تله گذاری نوری با نور ساختار یافته

خلاصه

تله نوری تعامل بین نور و ماده برای دستکاری اجسام ریز از طریق انتقال تکانه را توصیف می کند. در مورد به دام انداختن سه بعدی با یک پرتو، به آن موچین نوری می گویند. موچین های نوری ابزاری قدرتمند و غیرتهاجمی برای دستکاری اجسام کوچک هستند و در بسیاری از زمینه ها از جمله فیزیک، زیست شناسی، مواد متراکم نرم و غیره ضروری شده اند. در روزهای اولیه، به دام انداختن نوری معمولاً با یک پرتو گاوسی انجام می شد. در سال های اخیر، ما شاهد پیشرفت سریعی در استفاده از پرتوهای نوری ساختاریافته با فاز، دامنه و پلاریزاسیون سفارشی در تله گذاری نوری بوده ایم. ویژگی‌های پرتو غیرمعمول، مانند تکینگی‌های فاز روی محور و ماهیت ثابت انتشار، قابلیت‌های جدیدی را برای مطالعه ریزدستکاری در مایع، هوا و خلاء باز کرده است. ما پیشرفت های اخیر در زمینه تله گذاری نوری را با استفاده از پرتوهای نور ساختار یافته خلاصه می کنیم.

1. مقدمه

برهم کنش نور-ماده هم در فیزیک و هم در نجوم سابقه طولانی دارد. حدود 400 سال پیش، کپلر انحراف دم دنباله دار را از خورشید مشاهده کرد، که ممکن است اولین حدس گزارش شده از نیروی تابش باشد.1-3 در دهه 1700، جان میشل تلاش کرد فشار تشعشع را اندازه گیری کند، در حالی که اویلر این فرض را مطرح کرد که پرتوهای نور باعث ایجاد فشار بر روی اجسام نورانی می شوند.5 در دهه 1800، ماکسول پیش بینی کرد که نور یک موج الکترومغناطیسی است، که با اولین نمایش نیروی تابشی ناشی از منابع نور حرارتی توسط Lebedev7،8 و Nichols و Hull9 در سال 1901 تأیید شد. اکنون می دانیم که پرتوهای نور را می توان به عنوان مجموعه بزرگی از فوتون ها در نظر گرفت که هر کدام دارای مقدار حرکت کوانتیزه شده ای هستند که می توانند به ماده منتقل شوند. با این حال، همانطور که توسط Poynting در سال 1906 به دست آمد، فشار تابش آنقدر کوچک است که فقط اجسام کوچک را تحت تأثیر قرار می دهد.10 کمی بعد، Mie11 و Debye12 مدل های فیزیکی دقیقی را برای محاسبه نیروی پراکندگی و فشار تابش نور به ترتیب در سال های 1908 و 1909 پیشنهاد کردند. در آن مرحله، هیچ‌کس نمی‌توانست ارزش عملی فشار تشعشع را تصور کند، زیرا فشار تشعشع برای غلبه بر نیروهای اصطکاکی در بیشتر شرایط بسیار ضعیف است. برای مدت قابل توجهی، محققان توجه خود را بر روی استفاده از فشار تشعشع در فضا متمرکز کردند، به عنوان مثال، سیستم های پیشران بادبان خورشیدی، به دلیل عدم وجود اصطکاک قابل ملاحظه در فضا.

این وضعیت تا زمان اختراع لیزر در سال 1960 تغییر قابل توجهی نکرد. در سال‌های پس از این کشف، اشکین برای اولین بار نشان داد که ذرات دی الکتریک به اندازه میکرومتر را با دو پرتو متقابل به دام انداخته است. برای به دست آوردن محصورسازی سه بعدی (3 بعدی) پایدار ذرات، طرح دو پرتو متمرکز ضعیف با فشار تشعشع مخالف اتخاذ شد. به دام انداختن نوری پس از اینکه اشکین و همکاران 15 دریافتند که حتی یک پرتو لیزر منفرد و به شدت متمرکز می تواند یک تله نوری پایدار سه بعدی - موچین های نوری را تشکیل دهد، دچار انقلاب شد. از آن زمان، حوزه وسیع دستکاری نوری یا به اصطلاح «ریز دستکاری» کاربردهای گسترده ای در بسیاری از زمینه ها پیدا کرده است، مانند زیست پزشکی، 16-18 فیزیک، 19-21 و شیمی، و در سه نوبل ذکر شده است. جوایز فیزیک: در سال 1997، برای توسعه روش‌های خنک‌سازی لیزری و به دام انداختن اتم‌ها. در سال 2001، برای دستیابی به تراکم بوز-اینشتین. و در سال 2018، برای موچین های نوری و کاربرد آنها در سیستم های بیولوژیکی.

خاطرنشان می‌شود که اگرچه پرتو حلقوی (ال‌جی مرتبه بالا) برای مطالعه خود تمرکز و خود به دام انداختن یک پرتو لیزر در رسانه‌های Ker مصنوعی در سال 1981، 23،24، حالت گاوسی عرضی اساسی (یا TEM00) استفاده شده است. از یک پرتو لیزر به طور انحصاری برای آزمایش های به دام انداختن نوری در دهه های اولیه توسعه لیزر استفاده شد. تنها در دو دهه اخیر است که پرتوهای نور ساختار یافته به طور گسترده در موچین های نوری مورد استفاده قرار گرفته است. پرتوهای نوری ساختاریافته ابعاد و قابلیت‌های جدیدی به دستکاری نوری اضافه کرده‌اند، و همچنین بینش‌های جدیدی در مورد برهمکنش‌های نور-ماده ارائه کرده‌اند، جایی که ذرات به دام افتاده می‌توانند به عنوان کاوشگر میدان‌های نوری ساختاریافته عمل کنند. بنابراین، تله‌گذاری نوری و پرتوهای ساختاری به یکدیگر کمک می‌کنند تا این دو حوزه مهم را درک کرده و بهبود بخشند. پرتوهای نوری ساختاریافته می توانند به دو شکل متمایز، اسکالر یا برداری باشند. در شکل اسکالر، یک پرتو نور ساختاریافته را می توان با دامنه و فاز آن تنظیم کرد در حالی که پلاریزاسیون فقط در شکل برداری پرتو اصلاح می شود. پرتوهای نوری ساختاریافته به دلیل خواص منحصر به فردشان، مانند گردابه های نوری حامل تکانه زاویه ای مداری 25 (OAM) و پرتوهای غیرمتغیر انتشار، به طور گسترده در دستکاری نوری استفاده شده اند.

بدون شک، توانایی تنظیم خواص نوری یک تیر تله‌گیری در توسعه تکنیک‌های جدید تله‌گذاری نوری بسیار مهم است. تا کنون، پرتوهای نوری ساختاریافته با فاز و دامنه سفارشی شده با موفقیت برای هدایت انتقال نوری ذرات در مسیرهای سه بعدی با اعمال نیروهای نوری ناشی از سلام به کار گرفته شده است.