Single-fiber optical tweezers for particle trapping and axial reciprocating motion using dual wavelength and dual mode.
การควบคุมอนุภาคขนาดเล็กในระดับไมโครเมตรโดยใช้เทคนิคทางด้านแสงเป็นวิธีที่น่าสนใจเพราะเป็นประโยชน์กับงานวิจัยในหลายสาขา โดยในบทความนี้จะอธิบายการใช้สายไฟเบอร์ออพติกชนิด single mode ในการจับอนุภาคขนาดเล็กและควบคุมอนุภาคห้เคลื่อนที่กลับไปกลับมาระหว่างตำแหน่งสองตำแหน่งโดยใช้ความยาวคลื่นของแสงสองความยาวคลื่นในการส่องผ่านสายไฟเบอร์ อุปกรณ์ที่จะถูกใช้ในการทดลองครั้งนี้ส่วนใหญ่จะคล้ายกับอุปกรณ์ที่ใช้ใน optical fiber tweezers ทั่ว ๆ ไป ที่ประกอบไปด้วย, สายไฟเบอร์ออพติก, stage สำหรับปรับตำแหน่งของปลายไฟเบอร์, chamber ที่จะมีอนุภาคถูกแขวนลอยอยู่ในน้ำ, และกล้องที่จะใช้ถ่ายภาพเคลื่อนไหวของอนุภาค แต่ในการทดลองนี้จะใช้เลเซอร์สองเครื่อง ที่สร้างแสงที่มีความยาวคลื่น 980 และ 650 นาโนเมตร ตามรูปที่ 1
รูปที่ 1: อุปกรณ์ในการจับอนุภาค
เพื่อที่จะให้สายไฟเบอร์สามารถรวมแสงได้ ปลายของสายไฟเบอร์จะต้องถูกทำให้เรียวเล็กลงด้วยการให้ความร้อนที่ตรงกลางสายไฟเบอร์แล้วดึงที่ปลายสายไฟเบอร์ จะสังเกตว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของสายไฟเบอร์ ณ ตำแหน่งที่ให้ความร้อนจะมีขนาดเล็กลง จากนั้นปลายสายไฟเบอร์ก็จะถูกดึงในขณะที่ให้ความร้อนไปเรื่อย ๆ จนกระทั่งสายไฟเบอร์ขาด รูปร่างของปลายไฟเบอร์สามารถควบคุมได้ด้วยการควบคุมความเร็วของการดึงสายไฟเบอร์ และเพื่อที่จะให้จุดรวมแสงอยู่ด้านหน้าปลายไฟเบอร์ ปลายไฟเบอร์จะต้องมีลักษณะแบนราบ ตามรูปที่ 2
รูปที่ 2: ไฟเบอร์ที่มีปลายเรียวเล็กลง สำหรับทำหน้าที่รวมแสงเลเซอร์
แสงเลเซอร์ทั้งสองความยาวคลื่นที่เดินทางในสายไฟเบอร์จะมีลักษณะแตกต่างกัน แสงที่มีความยาวคลื่น 980 นาโนเมตร จะเคลื่อนที่ในลักษณะที่เรียกว่า LP01 (รูปที่ 3 ทางซ้าย) หรือมีความเข้มของแสงสูงที่บริเวณแกนกลางของสายไฟเบอร์ ในขณะที่แสงความยาวคลื่น 650 นาโนเมตร จะเคลื่อนที่ในลักษณะที่เรียกว่า LP11 (รูปที่ 3 ทางขวา) หรือมีความเข้มแสสูงสองแนวและสมมาตรกัน ความแตกต่างของการกระจายตัวของความเข้มแสงของคลื่นทั้งสองความยาวนี้ส่งผลให้ปลายไฟเบอร์สามารถรวมแสงสองความยาวคลื่นได้เป็นสองจุด นั่นหมายถึงมีสองตำแหน่งที่เสถียรและสามารถใช้ในการจับอนุภาคได้
รูปที่ 3: LP01 (ซ้ายมือ), LP11 (ขวามือ)
สำหรับแสงที่มีความยาวคลื่น 980 นาโนเมตร จะมีตำแหน่งเสถียรอยู่ที่ 3.2 ไมโครเมตร เทียบกับปลายไฟเบอร์และ ถ้าอนุภาคอยู่ใกล้กว่า 3.2 ไมโครเมตร หน้าไฟเบอร์จะมีแรงผลัก ผลักให้อนุภาคไปอยู่ที่ตำแหน่ง 3.2 ไมโครเมตร ถ้าอนุภาคอยู่ไกลกว่า 3.2 ไมโครเมตร แต่ไม่ถึง 5.2 ไมโครเมตร จะถูกแรงจากแสงเลเซอร์ดึงกลับมาให้อยู่ที่ตำแหน่ง 3.2 ไมโครเมตร ตามรูปที่ 4
รูปที่ 4: ลักษณะแสงเลเซอร์ 980 นาโนเมตร ที่ถูกโฟกัสหน้าไฟเบอร์
สำหรับแสงที่มีความยาวคลื่น 650 นาโนเมตร จะมีตำแหน่งเสถียรอยู่ที่ 1.1 ไมโครเมตร เทียบกับปลายไฟเบอร์และถ้าอนุภาคอยู่ใกล้กว่า 1.1 ไมโครเมตร จะมีแรงผลัก ผลักให้อนุภาคไปอยู่ที่ตำแหน่ง 1.1 ไมโครเมตร ถ้าอนุภาคอยู่ไกลกว่า 1.1 ไมโครเมตร แต่ไม่ถึง 3.6 ไมโครเมตร จะถูกแรงจากแสงเลเซอร์ดึงกลับมาให้อยู่ที่ตำแหน่ง 1.1 ไมโครเมตร ตามรูปที่ 5
รูปที่ 5: ลักษณะแสงเลเซอร์ 650 นาโนเมตร ที่ถูกโฟกัสหน้าไฟเบอร์
ขั้นตอนที่จะใช้ในการควบคุมอนุภาคให้เคลื่อนที่กลับไปกลับมาระหว่างตำแหน่งเสถียรทั้งสองตำแหน่งเริ่มจากการเปิดสวิตช์เลเซอร์ 980 นาโนเมตร ด้วยกำลังไฟฟ้า 4 มิลลิวัตต์ ในขณะที่เลเซอร์ 650 นาโนเมตร กำลังปิดอยู่ ในตอนนี้ อนุภาคจะถูกจับอยู่ที่ตำแหน่ง 3.2 ไมโครเมตรด้านหน้าสายไฟเบอร์ ต่อมาให้ปิดแสงเลเซอร์ 980 นาโนเมตร แล้วเปิดแสงเลเซอร์ 650 นาโนเมตร ด้วยกำลังไฟฟ้า 2.5 มิลลิวัตต์ เพื่อให้อนุภาคย้ายไปอยู่ที่ตำแหน่ง 1.1 ไมโครเมตร และหลังจากนั้นให้เปิดแสงเลเซอร์ 980 นาโนเมตร แล้วปิดแสงเลเซอร์ 650 นาโนเมตร เพื่อทำให้อนุภาคกลับมาอยู่ที่ตำแหน่ง 3.2 ไมโครเมตรอีกครั้ง ทำแบบนี้ซ้ำไปเรื่อย ๆ เพื่อให้ได้การเคลื่อนที่กลับไปกลับมาของอนุภาค ตามรูปที่ 6 นอกเหนือจากนั้นความเร็วในการเคลื่อนที่ของอนุภาคสามารถทำให้ช้าลงได้ด้วยการค่อย ๆ ลดกำลังของเลเซอร์ลงแทนที่จะปิดทันที
รูปที่ 6: ขั้นตอนการเปลี่ยนตำแหน่งของอนุภาคระหว่างจุดเสถียรรสองจุด
สงวนลิขสิทธิ์-Copyright-©
ภาพทั้งหมดนี้ใช้เพื่อประโยชน์ทางการศึกษาเท่านั้น เป็นการเผยแพร่ผลงานทางวิชาการให้แพร่หลาย ภาพทั้งหมดยังคงเป็นลิขสิทธิ์ของทางสำนักพิมพ์และเจ้าของผลงาน การนำภาพไปใช้ต้องได้รับการอนุญาตจากทางสำนักพิมพ์และเจ้าของผลงาน ซึ่งอยู่ภายใต้พระราชบัญญัติลิขสิทธิ์
All figures on this page used for Education proposed only, aim to promote the publication. All figures are copyrighted by publishers and authors. Permission is required for any material to re-use any copyrighted material.
อ้างอิง
เรียบเรียงโดย
อนุวัฒน์ แก้วจรูญ