انبرک نوری

Dielectric objects are attracted to the center of the beam, slightly above the beam waist, as described in the text. The force applied on the object depends linearly on its displacement from the trap center just as with a simple spring system.
انبرک نوری از ابزارهای علمی است. در این ابزار از پرتو لیزر با قابلیت فوکوس بالا برای ایجاد نیروی جاذبه یا دافعه استفاده می‌شود.
مقدمه
تصور اینکه بتوان سلولی را بدون تماس فیزیکی با آن حرکت داد کمی خیال پردازانه به نظر می‌رسد. اما حقیقت این است که می‌توان با استفاده از خواص ویژه لیزر این کار را انجام داد. گیره‌های لیزری ابزارهایی هستند که از پرتو یا پرتوهای لیزر، به منظور تولید نیروهای پیکو نیوتنی که برای جابجایی مواد در ابعاد میکرو کافی است، بهره می‌گیرند. این قابلیت در زمینه‌های متفاوتی اعم از موتورهای مولکولی، میکروسیالات، میکرو مکانیک و … مورد توجه قرار گرفته‌است.
گیره‌های لیزری اولین بار در آزمایشگاه‌های تحقیقاتی بل در سال 1986 توسط آرتوس آشکین معرفی شدند. قوانین اولیه می‌توانند به شکل قوانین نیوتن بیان گردند. به این دلیل که نور حامل تکانه بوده و تغییر در جهت نور به معنای این است که حتما نیرویی در رابطه با این تغییر وجود دارد. بنابرین اگر پرتوی لیزری را به سمت ذره‌ای بتابانیم، نور به هنگام ورود به ذره دچار شکست خواهد شد. نیروی درگیر در این تغییر جهت بر روی ذره تاثیر گذاشته و ذره به سمت قسمت پر شدت‌تر لیزر رانده خواهد شد. پرتوی لیزر دارای شکل گوسی می‌باشد، بنابرین شدیدترین قسمت پرتو در مرکز محور پرتو قرار دارد. و هرجا که پرتو متمرکز شده باشد ذره به آن قسمت می‌رود. ذره در سه بعد محبوس می‌شود. برای این کار به انرژی زیادی نیاز نیست (در حد چند میلی وات). اما به گرادیان شدت بزرگی نیازمندیم، و نور را به نقطه‌ای در حدود قطر چند میکرونی متمرکز می‌کنیم.
کاربردها
اندازه‌گیری خواص الاستیک DNA با نگه داشتن زنجیره‌هایی از مولکولها و کشیدنشان.(به نحوی که می‌توان طول کامل DNA را به دست آورد.)
مطالعه خواص تولیدکننده نیرو در موتورهای مولکولی مانند کینسین
بازکردن پروتئین‌ها
مطالعه ذرات با ترکیب اسپکتروسکپی رامان، اسپکتروسکپی دو فوتونی، و میکروسکوپ کانونی
انجام میکرو جراحی‌ها با ترکیب دیگر پرتوهای لیزری، مثلا، گرفتن کروموزوم با پرتو (1046nm) IR و برش آن به اجزای کوچکتر با لیزر برشی سبز (532nm). {این کار به این دلیل ممکن است که بیشتر مواد بیولوژیکی در طیف IR جذب ندارند اما در طول موج‌های سبز دارند.
اندازه‌گیری خواص غشاء نورونی
محدودیت‌ها
عدم کارایی در ابعاد کمتر از 200 pN
عدم کارایی در حرارت بالا
تئوری
در پراکندگی ریلی ابعاد ذرات خیلی کوچکتر از طول موج نور است، که این پراکندگی در اتمسفر منجر به آبی و قرمز دیده شدن رنگ آسمان می‌شود که ناشی از جدایی طول موج‌های مختلف نور پس از پراکندگی است. در پراکندگی می‌ابعاد ذرات بزرگتر از طول موج نور است، رنگ سفید ابرها نیز ناشی از این پدیده است. آشکین پیشنهاد داد که می‌توان با در نظر گرفتن دو دیدگاه به تحلیل این تئوری پرداخت: دیدگاه اپتیک هندسی برای پراکندگی می، و دیدگاه دوقطبی الکتریکی برای پراکندگی ریلی.
به دلیل شکل گوسی پرتو دو نوع نیرو به ذره وارد می‌شود،Fb , Fa . که نهایتا نیروی خالص ذره را به سمت مرکز پرتو هدایت می‌کند. با استفاده از پایستگی تکانه، می‌توان نیروی پراکندگی، گرادیان نیرو و نیروی خالص را به صورت‌های زیر نوشت:
ساخت گیره لیزری
اجزای اصلی مورد استفاده در ساخت یک گیره لیزری عبارت اند از:
میکروسکوپ، که در آن به عنوان منبع نوری از لامپ جیوه‌ای و از یک دوربین CCD برای ثبت تصویر از نمونه استفاده شده‌است.
منبع لیزری CW ، که فراهم آورنده طول موجی است که نمونه زیستی نسبت به آن رساناست. بسته به رسانش سلول‌ها ناحیه نزدیک به IR شامل طول موج‌های 700-1300nm برای به دام انداختن اپتیکی استفاده می‌گردد. لیزرهای CW با توانی در بازه چند هزار میلی وات تا چند وات مورد استفاده قرار گرفتند که می‌توانند شدت‌هایی در بازه 106-108 W/cm2 را فراهم کنند.متداول‌ترین نوع لیزرها شامل لیزر Nd:YAG در 1064nm ، Nd:YLF در 1047nm، تیتانیوم سفایر در بازه 695-1100nm و انواع دیود لیزرها عموما در بازه 800-900nm هستند. به منظور داشتن گرادیان نیروی بیشینه پرتوی لیزر با مد TEM00 استفاده می‌شود. همچنین به‌طور هم زمان از یک لیزر هلیوم نئون کم توان به منظور پرتو نشانه استفاده می‌شود.
سیستم هدایت پرتو، که راه‌های متعددی برای ایجاد یک دام متحرک برای دستکاری ذرات به دام افتاده وجود دارد. در شکل با استفاده از یک لنز شیئی می‌توان مکان تمرکز پرتو را تغییر داد.
به دام اندازی اپتیکی بدون استفاده از پرتوی گوسی
دام‌های اپتیکی مورد بحث معمولا از پرتوی گوسی بهره می‌گیرند، که توسط یک لنز متمرکز شده‌است. گرچه پرتوی گوسی دارای محدودیت‌هایی نیز هست. اولا، پس از طی مسافتی به نام بازه ریلی دچار واگرایی می‌شود. ثانیا، نمی‌توان ذراتی را بیشتر از چند میکرومتر دورتر از جهت انتشار به دام انداخت. زیرا پرتوی گوسی پس از عبور از ذره دچار تحلیل می‌شود.
اخیرا استفاده از پرتوهای غیر گوسی مانند پرتوی بسل بسیار مورد توجه قرار گرفته‌است. پرتوی بسل شامل امواج نوری است که در یک مخروط قرار گرفته‌اند. پس نمایه عرضی آن شامل نقاط نورانی است که در مرکز پرتو واقع شده‌اند و اطرافش حلقه‌های نورانی قرار دارند. برخی از مزای پرتوی بسل عبارت اند از: 1) پرتوی مرکزی در طول چندین برابر بازه ریلی بدون واگرایی قابل توجهی انتشار می‌یابد. بنابرین از آن گاهی با عنوان "بدون پراش" یا ناوردای انتشاری یاد می‌شود.2) در صورتی که پرتوی مرکزی توسط ذره به دام افتاده دچار تحلیل شود پس از طی فاصله انتشاری مشخصه، خود را به شکل اولیه بازسازی می‌کند. این کار توسط امواج نوری دور از مرکز انجام می‌شود، که از کنار ذره بدون تغییر عبور می‌کنند و مرکز نوری را در فاصله‌ای پشت ذره بازسازی می‌نمایند.
این دو ویژگی پرتوی بسل موجب شده تا از آن به عنوان گیره لیزری دو بعدی استفاده شود. همچنین می‌توان ذرات متفاوتی را در چند سلول نمونه که از هم تا چند میلی‌متر فاصله دارند، به دام انداخت. راه ساده تبدیل پرتوی گوسی به پرتوی بسل استفاده از عنصر اپتیکی مخروطی شکل به نام "آکسیکون" می‌باشد.
همچنین می‌توان از گیره‌های بسلی برای جهت دهی ذرات طویل، نمونه‌های زیستی میله‌ای شکل، استفاده کرد. از این جهت می‌توان برای ایزوله کردن یک نمونه میله‌ای از سایر نمونه‌ها استفاده کرد.