع:………………………………………………………………………………………………………………………………………………………… 69

فهرست شکلها صفحه

شكل1-1: طول موج نور بر حسب قطر ذره كه حوزه آنالیز را مشخص می كند………………… 4

شكل1-2: وابستگی بین پرتو نور فرودی، شكست و بازتابش در مرز دو محیط………………… 7

شكل1-3: اصول اولیه كنترل موقعیت در انبركهای نوری………………………………………….. 11

شكل1-4:نیروی اپتیكی اعمالی بر میكروكره قرار گرفته در نزدیكی كانون عدسی شئ…. 14

شكل1-5: مسیر پرتو نوری در ذره كروی………………………………………………………………… 17

شكل1-6:مسیر پرتو برای یك كره منعكس كننده بالا برای باریكه گائوسی…………………. 17

شكل1-7: هندسه برای محاسبه كارایی تله اندازی محوری برای میكروكره با در نظر گرفتن پهنای باریكه 19

شكل 1-8: كارایی تله اندازی محوری میكرو كره پلی استیرن قرار گرفته در آب بوسیله تقریب های پرتویی خط مستقیم (اپتیك پرتویی)و خط سهمی وار(پهنای باریكه) با پهنای باریكه …………. 20

شكل 1-9: كارایی تله اندازی عرضی میكروكره پلی استیرن بوسیله تقریب های پرتویی دو همگرایی 21

شکل1-10: دورنمای پتانسیل اپتیكی برای ذره ذره كروی بدلیل یك باریكه گائوسی متمركز شده منتشره در راستایZ +.روزنه های عددی متفاوت برای عدسی كانونی كننده در( الف-ج) در نظرگرفته شده است. در ستون سمت چپ توزیع شدت عرضی و طولی میدان. ناحیه حدود طول موج. ستون وسطی نیروهای موضعی اعمالی به ذره رانشان می دهد(ماتریس پیكان). مقادیر مطلق در مقادیر پشت ماتریس پیكان كدگذاری شده است، نواحی كم نیرو(آبی)و نواحی پر نیرو(قرمز). در ستون راست، میدان نیروی یكسان برروی توزیع شدت نشان داده می شود، شیفت بین موقعیت نیرو و موقعیت تعادلی ذره را نشان می دهد. همه محورها در واحد طول موج برچسب گذاری می شوند.ذره فرض می شود كه قطر یك طول موج و ضریب شكست دارد و و سیال احاطه كننده ضریب شكست دارد………………………………………………………….. 25

1-11: اصول اولیه اندازه گیری نیروی ذره به دام افتاده، احتمال بالایی برای حضور در پتانسیل كمینه دارد.(الف)، كه یك نمودار هیستوگرام نتیجه می شود(ب). برای ساختار و كاربرد های نوعی، چاه پتانسیل می تواند بصورت هارمونیك تقریب زده شود(ج)ف كه یك رابطه خطی بین نیروی خارجی اعمالی به ذره و جابجایی ذره نتیجه می دهد(د)…………………………………………………………………………………………… 30

شکل1-12: مولفه نیروی ( ) 32

شكل1-13: نیروی های محاسبه شده بر روی كره. باریكه گائوسی می باشد. شكل چپ نیروی عرضی روی كره به عنوان تابعی جابجایی عرضی. شكل سمت راست نیروی محوری بر روی كره به عنوان تابعی از جابجایی محوری 35

شکل2-1:همانطوری که در این شکل دیده می شود احتمال به دام افتادن ذره در رزیم رامان بصورت حرکت نوسانی با زمان تغییر می کند…………………………………………………………………………………. 43

شکل2-2:برهمکنش نور با اتم ها……………………………………………………………………………. 44

شکل2-3همانطوری که در این شکل دیده می شود باریکه لیزری با ایجاد گرادیان نیرو می تواند باعث محبوس شدن و به تله انداختن ذرات شود…………………………………………………………………………… 47

شکل 2-4:در این شکل نیروی وارد بر ذرات بر حسب قدرت لیزری و به تله انداختن انها بر حسب قدرت خروجی لیزر رسم شده است .همانطوری که دیده می شود به تله انداختن ذرات با قدرت خروجی لیزر ارتباط مستقیم دارد……………………………………………………………………………………………………………………. 48

شکل3-1:قطبش القا شده در سیستم بر حسب میدان اعمالی به سیستم……………………. 59

شکل3-2:قطبش القا شده در سیستم بر حسب میدان اعمالی به سیستم……………………. 60

شکل3-3:نیروی وارد شده به سیستم بر حسب تغییرات I………………………………………… 61

مولکولهاست یعنی سیستمی که در آن مولکولها دارای حرکت هستند بررسی و میزان این تحرک و اثرات آن در انبرکها لحاظ شد .همانطوری که نتایج نشان می دهند قطبش و میزان همدوسی سیستم برای به تله انداختن و جابه جایی مولکولها و ذرات بسیار مهم و با اهمیت می باشد و با بهره گرفتن از باریکه های همدوس و قطبش ذرات براحتی می توان یک ذره را به تله انداخته و یا آن را جابه جا کرد که در این راستا حرکت خود ذرات و تاثیرات محیطی بسیار با اهمیت است که در انبرکهای نوری که بصورت تجربی ساخته و مورد استفاده قرار میگیرند باید به انها دقت شود.در این پایان نامه حالتهای مختلف باریکه های لیزری در رژیم های مختلف و اثرات ان بر روی ذرات مطالعه و بررسی شده است . علاوه بر خصوصیات باریکه های لیزری در رژیم های رایلی و غیره و اثرات گرایان نیروی ایجاد شده در لیزری کانونی ،خصویات ذرات و قطبش انها و نیز تاثیرات ان در به دام انداختن ذرات و پایداری سیستم مورد مطالعه و بررسی قرار گرفت. مطالعه و شبیه سازی ما مطابق با ذرات و دنیای واقعی آنها بود ودر اینجا نشان دادیم که چگونه حرکت ذرات و برهمکنش آن با باریکه لیزری می تواند در به تله انداختن ذرات مورد بررسی و توجه قرار گیرد.