并应用再光学嵌住力的模拟上.docx
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并应用再光学嵌住力的模拟上
光電子學期末報告
授課教師:
郭艷光教授
班級:
物研二
學生:
林士傑
學號:
8822207
內容簡介:
1.緒論
2.研究歷史
3.理論
四.裝置架構
5.應用(內嵌式光鉗顯微鏡)
6.進展
七.結論
八.參考資料
光學嵌住
緒論
所謂「光學嵌住(OpticalTrap)」,是指利用光子動量轉移所造成的作用力對微小物體施力,從而嵌住、操控這些微粒。
光學嵌住自從Ashkin於1970年首次發表論文以來,經過30年的發展,有關光學嵌住的理論模型已陸續被建立,並應用在光學嵌住力的模擬以及細胞生物學、分子細胞學、微機械與微測量技術甚至低溫物理、量子物理等領域。
由於光學嵌住現象是雷射光與微粒之間複雜的交互作用,若要仔細探究成因,則雷射光的波長、強度分佈、聚焦角度以及微粒的形狀、折射率、吸收率、和周圍介質特性等都具有決定性的影響。
因此,尚未有任何一種可廣泛適用所有狀況的光學嵌住模型;目前為止被提出的理論模型主要有兩種:
(
)「幾何光學模型(Ray-OpticsModel;ROModel)」
(
)「電磁波模型(ElectromagneticsModel;EMModel)」。
前者以幾何光學與光子動量轉移為基礎,適用於微粒直徑較光波波長大的情況;後者根據Maxwell電磁波理論與微粒極化之原理,適用於微粒直徑較光波波長小之情況。
研究歷史
自從愛因斯坦為了解釋光電效應,提出「光子」模型以來,伴隨著量子力學與量子電動力學的發展,光壓的概念已被廣為接受。
1969年Ashkin經過估算,認為聚焦之雷射光極有可能推動數μm大小的微粒,乃利用氬離子雷射聚焦至水中,並在水中置入直徑0.6至2.5μm的透明塑膠,結果發現這些微粒果然被沿著光軸加速推離。
另外,除了光軸方向上的推力,同時還發現一個意外現象:
接近光束的微粒也會被「橫向」吸
入光束中,再被推離。
之後改用氣泡與液滴重做實驗,歸納出一項結論:
光束對折射率比周圍介質高的微粒具有橫向吸力,但對折射率比周圍介質低的微粒具有橫向推力。
這種橫向作用力的存在,使Ashkin嘗試將兩束雷射光相對入射、聚焦於同一處,希望在兩束雷射的軸向作用力相抵消之處,產生一個可以將微粒橫向吸入並嵌住不動的位能井(PotentialWell)。
實驗結果相當成功,成為日後「雙光束嵌住(Deal-BeamTrap)」的雛形,同時,這也是「光學嵌住」的首次實現。
1986年,又發現將單束雷射光高度聚焦,也可以在焦點處產生與光進行方向相反的軸向吸力,加上原有的橫向吸力,可將微粒穩定嵌住。
這種單束雷射的光學嵌住,又稱為「光鉗(OpticalTweezers)」。
理論
究竟無形的光線如何能「嵌住」物體?
利用光束要怎樣操控物體?
其實若將一束由下往上射入的雷射光聚焦,並將一個直徑約數μm的塑膠微粒置於焦點處,則不斷朝上發射的光子在撞擊微粒的同時,將施予一個微弱的作用力。
若微粒的質量夠輕、光子流的密度夠大,那麼這個微粒就可能因為光子的作用力而漂浮在空中。
更進一步,如果利用兩道相對入射的雷射光對準、聚焦在微粒上,當兩束雷射的強度相當、光子之作用力相等時,將可「夾住」微粒,使我們可以藉著操縱雷射而任意移動微粒,這種現象即為「光學嵌住」。
圖一
而雷射光鉗的基本概念則是將一道雷射光束經透鏡聚焦後,在雷射聚焦處形成一穩定的位能井。
於是,在此焦點周圍的微粒子就會被吸引到焦點,而達到捕捉與操控的目的。
圖二
如圖二,我們可利用簡單的幾何光學與動量變化產生力的概念來解釋雷射光鉗的工作原理。
當光線由一介質中進入到另一不同介質中時,光會發生偏折的現象,也就是所謂的折射。
如果將光線想像成是由光子所組成,當光
線發生偏折時,光子的動量即產生改變,而動量改變即反應有作用力的存在。
所以當雷射光線經過透明小珠子(Bead)後發生偏折,此光線偏折力就由透明小珠子提供,也就是說透明小珠子對雷射光子施一作用力使之偏折。
又由牛頓第三運動定律所描述之作用力與反作用力的關係知道,雷射光子亦對透明小珠子施一反作用力,而這些反作用力的合力便是雷射鑷夾的捕捉力。
因此,一道平行的雷射光束,經過透鏡聚焦後,若有微小的透明物體在其焦點附近時,由於左右偏折對稱的關係,其合力指向焦點,就會產生一個類似彈簧力的恢復力,將這個微小物體往焦點拉,並在焦點的位置達到力平衡。
因此,雷射光鉗的正式名稱為「單束光梯度力阱(single-beamopticalgradientforcetrap)」,可以用來抓取並移動從數十奈米到數十微米的微小粒子。
裝置架構
圖三
雷射光鉗基本上是由一雷射光源、反射鏡與透鏡所組成,如圖三所示。
一般而言,雷射光的運用是形成光學嵌住的必要條件,雷射光的功率集中,同調長度大、平行度高,使光路易於設計,並且在同調光高度聚焦後所形成的微小焦點可產生極高的輻射照度,所以使雷射光先經過一個快門,進入由兩面45˚反射鏡所組成的潛望鏡,之後再經過由兩面凸透鏡所組成的擴束器(BeamExpander),送入顯微鏡抓住微粒子。
在送入顯微鏡之前,用了一片讓雷射光幾乎100%反射而可見光幾乎全穿透的分光鏡(DichroicMirror)。
而在此分光鏡之上再放一片濾光鏡(Filter),其目的是為了減低觀察時因雷射過強而造成的散射光干擾。
最上端再街上CCD攝影機來觀察顯微鏡中微粒捕抓的過程與影像,或將所接收的訊號傳送到電腦中做進一步的分析。
另外,在雷射光源需要注意的還有:
(
).若待處理的樣本是本身不吸收光的材質,或是不怕熱破壞的金屬,則常用氬離子雷射(488nm;514.5nm)、DoubledYAGLaser(532nm)等可見光雷射以方便調整光路。
(
).若是生物樣本,則光源必須在生物樣本不易吸收之光譜範圍,否則在焦點處高輻射的照度下,樣本在嵌住前便已經燒毀或破壞。
通常採用800至1000nm左右之近紅外光雷射。
而光鉗最具應用潛力之處,就是可以和顯微鏡結合成「內嵌式光鉗」,使得顯微鏡在使用上可以增加對於觀察的目標的操控能力,取代以往被動式的觀察法,而能夠主動的操控觀察目標,精確的移動微米級的粒子,並施以無破壞性的遠距操控。
因此這項技術很快地被廣泛地應用在各個領域,尤其是生物與物理科學方面,更是一項強而有力的新型研究工具。
應用(內嵌式光鉗顯微鏡)
圖四
圖四的內嵌式光鉗雛型,在使用上需先調整透鏡的位置,使光鉗的焦點恰好在顯微鏡的成像面上,則當微粒被嵌住時,恰好也可以被清楚的看到。
由於顯微鏡內部散射以及嵌住微粒時反射的雷射光對眼睛具傷害性,因此在目鏡前加上一片濾光鏡將其濾掉,而鏡身外的快門則是用來作為光鉗開關的切換。
圖四雖是雛型,但已經實際可用,唯尚有兩項缺點,分述如下:
(
).目標物通常沉在樣品槽底部,光鉗深入此處抓取,會使雷射入水較深而受水中雜質與物鏡像差影響光鉗品質。
(
).由於光壓作用機制之故,光鉗抓住微粒時,微粒的平衡位置略為偏向焦點之前(沿光進行之方向視之),換句話說,操控微粒時「向前推」要比「向後拉」穩定而不易逃脫。
而圖四這種必須「向後拉」以抵抗微粒重量的嵌住方式,操作時微粒會較為不穩。
其實,要實現光學嵌住,有許多不同的架設方法,原則上只要雷射光強度與角度適當、微粒的大小與折射率符合所需條件,光學嵌住現象就可發生。
進展
光學嵌住為了能被用來完全操控微粒子的運動行為,除了直線運動外,可控制性的旋轉運動也是不可或缺的。
但是相較起直線運動的實現,旋轉運動在控制的方法上複雜許多,也因此有許多的變化性。
有部分的方法要求使用較複雜的實驗裝置去控制高階雷射模式的旋轉運動以達成微粒子的旋轉,其方式是利用特別製造成型的幾合旋轉對稱物體,如橢圓形的或長條形的微粒子。
而另一部分的方法則是需要微粒子吸收部分的雷射光能量來造成旋轉運動,但若是對於生物研究上的細胞組織來說,則如此便可能遭到破壞。
然而,之前所探討的傳統光學嵌住系統架構若是透過使用一個圓形小球,如此就只能達到直線平移運動,而不能夠在一個基本高斯橫向模式且線性極化的雷射光下完成可控性的旋轉運動。
因此,便發展出使用一不規則形狀的鑽石微粒子來探討在光學嵌住系統中的操控情形。
因為它不僅在可見光及紅外波長區段中為透明可穿透的材質,再強烈雷射光下亦可穩定存在,且具有生物惰性,不易影響生物體內正常反應。
結果不但能實現直線運動,而且可完成任何可控制性的旋轉運動。
這樣的微鑽石粒子是扮演一光學把手,將微鑽石粒子黏著再生物體或聚合物分子上後,便能提供更多維度的操控運動,且可讓線性移動與可控制速度及方向之旋轉運動可以相互獨立的分別進行。
在實驗裝置方面是與傳統式內嵌式光鉗顯微鏡(圖四)結構相同,只是此時是對不規則的的微鑽石粒子進行光學嵌住,雷射光須從新尋找新的施力平衡點以達到新的平衡狀態,其原理就如同一開始提過的圓形物體一樣。
然而,因
為碰撞此不規則微粒之不同表面的每一個光子都經歷了不一樣的折射與反射運動,所以對微粒的質量中心而言,在不同的表面也會有不一樣的力矩,這是和先前的圓形小珠所差異的地方。
所以對不規則物體而言,其合力矩在靜力平衡的條件下可以不為零,這也是為何旋轉運動可被達成的原因。
為了進一步提供控制旋轉速度及旋轉方向等等,更提出了透過改變雷射聚焦點和物體質量中心的相對位置的方法,使得被雷射光照射的物體其合力矩是可以調整控制,而達到合力矩可增大、減小、甚或反向以形成其旋轉上的完全操控。
圖五
如圖五,在水和空氣的介面處改變鑽石粒子在垂直方向上的位置,當微粒在介面處改變位置時,浮力也會隨之改變,所以也就會改變雷射聚焦點和物體質量中心的相對位置,而為了再達到力平衡則必然改變其合力矩的大小,也就會達到改變微粒子的旋轉運動方向與速度。
結論
光學嵌住的發展使得對微小物體的觀察變得容易且增加了主動的操控性,並繼承了光波不具侵入性的特質,不會對生物體造成接觸性破壞。
雷射光鉗的抓取力量量極約介於幾十到幾百微微牛頓左右,而且可以量化,因此還可以用來測量微小拉力,非常適合匹配在生物超微架構中的力量等級。
所以雷射光鉗這項技術已被運用在許多研究的領域,相信仍能再提供更精細的精確度,得以更廣泛被使用在更多的領域中,尤其是在生物科技的領域上,期望能在醫療衛生與健康研究上有所貢獻,進而使未來的醫療水準大幅提升,對人類的生活有所貢獻。
也使得雷射的應用能更多元化且更成熟,利用雷射的多種專有特性發展更多的跨領域科技。
參考資料
1.光學嵌住之技術簡介邱爾德、黃鈞正、吳崇安
2.光學嵌住之理論探討邱爾德、黃鈞正、吳崇安
3.顯微鏡中的第三隻手―雷射鑷夾帶著走―徐琅、曾勝陽、張伯睿等
4.雷射光鉗技術在生物作用力研究上的應用蔡金吾、林奇宏
5.以為鑽石粒子作為光鑷把手以操控微生物體之轉動與移動孫啟光、黃英傑
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