מלקחיים אופטיים

מלקחיים אופטיים הם כלי אשר ביכולתו להפעיל כוח מושך או דוחה על ידי מיקוד לייזר, ביכולתה של טכניקה זו לבצע מניפולציה בחלקיקי חומר קטנים ומספקת כלי ייחודי לשליטה בתנועה ובמיקום של חלקיקים אלו. ב-1986 ארתור אשקין פרסם מאמר המשך לעבודתו עוד משנת 1969 אשר הראה את הדרך לביצוע לכידה של חלקיק מיקרוני באמצעות מיקוד קרן לייזר בודדה. לתהליך מעין זה קוראים היום מלקחיים אופטיים החידוש היה בשימוש בלייזר יחיד כאשר בעבודתו אשר התחילה ב-1969 נעשה שימוש במספר מקורות לייזר על מנת להשיג פוטנציאל יציב. בכלי ניסיוני ויחסית חדש זה, מתבצעת מהפכה במדעי הפיזיקה והביולוגיה המאפשרת ביצוע ניסויים חדשניים שבעבר לא התאפשרו. באוקטובר 2018 הוכרז אשקין לזוכה פרס נובל לפיזיקה, על חידושו זה.

רקע – הניסוי הראשון ומלכודות אופטיות

הניסוי בו דווח לראשונה על האפקט בוצע על ידי מדען של מעבדות בל בשם ארתור אשקין, במאמרו מתאר אשקין ניסוי בו חלקיק חופשי מושהה מואץ על ידי קרינת לייזר באור נראה, הניסוי אשר בוצע על חלקיק מיקרוסקופי הן בנוזל והן בגז השיג הבנה חדשה (1969) על מהותה של הקרינה ולחץ הקרינה בפרט, דבר זה גרם לגילויו של פוטנציאל אופטי יציב בו חלקיק מוחזק באמצעות לחץ הקרינה בלבד. אשקין הבין שעיקרון זה ניתן להרחבה עבור אטומים ומולקולות והצביע על כך במאמרו. אשקין חישב את גודל הכוח המדובר עבור לייזר ארגון והסתבר שמדובר בכוח לא מבוטל: עבור הספק של 1 וואט באורך גל של 0.5145 מיקרו-מטר אשר מפוקס באמצעות עדשה על כדור דיאלקטרי חופשי ברדיוס של 0.5145 מיקרו-מטר (כמו אורך הגל) ובצפיפות של 1 קילוגרם לליטר או 1 גרם למיליליטר (כמו הצפיפות של מים) ניתן לקבל כוח קרינה במקרה זה לפי הנוסחה הבאה:

$F_{rad}={{2qP} \over c}=6.6\times 10^{-5}dyn$

כאשר q מייצג את החלק של האור המוחזר בחזרה ואשקין הניח שהוא מסדר גודל של 0.1. התאוצה המתקבלת מחישוב זה היא פי $10^{5}$ גדולה מאשר התאוצה הגרביטציונית ושווה ל-$1.2\times 10^{8}cm/s^{2}$ . אשקין הבין שהשגיאות העיקריות כאשר מבצעים מדידות ללחץ הקרינה נובעות מכוחות תרמיים אשר נוצרים כתוצאה מגראדיאנטים בטמפרטורה אשר מקיפים את האובייקט הנמדד ובאופן כללי נקראים כוחות רדיומטרים כאשר הכוחות נגרמים על ידי אור וגורמים לאובייקט לזוז, האפקט נקרא פוטופורסיס. כוחות אלו הם בדרך כלל בסדר גודל יותר מאשר לחץ הקרינה ולכן למעשה מונעים מדידה של לחץ הקרינה אפילו כאשר משתמשים בלייזר. על מנת להתגבר על בעיות אלו אשקין השתמש בחלקיק ובמדיום "יחסית שקופים", ועל מנת להשיג זאת הם השתמשו בכדורי לטקס קטנים בקוטר 0.59, 1.31 ו-2.68 מיקרו-מטר מונחים בתוך תווך של מים.

הניסוי בוצע כאשר קרן של TEM₀₀ של לייזר ארגון ברדיוס של 6.2 מיקרו-מטר ובאורך גל של 0.5145 מיקרו-מטר ממוקדת אופקית דרך דפנות תא זכוכית בעובי של 120 מיקרו-מטר על החלקיק בודד (ראו תרשים 1 כפי שתואר על ידי אשקין) כאשר על מנת לראות את ההשפעה הוא השתמש במיקרוסקופ.

תרשים 1

תרשים 1: ב: בתרשים זה מתואר מערך הניסוי כאשר אור הלייזר עובר דרך העדשה לעבר החלקיקים המיקרונים (העיגולים הקטנים), t=120 מיקרו-מטר, ולצורך התצפיות השתמשו ב-M (המיקרוסקופ).

ההשפעה הייתה ברורה, כך שכאשר קרן בעוצמה של מילי-וואטים פגעה בכדור הגדול – 2.68 מיקרו-מטר בצד (לא במרכז) הכדור בצורה ספונטנית, ללא כל התערבות נראית אחרת, נמשך למרכז הקרן והואץ בכיוון האור, ראו תרשים 1. התנועה הייתה מוגבלת למהירות של מיקרונים לשנייה עד אשר החלקיק פגע בדפנות הכלי שם הוא נשאר לכוד בתוך הקרן. כאשר הקרן מופסקת הכדור ממשיך לנוע והתנועה נשלטת על ידי תנועה בראונית, הבחנה זו הביאה למערך ניסוי כפול כאשר יש קרינת לייזר כפולה משני הצדדים, מערך כפול זה למעשה דוחף וממרכז את החלקיק משני הצדדים ובכך למעשה לוכד אותו (ראו תרשים 2).

תרשים 2

תרשים 2:בתרשים זה רואים את הקונפיגורציה המאפשרת לכידת חלקיק מיקרוסקופי על ידי מערך כפול של לייזרים, המערך הכפול יוצר בור פוטנציאל אופטי ובכך החלקיק נשאר במקומו.

על מנת להבין לעומק את העקרונות^1,2 העומדים מאחורי אפקט זה ניקח תחילה בחשבון כדור בעל אינדקס שבירה גבוה יותר מהתווך בו הוא נמצא, כאשר קוטרו בסדר גודל של מספר אורכי גל, מונח ליד הציר הראשי של קרן גאוסיאנית ממוקדת בדומה למערך הניסוי שתואר קודם, נסתכל על שתי קרניים טיפוסיות a ו- b פוגעות בכדור באופן סימטרי למרכז O (ראו תרשים 3) אם נזניח החזרות מפני השטח של הכדור (יחסית זניחות), מרבית הקרניים עוברות ונשברות דרך הכדור יוצרות כוחות כדוגמת Fa ו- Fb כוחות אלו יהיו בכיוון השינוי בתנע.

מכיוון שעוצמת הקרניים (a ו-b ) שונה, קרן a קרובה יותר למרכז הקרן, ולכן חזקה יותר מאשר קרן b אשר נמצאת רחוק יותר, כיוון שיש מספר זהה של קרניים מטיפוס a ומספר זהה של קרניים מטיפוס זהה לזה של הb אשר פוגעות בצורה סימטרית בכדור, נוכל לבצע סכימה על זוגות של קרניים אלו ואז ניתן להגדיר שני כוחות שקולים: Fscat ככוח הנובע מפיזור ופונה בכיוון הציר הראשי של הלייזר (בכיוון הקרניים) ואת Fgrad 2

${\vec {F}}_{grad}=\sum \limits _{a,b}{(F'_{a}-F'_{b})}$

תרשים 3

תרשים 3: בתרשים זה רואים חזית התקדמות של קרן לייזר במוד TEM00 כאשר כתוצאה מאור הלייזר הפוגע בכדור המוסט ממיקומו לעומת מרכז הקרן מופעלים הכוחות Fa ו-Fb, אשר נובעים משבירת הקרניים a ו-b, מהות הכוחות ומקורם Fgrad ו-Fscat מוסברים בהמשך.

תרשים 3:תרשים נוסף המראה את הכוחות הפועלים על החלקיק.

תאוריה

ישנן שתי תאוריות עיקריות המסבירות את הכוחות המאונכים לכיוון התקדמות הקרן כאשר התאוריות תלויות ביחס בין גודל החלקיק שברצוננו ללכוד, לבין אורך הגל של הלייזר המשמש לצורך זה במלכודת ומהוות בסיס תאורטי עיקרי לכל סוגי המלכודות, מהמלכודות הפשוטות עד למערכות החדשות והמתוחכמות של המלקחיים האופטיים (קרן אחת). במקרה בו הממדים של החלקיק גדולים יותר מאורך הגל של הלייזר ניתן להשתמש בקירוב הקרניים הקלאסי ("The ray optics approach") של האור אך כאשר אנו רוצים להסתכל על חלקיקים הרבה יותר קטנים (אטומים) ואורך הגל הוא גדול יותר מהחלקיק אז ניתן לבצע קירוב דיפול ("The electric dipole approximation") לחלקיק ולטפל בבעיה בצורה זו.

תרשים 4: הסבר קירוב הקרניים האופטיות. כאשר הכדור מוסט ממרכז הקרן כמו ב-a הקרן בעלת המומנטום הגדול יותר (מסומנת בקו עבה) גורמת לרתע "קלאסי" כתוצאה משימור תנע ולכוח Fnet בכיוון מרכז הקרן, כאשר הכדור נמצא במרכז כמו ב-b הכוח השקול Fnet פונה כתוצאה מהרתע לכיוון מקור הלייזר.

"התאוריה הקלאסית" – קירוב הקרניים האופטיות

נסתכל עתה על המקרה בו ניתן לטפל בבעיה כקירוב קרניים אופטיות כאשר ממדי החלקיק הם גדולים מאורך הגל כמתואר בתרשים 4. כיוון שלאור יש תנע אשר שווה לפי איינשטיין למחצית האנרגיה של הקרן, השינוי הנצפה בכיוון החלקיק מצביע על כך שהתבצע שינוי תנע (הכוח שווה לשינוי בתנע) כאשר שינוי זה בתנע נובע מהשינוי הכללי של מהלך הקרן כך שהכדור מקבל תנע שקול בכיוון ההפוך. מרבית המלכודות האופטיות נוצרות באמצעות קרן בעלת פרופיל גאוסיאני, TEM00 mode, כאשר הכדור מוסט ממרכז הקרן (כמו בתרשים 4-a) על החלקיק פועל כוח (Fnet) המחזיר אותו למרכז הקרן מפני שיותר קרניים בעלות עוצמות גבוהות עוברות קרוב יותר למרכז הקרן ודרך הכדור גורמות לשינוי תנע אשר גבוה יותר מהשינוי בצידו השני של הכדור אשר רחוק יותר ממרכז הקרן, השינוי הכללי בתנע או הכוח השקול (Fnet) מחזיר את החלקיק לכיוון מרכז הקרן שזה למעשה בור הפוטנציאל ומרכז המלכודת האופטית.

כאשר החלקיק ממוקם במרכז הקרן (כמו בתרשים 4-b), אז לכל הקרניים העוברות דרך הכדור בצד אחד יש קרן זהה בעוצמתה אשר עוברת בצדו השני של הכדור או החלקיק, כך שהכוח השקול המאונך לכיוון הקרן מתאפס והכוח השקול (Fnet) יהיה בציר הקרן לכיוון הלייזר (ה"רתע" של הפוטונים היוצאים).

אם ניקח בחשבון את הכוח הנובע מפיזור הקרניים הפוגעות בכדור, Fscat (ראו תרשים 3), אזי מצב שיווי המשקל יהיה לא על המרכז בדיוק, אלא מוסט מעט ויימצא בשיווי משקל בין הכוחות הפועלים כך ש-Fscat יהיה שווה ל-Fgrad) Fnet מתרשים 4).

קירוב הדיפול החשמלי

קירוב זה נועד עבור המקרים בהם ניתן להתייחס לחלקיק כחלקיק נקודתי ביחס לאורך הגל הבוחן או במילים אחרות, כאשר גודל החלקיק קטן משמעותית מאורך הגל, כאשר קרן אור פוגעת בחלקיק מסוג זה היא משרה שדה חשמלי, אשר יוצר דיפול חשמלי נקודתי, וזה בתורו מטופל כדיפול נקודתי בשדה לא הומוגני. את הכוחות הפועלים על הדיפול ניתן לקבל משימוש בכוח לורנץ ושימוש בקירוב הדיפולי כדלקמן: מניחים שיש שני מטענים הפוכים קרובים מאוד כאשר המרחק ביניהם הוא d ומטענם בערכו המוחלט הוא q, ללא הגבלת הכלליות נניח שהשדה הוא בכיוון x בלבד, כוח לורנץ הוא:

${\vec {F}}=q\left({{\vec {E}}\left(x\right)+{\vec {v}}\times {\vec {B}}}\right)\,\,,{\vec {v}}\,={\frac {dx}{dt}},$

כאשר יש צורך להחליף את השדה החשמלי בשדה של שני חלקיקים נקודתיים קרובים בעלי מטען הפוך (משנה את הסימן של השדה תוך כדי השארת המטען מחוץ לסוגריים):

${\vec {F}}=q\left({{\vec {E}}(x)-{\vec {E}}(x+d)+{\vec {v}}\times {\vec {B}}}\right)\,\,,$

היות ש-d הוא קטן מאוד ניקח אותו להיות dx נפתח בטור טיילור ונקבל:

${\vec {F}}=q\left({{\vec {E}}(x)-{\vec {E}}(x)+(dx\cdot \nabla ){\vec {E}}(x)+{\frac {dx}{dt}}\times {\vec {B}}}\right)$

נשים לב שעבור המקרה הכללי כאשר הדיפול מוסט בכל 3 הצירים x,y,z נקבל את האופרטור $\nabla$ במקום הגזירה הרגילה כפי שקיבלנו במשוואה (5) נזכור ש-dx שווה ל-d ונגדיר את הפולריזציה של הדיפול

${\vec {p}}=q{\vec {d}}\,$

נציב ב-(5) ונקבל:

${\vec {F}}=q\left({(d{\vec {x}}\cdot \nabla ){\vec {E}}(x)+{\frac {d{\vec {x}}}{dt}}\times {\vec {B}}}\right)=\left({({\vec {p}}\cdot \nabla ){\vec {E}}(x)+{\frac {d{\vec {p}}}{dt}}\times {\vec {B}}}\right)$

כעת נניח שלדיפול החשמלי המושרה יש תלות ליניארית בשדה המשרה

${\vec {p}}=\alpha {\vec {E}}$

נציב בחזרה ב-(7) ונקבל

${\vec {F}}=\alpha \left({({\vec {E}}\cdot \nabla ){\vec {E}}(x)+{\frac {d{\vec {E}}}{dt}}\times {\vec {B}}}\right)$

נשתמש בזהות הווקטורית הבאה:

${\frac {1}{2}}\nabla {\vec {E}}^{2}={\vec {E}}\times (\nabla \times {\vec {E}})+({\vec {E}}\cdot \nabla ){\vec {E}}$

ובחוק פאראדיי מתוך משוואות מקסוול

$\nabla \times {\vec {E}}=-{\frac {d{\vec {B}}}{dt}}$

נציב את (11) ב-(10) ואת (10) ב-(9) ונקבל

${\vec {F}}=\alpha \left({{\frac {1}{2}}\nabla {\vec {E}}^{2}-{\vec {E}}\times (-{\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t}})+{\frac {d{\vec {E}}}{dt}}\times {\vec {B}}}\right)=\alpha \left({{\frac {1}{2}}\nabla {\vec {E}}^{2}+{\vec {E}}\times {\frac {\partial {\vec {B}}}{\partial t}}+{\frac {d{\vec {E}}}{dt}}\times {\vec {B}}}\right)=\alpha \left({{\frac {1}{2}}\nabla {\vec {E}}^{2}+{\frac {d}{dt}}\left({{\vec {E}}\times {\vec {B}}}\right)}\right)$

כאשר התרומה של האיבר השני מתאפסת, התרומה מתאפסת מכיוון שהיא מייצגת את השינוי של הפוינטינג ווקטור בזמן אשר אומר איך צפיפות האנרגיה משתנה בזמן, כאשר עובדים עם לייזר בעל אנרגיה קבועה אזי הפוינטינג ווקטור קבוע ואינו תלוי בזמן ולכן תרומה זו מתאפסת. כלומר עבור מקור לייזר קבוע נקבל שהכוח תלוי רק בגרדיאנט

${\vec {F}}=\alpha {\frac {1}{2}}\nabla {\vec {E}}^{2}$

ריבוע גודל השדה החשמלי הולך כמו עוצמת הקרן כפונקציה של המקום ועבור קרן גאוסיאנית קשר זה גורם לדיפול בחלקיק, לכן כאשר מטפלים בחלקיק זה כבדיפול נקודתי הכוח הפועל עליו פרופורציוני לגרדיאנט בעוצמת הקרן (גדלה ככל שמתקרבים למרכז הקרן) ולכן החלקיק נמשך לאזור בו העוצמה גבוהה יותר, יש לזכור שהמציאות איננה מערכת אידיאלית ולכן כמו בקירוב הקלאסי גם כאן יש צורך להתחשב בכוחות הפיזור ושיווי המשקל יתקבל כאשר השניים ישתוו בגודלם.

ריחוף אופטי - מלכודת אופטית באוויר

ההתקדמות הבאה במלכודות אופטיות וניצולה הייתה ההדגמה של מלכודת ריחוף אופטי באוויר, תחת התנאים בהם גרביטציה ממלאת תפקיד חשוב^2,5, במלכודת מסוג זה, כמתואר בתרשים 5, חלקיק מיקרוסקופי E בודד מוחזק באמצעות קרן אנכית, כאשר כוחות הגרביטציה והפיזור משתווים כוח הגרביטציה ממלא את מקום הלייזר הנוסף שבניסויים הקודמים איזן את כוח הפיזור באמצעות כוח פיזור מן הצד השני.

ריחוף אופטי-שימושים

כאשר החלקיק לכוד במלכודת זו ומרחף, ניתן לבצע מניפולציות שונות באמצעות פעולה פשוטה של הזזת הקרן, החלקיק יזוז בעקבותיה. אם נכניס למערכת זו קרן נוספת בעלת יכולת ניידות נוכל לבצע מניפולציות במבנה המרחבי של החלקיק. לדוגמה אם אנו גורמים לטיפת מים לרחף אזי הכנסת קרן נוספת לקונפיגורציה זו תוכל ליצור כוחות נוספים אשר ישנו את המבנה המרחבי של הטיפה לאליפסואיד על ידי הפעלת כוחות רוחביים נוספים^2,6. העובדה שניתן ליצור צורות מרחביות מורכבות מחלקיק קטן נותן מערכת אידיאלית לביצוע של פיזור אור, לדוגמה ניתן ליצור צורה של טיפה ולבדוק בתנאי מעבדה על ידי מדידה מדויקת מה הם ההפסדים וההחזרים כתוצאה מקרינה לדוגמת קרינת-מיקרו דבר זה יכול לאפשר תכנון יותר טוב של ציוד התקשורת – סלולרית, לוויינית רדיו וכו' היות שבעיית פיזור מטיפה היא בסיסית אך קשה לפתרון מדויק אלא באמצעות תורת הפרעות⁴. ריחוף של כדורי זכוכית שקופים וחלולים, אשר משתמשים בהם לפעמים לצורך ניסויים בהיתוך על ידי לייזר^2,7. ריחוף של חלקיקים בתנאי וואקום גבוה אפשרי. על ידי שימוש במשוב, ניתן לייצב את החלקיק ולהפסיק תנודות אשר נגרמות על ידי תנודות הקרן. מנגנון זה של המשוב מספק אמצעי לחישוב אוטומטי של כוחות על חלקיקים כיוון שהשינוי בהספק הדרוש על מנת להחזיק חלקיק במקום מהווה בעקיפין מדידה של השינוי בכוח המופעל. מנגנון זה שימש לצורך מדידה של כוחות חשמליים בטיפות שמן בגרסה מודרנית של ניסויMillikan oil drop" ^10,2" לצורך מדידה של צמיגות עבור חלקיקים קטנים^9,2, שינויים בכוחות רדיומטרים כפונקציה של הלחץ^8,9,2 ושינויים בכוחות הפיזור כפונקציה של המיקום בסביבת הקרן^9,2 ועוד².

מלקחיים אופטיים

ב-1986 אשקין תיאר את המערכת הבאה⁸:

תרשים 6: בדיאגראמה רואים חלקיק אשר מוחזק על ידי אותם הכוחות אשר תיארנו מקודם, כאשר ההבדל נובע בעדשה החזקה אשר ממקדת את האור בצורה טובה וחזקה יותר, כאשר החלקיק יכול להיות גדול או קטן יותר מאורך הגל.

אשקין דיווח במאמרו⁸ זה על הפעם הראשונה בה נצפה בצורה ניסיונית מלכודת אופטית אשר פועלת באמצעות קרן אחת בלבד (כלומר ללא הפעלת כוח אשר מתנגד ללחץ הקרינה הסטנדרטי אשר דוחף את החלקיק – "כוח הפיזור") במלכודות מסוג זה הכוחות הגרדיאנטים לוכדים את החלקיק כאשר גודלו יכול לנוע בגדלים שונים עד 25 ננומטר (1986), המלכודת פעלה בתוך תמיסת מים. כוחות אלו מדגימים את קיומו של "לחץ קרינה שלילי" או "כוח אחורי" אשר נובע משינוי עוצמת הקרן לאורך החלקיק. אפשרות זו פתחה אופציה להפעלת שיטת המלכודות האופטיות על חלקיקים קטנים כאטומים מולקולות וחלקיקים ביולוגים. כמו כן הוא הציע להשתמש במלכודות אלא לצורך קירור אטומים (ראו בהמשך) שלימים אכן התאפשר ואף קיבלו פרס נובל על טכניקת קירור זו.

תרשים 7: מערך ניסוי פשוט של מלקחיים אופטיים. הקרן מורחבת דרך הטלסקופ הראשון לגודל הדרוש. הטלסקופ השני עוזר בשמירה וכיוון הקרן. קרן מורחבת זו עוברת דרך אובייקט המיקרוסקופ לתוך הדגימה. מערכת זו פשוטה לתכנון ולבנייה, ופשטות זו היא בהחלט אחד היתרונות הגדולים של שיטה זו.

תרשים

בשנים האחרונות, ממשיכי דרכו של אשקין אשר עובדים בעזרת שיטה זו, התרכזו במדידת הכוחות והמיקום הדרוש לדיוק מצוין, בעיקר עבור מערכות ביולוגיות אבל גם אינטראקציות של קולואידים (מערכת שבה חלקיקי חומר נמצאים בתרחיף של חומר אחר) והידרודינמיקה. כמו כן הניסויים התרכזו גם בניסויים מבוקרים על התכונות של קרני האור ואפשרו ספקטרוסקופיה של חלקיק בודד בצורה מבוקרת. בשנים האחרונות התפתחו ואריאציות שונות על המערכת הפשוטה של מלקחיים אופטיים, אשר פתחו מחקרים חדשים שחיזקו את הבנתנו על צורת האינטראקציות של אור עם חומר.

מניפולציה של חלקיקים ואטומים¹²

אחד הכלים החדשים בתחום מלכודות ומניפולציות מרחביות הוא מניפולציה של חלקיקים ואטומים באמצעות אור המיוצר באמצעים הולוגרפיים. בתחום זה ישנן שלוש דרכים עיקריות: קומבינציה פשוטה של קרן, טכניקת סריקה וטכניקות הולוגרפיות.

קומבינציה פשוטה של קרן

טכניקה זו סוכמה בצורה מצוינת על ידי פולמן ואקסנר (1997)¹⁰, בטכניקה זו מפצלים אור של לייזר לשתי קרניים. כאשר מבצעים תכנות אופטי מדויק, ניתן לחבר אותם ועל ידי כך לשלוט באופן בלתי תלוי בכל אחת מהן, ועל ידי כך לשלוט במישור פיקוס הקרניים לאחר המעבר במיקרוסקופ (העדשה המרכזת). כך למעשה יצרנו מלקחיים אופטיים אשר משתמשים בקרן כפולה. טכניקה זו משמשת בעיקר במחקרים בהם מודדים כוחות שונים.

טכניקת סריקה

טכניקות אלו משתמשות ב-AODs, ^11,12AOD זה (בעברית הטיה אופטו-אקוסטית) (באנגלית: acousto-optic deflectors) כלומר אמצעי לשליטה על הקרן בדרכים אופטי-אקוסטיים אמצעי זה עובד באמצעות מתמר אקוסטי כאשר מקור הכוח של המתמר נשאר עובד במתח קבוע, כאשר התדירות האקוסטית משתנה על מנת להסיט את הקרן לזוויות שונות. ה-AOD משתמש בתלות בין זווית הדיפרקציה לתדירות אקוסטית, כאשר השינוי בזווית $\Delta \theta _{d}$ כתלות בשינוי בתדירות $\Delta f$ נתון על ידי

$\Delta \theta _{d}={\frac {\lambda }{\nu }}\Delta f$

כאשר $\lambda$ ו-$\nu$ הם האורך גל האופטי של הקרן באוויר והמהירות של הגל האקוסטי בהתאם.

תרשים 8:בתרשים זה ניתן לראות את אופן הפעולה של מערכת ה-AOD כאשר נכנסת קרן ומתפזרת בהתאם לנוסחה 14.

היכולות של כלי זה מתבטאות ביכולות סריקה מנקודה לנקודה (מכאן השם "טכניקת סריקה") אחת הדוגמאות ליכולות האלה הוא האפשרות ליצור יותר ממלכודת אחת¹² באמצעות אופטיקה מתוחכמת ויכולת הסריקה מנקודה לנקודה, הקרן זזה ממלכודת למלכודת במהירות כזו כך שהחלקיק לא מספיק לזוז ממקומו (על ידי תהליכים של דיפוזיה או תנועה בראונית כלשהי) ובכך נשמר החלקיק במקומו בצורה יציבה, בצורה זו ניתן לחקור זמן אופייני של תהליכים אלו בדיוק רב ניתן לראות דוגמה למערכת מסוג זה במאמר ב-Ref. 13.

טכניקות הולוגרפיות¹²

טכניקות אלו משמשות בעיקר על מנת להשיג שליטה תלת ממדית במספר אתרים. הולוגרמה מאפשרות שליטה על הפאזה של קרן הלייזר, אשר קובעת כיצד הקרן תתקדם. כך שעל ידי החזרה של הלייזר מההולוגרמה ניתן לקבל צורה ספציפית לקרן בהתאם להולוגרמה, הולגרמות מסוג זה ניתן לייצר על ידי שימוש באלגוריתמים מיוחדים המיועדים לשם כך. נושא זה הוא רחב מאוד ומאפשר יצירת מלכודות בעלי מספר רב של אתרי לכידה, סינון ומיון חלקיקים ועוד.

קירור אטומים²

ב-1975 Hansch ו-ארתור שולוב הציעו את האפשרות להשתמש בתלות החזקה כתוצאה מאפקט דופלר של כוחות הפיזור במהירות החלקיקים לצורך קירור אטומים. לדוגמה במימד אחד ניתן בעזרת שתי קרניים מנוגדות וזהות אשר מכוונות מתחת לסף הרזוננס, כל תנועה לאורך הציר נפגשים עם כוח מנוגד הנובעים מאפקט דופלר חזק של הבליעה (תנועת החלקיק לכיוון הקרן גורמת לכך שהחלקיק מקבל יותר תנע בכיוון המנוגד לכיוון תנועתו במילים אחרות הוא סופג תנע משני הכיוונים אך כיוון שהוא נע בכיוון הקרן הוא ירגיש כוח פיזור יותר חזק מהקרן שהוא נע לכיוונה). שלושה זוגות של מלכודות כאלה יוכלו למנוע תזוזה בכל הצירים אך יש לזכור שמערכת מסוג זה תצמצם רק את הכוח הממוצע הפועל על החלקיק, היות שישנן תנודות קוונטיות, ישנן סטיות רנדומליות מהכוח הממוצע אשר נובעות מתהליכי חימום. שיווי המשקל יושג כאשר קצב הקירור האופטי ישתווה לקצב החימום הקוונטי, Letokhov ו-Minogin היו הראשונים שהעריכו את טמפרטורת שיווי המשקל, הערכה זו התבססה על התנודות שחלים בכוח הפיזור, הם גם היו הראשונים שהציעו שניתן להשתמש בטכנולוגיית שש הקרניים על מנת ללכוד בצורה יציבה אטומים על ידי הכוחות הגרדיאנטים אך המלכודות הראשונות סבלו מבעיות יעילות.

שיפורים בתחום הושגו כאשר התחילו להשתמש במלקחיים אופטיים (שבהם יש שימוש בקרן אחת ממוקדת היטב) אף על פי שהמחשבה להשתמש בכלי זה לכאורה נוגדת את האינטואיציה, המלקחיים האופטיים יציבות ביותר בצירים בזכות השליטה של הכוח הגרדיאנטי האחורי לעומת כוח הפיזור הקידמי. מלכודות חדשות מסוג זה דרשו בנוסף קרניים מאוד מדייקות ומכוונות על מנת לשמור על האטום בטמפרטורה בסדר גודל של קבוע פלנק. 1986 חלה התקדמות משמעותית נוספת אשר אפשרה לכידה וקירור של עננים צפופים של אטומים, התקדמות זו קידמה את ההתעניינות בטכניקות אלו ונוצרו מלכודות אופטיות-מגנטיות גדולות אשר השתמשו בכוח הפיזור. מלכודות חדשות אלו אפשרו שליטה ברוב הפרמטרים הקשורים למלכודות, בשילוב עם טכנולוגית קירור בעלת 6 הקרניים יצרו מלכודות יציבות שלא מפרות את העיקרון של Earnshaw's שטוען שלא ניתן לאכלס אוסף של מטענים נקודתיים בשיווי משקל סטציונרי אך ורק על ידי האינטראקציות האלקטרוסטאטיות של המטענים אלא צריך קומבינציה של כוחות מגנטים, חשמליים כבידתיים או כמו במקרה זה גם כוחות גרדיאנטים של מלכודות אופטיות.

מלקחיים אופטיים בשירות הביולוגיה²

כמו תגליות חשובות רבות בעולם, גם כאן ליד המקרה והמזל הייתה יד, כאשר זיהום חיידקי התרחש באחד הניסויים^14,2 של אשקין ב-1987. בניסוי זה נלכד בטעות חיידק שמת כתוצאה מקרינת הלייזר, אך כאשר עברו לשימוש בלייזר תת-אדום (לעומת השימוש בלייזר ירוק) נעשה אפשרי להחזיק חיידקי קולי וכן תאי שמרים למשך שעות בבידוד ולהתבונן בהתרבות התאים בתוך המלכודת. ניסויים אלו הראו את הדרך בה ניתן לשלוט גם בתאים חיים ולבצע מניפולציות מרחביות ללא נזקי קרינה באמצעות השימוש בלייזר באורך גל תת-אדום של 1.06 מיקרון. באופן מדהים המניפולציה הייתה אפשרית גם בתוך התא החי וזאת ללא כל נזק לתאים מלבד עיוותים מבניים קלים. כמו כן נצפתה גם התנהגות אלסטית.

עבודות נוספות שנעשו בצמחים הראו יכולות מניפולציה בחלקיקים בתוך הציטופלזמה. על ידי הזזת חלקיקים תוך תאיים ניתן לבדוק תכונות אלסטיות וצמיגות. כמו כן ייתכנו מעין ניתוחים תוך תאיים על ידי זרימה ויסקו-אלסטית (נספח שתיים) של הציטופלזמה עם זרימה כוללת של אברונים גדולים. ניסויים אלו סללו את הדרך לשימוש במלכודות אופטיות בביולוגיה.

כיום משמשות מלכודות אופטיות משמשות גם לביצוע מניפולציות ב-DNA, כגון חיתוך, הרכבה ומתיחה.

ראו גם

• קירור באמצעות לייזרים

קישורים חיצוניים

מדיה וקבצים בנושא מלקחיים אופטיים בוויקישיתוף

הערות שוליים

2. A. Ashkin, Optical trapping and manipulation of neutral particles using lasers Proc. Natl. Acad. Sci. USA Vol. 94, pp. 4853–4860, May 1997 Physics

3. en:Optical tweezers

4. P. Barber and C. Yeh, Scattering of electromagnetic waves by arbitrarily shaped dielectric bodies

5. Ashkin, A. & Dziedzic, J. M. (1971) Appl. Phys. Lett. 19, 283–285.

6. Ashkin, A. & Dziedzic, J. M. (1980) Appl. Opt. 19, 660–668.

7. Ashkin, A. & Dziedzic, J. M. (1974) Appl. Phys. Lett. 24, 586–588.

8. Ashkin, Optics Letters,‘Observation of a single-beam gradient force optical trap for dielectric particles’

9. See, for example, M. Kerker, The Scattering of Light(Academic, New York, 1969), p. 37.

10. Fallman, E. & Axner, O. 1997 Design for fully steerable dual-trap optical tweezers. Appl. Opt. 36,2107–2113.

11. On AOD’s https://web.archive.org/web/20080517130933/http://www.brimrose.com/Index/HomeFile/Products/aoDevices_file/aco_files/aodefl.pdf, en:Acousto-Optic Deflector

12. David Mcgloin, Optical tweezers: 20 years on, Phil. Trans. R. Soc. A (2006) 364, 3521–3537

13. Vossen, D. L. J., van der Horst, A., Dogterom, M. & van Blaaderen, A. 2004 Optical tweezers and confocal microscopy for simultaneous three-dimensional manipulation and imaging in concentrated colloidal dispersions. Rev. Sci. Inst. 75, 2960–2970. (doi:10.1063/1.1784559)

14. Ashkin, A. & Dziedzic, J. M. (1987) Science 235, 1517–1520.

15. http://www.pitb.de/nolting/biophysics_methods/nanobiotech.html

16. en:Sonoluminescence

17. https://web.archive.org/web/20081203133259/http://www.aip.org/png/html/sono1.htm

18. en:Viscoelasticity

19. en:Transverse mode

20. en:Arthur Ashkin

הערך באדיבות ויקיפדיה העברית, קרדיט,
רשימת התורמים
רישיון cc-by-sa 3.0

34185604מלקחיים אופטיים