UK 
EnglishТипова
Polski🔦 Оптичний пінцет — лазерне захоплення частинок
Сфокусований лазер захоплює кулю градієнтною силою F~∇I. Перетягуйте фокус і спостерігайте, як куля слідує, тремтячи від броунівських поштовхів.
Про Оптичний пінцет
Ця симуляція моделює оптичний пінцет — техніку, удостоєну Нобелівської премії, винайдену Артуром Ешкіним, у якій щільно сфокусований лазерний промінь захоплює мікроскопічні об'єкти лише за допомогою сил світла. Об'єктив із високою числовою апертурою фокусує гаусів промінь TEM₀₀ у дифракційно-обмежену пляму розміром приблизно 300–500 нм. Діелектричні частинки, показник заломлення яких перевищує показник заломлення навколишнього середовища, зазнають градієнтної сили, спрямованої до максимуму інтенсивності — фокальної точки. Ця повертальна сила діє як тривимірна гармонічна пружина, дозволяючи утримувати й маніпулювати кульками, клітинами і навіть окремими молекулами з точністю до піконьютонів.
Полотно моделює надкритично демпфовану ланжевенівську динаміку, властиву частинкам мікронного розміру у воді, де інерція нехтовно мала порівняно з в'язким опором. На кожному кроці застосовується поперечна градієнтна сила, пропорційна градієнту інтенсивності гаусового пучка, невелика сила розсіювання вперед через тиск випромінювання, тепловий броунівський шум і стоксівський опір. Повзунки регулюють потужність лазера, числову апертуру (яка задає перетяжку пучка w₀ ≈ 0.61λ/NA), кількість частинок і в'язкість середовища. Режим кількох пасток дозволяє розмістити кілька незалежних лазерних фокусів, клацаючи по полотну, наслідуючи схеми поділу часу або голографічного захоплення, що використовуються в реальних лабораторіях.
Поширені запитання
Яка фізична сила насправді утримує частинку у фокусі лазера?
Домінантна сила захоплення — це градієнтна сила: діелектрична частинка поляризується в електричному полі лазера і притягується до максимуму інтенсивності, подібно до того, як діелектрик затягується в область сильнішого поля. Для частинок, менших за довжину хвилі, сила масштабується як об'єм частинки, помножений на градієнт інтенсивності, і спрямована до фокуса, коли показник заломлення частинки перевищує показник заломлення навколишнього середовища.
Що таке тиск випромінювання і чому він не виштовхує частинку?
Тиск випромінювання, або сила розсіювання, штовхає частинку вздовж напрямку поширення пучка. Для стабільного осьового захоплення градієнтна сила, що притягує частинку назад до фокуса зверху, повинна перевищувати цей поштовх, що вимагає об'єктива з високою числовою апертурою, який створює круті градієнти інтенсивності. У 2D-симуляції сила розсіювання проявляється як невелике зміщення вниз, тоді як осьове утримання приймається завдяки геометрії щільного фокусування.
Яка роль броунівського руху в оптичному пінцеті?
Теплові флуктуації безперервно виштовхують захоплену частинку від фокуса. Жорсткість пастки (коефіцієнт пружності) визначає, наскільки далеко в середньому відхиляється частинка. У реальних експериментах флуктуації положення реєструються детектором і поєднуються з теоремою рівнорозподілу — яка пов'язує середньоквадратичне зміщення з kT, поділеним на жорсткість, — щоб вимірювати сили аж до кількох фемтоньютонів, не торкаючись зразка.
Як числова апертура впливає на пастку?
Числова апертура NA = n sinθ визначає, наскільки щільно об'єктив фокусує промінь. Вища NA створює меншу перетяжку пучка w₀ ≈ 0.61λ/NA і крутіші градієнти інтенсивності, породжуючи сильніші градієнтні сили та жорсткіше захоплення. Об'єктиви з масляною імерсією з NA до 1.4 є стандартом у біологічних лабораторіях. Повзунок NA безпосередньо масштабує перетяжку пучка, що відображається в симуляції, а отже й коефіцієнт пружності пастки.
Які типи частинок можна захопити?
Будь-який об'єкт, показник заломлення якого перевищує показник заломлення навколишнього середовища, можна захопити градієнтною силою. Типові цілі включають кульки з полістиролу чи кремнезему розміром від 100 нм до 10 мкм, живі бактерії й дріжджові клітини, органели, віруси, кульки, вкриті ДНК, вуглецеві нанотрубки і навіть окремі атоми (з варіантами лазерного охолодження). Металеві частинки зазнають сильних сил розсіювання, що ускладнює стабільне захоплення, але за ретельних умов їх усе ж можна утримувати.
Яке співвідношення між потужністю лазера та жорсткістю пастки?
Жорсткість пастки k прямо пропорційна потужності лазера: подвоєння потужності подвоює повертальну силу за того самого зміщення. Жорсткість також масштабується приблизно як четвертий степінь NA для частинок субхвильового розміру в режимі Релея. Типові експериментальні значення варіюються від 0.005 до 0.5 пН/нм, досягнуті при 1–100 мВт сфокусованої лазерної потужності в площині зразка.
Як на практиці створюють кілька пасток?
Кілька оптичних пасток створюються шляхом розділення чи швидкого відхилення лазерного променя за допомогою акустооптичних дефлекторів, просторових модуляторів світла, що накладають голографічні фазові візерунки, або гальванометричних дзеркальних сканерів, що перемикаються швидше за час релаксації пастки. Голографічний пінцет може створювати десятки чи сотні незалежних тривимірних пасток одночасно, дозволяючи збирати колоїдні структури та паралельно досліджувати багато молекул.
Хто і коли винайшов оптичний пінцет?
Артур Ешкін у Bell Labs продемонстрував першу пастку з градієнтною силою для мікроскопічних діелектричних частинок у 1986 році і захопив живі бактерії без пошкоджень у 1987 році, використовуючи інфрачервоне світло. Він розділив Нобелівську премію з фізики 2018 року за цей винахід. Стівен Чу з колегами, які отримали Нобелівську премію 1997 року за лазерне охолодження атомів, розробили пов'язані концепції захоплення світловою силою для атомної фізики приблизно в той самий період.
Які біологічні вимірювання використовують оптичний пінцет?
Оптичний пінцет вимірював силу, яку розвиває один моторний білок міозин, крокуючи вздовж актину (1–6 пН), силу зупинки кінезину, що рухається мікротрубочками (~7 пН), еластичність ДНК шляхом розтягування прив'язаної молекули між двома захопленими кульками, механічні властивості мембран еритроцитів і транскрипційну силу РНК-полімерази. Він унікально підходить для будь-якого експерименту, що вимагає контрольованих піконьютонних сил усередині живої клітини чи розчину.
Сфокусований лазер захоплює кулю градієнтною силою F~∇I. Перетягуйте фокус і спостерігайте, як куля слідує, тремтячи від броунівських поштовхів.
2D · HTML5 Canvas 2D · ціль 60 FPS · працює повністю на стороні клієнта, без встановлення