Optisk klemme

Partikkelen som skal fanges er dielektrisk, den oppfører seg som en dipol og Lorentz-kraften påføres den. I tilfelle av modellen Rayleigh , kan partikkel bli assimilert til et punkt, og den elektriske felt som gjelder er konstant: . Fgrpåd→(r→)=2πikkem2på3vs.×m2-1m2+2▽Jeg(r→){\ displaystyle {\ overrightarrow {F_ {grad}}} ({\ overrightarrow {r}}) = {\ frac {2 \ pi n_ {m} ^ {2} a ^ {3}} {c}} \ times {\ frac {m ^ {2} -1} {m ^ {2} +2}} \ bigtriangledown I ({\ overrightarrow {r}})}

I denne formelen angir intensiteten til laseren i posisjonen hvor partikkelen er lokalisert, størrelsen på partikkelen, indeksen til mediet der partikkelen er lokalisert, forholdet mellom indeksen til partikkelen og indeksen for omgivelsene. Jeg(r→){\ displaystyle I ({\ overrightarrow {r}})}r{\ displaystyle r}på{\ displaystyle a}ikkem{\ displaystyle n_ {m}}m{\ displaystyle m}

Denne kraften er attraktiv, og den er desto sterkere jo nærmere partikkelen er sentrum av laserstrålen.

På grunn av den refleksjon som oppstår ved grenseflaten mellom partikkelen og mediet (forskjellige indekser), blir en brytningskraft som skapes, uttrykk: . Frpåd→(r→)=8πk4på6ikkem3vs.×(m2-1m2+2)2Jeg(r→)ez→{\ displaystyle {\ overrightarrow {F_ {rad}}} ({\ overrightarrow {r}}) = {\ frac {8 \ pi k ^ {4} a ^ {6} n_ {m}} {3c}} \ ganger ({\ frac {m ^ {2} -1} {m ^ {2} +2}}) ^ {2} I ({\ overrightarrow {r}}) {\ overrightarrow {e_ {z}}}}

Strålingstrykket avhenger av lysintensiteten som brukes på målet (lineær variasjon) samt bølgelengden til laseren som brukes i . 1/λ4{\ displaystyle 1 / \ lambda ^ {4}}

Fotoner utøver også aksialt trykk på målet. Faktisk brytes ikke alle fotonene, noen reflekteres. Ved å reflektere over målveggen, vil de gi opp noe av momentum. Denne kraften vil drive målet i retning av forplantning av lyset: det er strålingstrykket. Det er der vi merker interessen til ekspanderen og en linse med høy numerisk blenderåpning for å fokusere strålen på klemmen. Faktisk, slik at målet ikke rømmer på grunn av dette strålingstrykket, må de bryte strålene generere en større kraft bakover enn strålingstrykket. Imidlertid, jo mer de perifere strålene som kommer fram til målet, desto større er denne kraften. Strålene som er mest tilbøyelige til målet, vil være de lengst fra midten av det. Det er derfor nødvendig med en bred laserstråle, en børste. I tillegg, jo større den numeriske blenderåpningen på linsen er, desto mer vil strålene vippes.

Eksperimentelt oppsett

Eksperimentelle forhold

Opprettelsen av en felle krever flere trinn: først og fremst valget av mediet der målet er plassert, det for laseren i henhold til målet, valget av optiske enheter for å lage fellen på ønsket sted.

For at den optiske brytningskraften på målet skal eksistere, er det nødvendig å pålegge en begrensning på indeksen til mediet som målet vil utvikle seg i. Enten brytningsindeksen til mediet og det målet som skal fanges. Enten vinkelen mellom det normale og planet for separasjon av mediet og målet og den innfallende strålen og vinkelen mellom denne normale og den reflekterte strålen. ikke1{\ displaystyle n_ {1}}ikke2{\ displaystyle n_ {2}}Jeg1{\ displaystyle i_ {1}}Jeg2{\ displaystyle i_ {2}}

Ved hjelp av Snell-Descartes' lov , for den , er det nødvendig . Jeg2>Jeg1{\ displaystyle i_ {2}> i_ {1}}ikke2<ikke1{\ displaystyle n_ {2} <n_ {1}}

Når det gjelder en konvensjonell optisk klemme, må laseren brukes kontinuerlig, med en effekt som spenner fra noen få mW til noen titalls mW for en felle. Laseren må ikke være for kraftig med risiko for delvis å ødelegge eller fullstendig ødelegge målet (dette kalles optisk skade eller optikk). Skaden på målet av laseren avhenger av absorpsjonen av målet ved laserens bølgelengde . Laseren bør velges i et område med lav absorpsjon av målet.

Konvensjonell optisk klemme

Den konvensjonelle optiske klemmen bruker en laserkilde ( bølgelengde avhenger av anvendelse, men det er ofte funnet i den nær infrarøde for biologiske og tekniske anvendelser for å minimalisere absorpsjonen fra mediet) og en stor mikroskop objektiv. Åpning . Blenderåpningen (f / 1.2 eller bedre) har en rolle i størrelsen på fellen på grunn av diffraksjonsgrensen .

Vi legger ofte til et separatorblad og et kamera for å visualisere manipulasjonen.

En variant bruker den romlige modulasjonen av strålen for å tillate rotasjon av partiklene som studeres gjennom interferens av to moduser av laseren.

Flere optiske klemmer

For å fange opp flere partikler samtidig, er flere tilnærminger mulige: multiplikasjon av kildene, tidsmessig skanning ved bruk av en enkel optisk klemme eller generering av flere bjelker ved diffraksjon (man snakker da om en holografisk klemme.

applikasjoner

Biologiske applikasjoner

Interessen for optiske pinsetter for biologi ligger i den ikke-invasive naturen til metoden. Dermed forstyrrer ikke operatøren forholdene i eksperimentet. Det er således mulig å manipulere organeller inne i en celle uten å perforere membranen.

Bruk av optisk pinsett muliggjør presis manipulering av mange encellede organismer, inkludert bakterier , virus og humane celler . Mye forskning på intercellulære kontakter har blitt utført ved hjelp av optisk pinsett.