Behavior of Microparticles in Different Types od Optical Traps

Mgr. Martin Šiler, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Rozptylem a absorpcí světla na mikro a nanočásticích dochází k přenosu hybnosti mezi světlem a hmotou, což vede ke vzniku optické síly. Vhodně připravené prostorové rozložení intenzity světla, takzvaný optický potenciálový profil, je tudíž možné využít k zachycení mikro a nanočástic suspendovaných v kapalině, k jejich přepravě na dlouhé vzdálenosti a dokonce i k prostorovému třídění do různých směrů. Výhodný způsob vytvoření optického potenciálového profilu využívá interferenci několika koherentních laserových svazků. Při tomto přístupu hrají zvláštní roli evanescentní vlny, které zachytí studované objekty s indexem lomu vyšším než má okolní kapalina v blízkosti rozhraní dvou prostředí. Tímto způsobem efektivně snížíme dimenzi studovaného problému a můžeme snadno sledovat dynamiku pohybu částic. V této práci je teoreticky a experimentálně studováno chování kulových dielektrických částic s rozměry menšími než 1 mikrometr, které jsou umístěny ve vodě a které jsou zachyceny evanescentní vlnou v blízkosti rozhraní skla a vody. Částice, které jsou ozářeny jednou evanescentní vlnou, se pohybují podél rozhraní působením radiačního tlaku. Použití dvou protiběžných koherentních evanescentních vln vede k vytvoření evanescentní stojaté vlny nad povrchem, která vytváří jednodimenzionální pole optických pastí. Tyto pasti mohou sloužit ke stabilnímu zachycení částic, můžeme ale také všemi pastmi současně pohybovat podél povrchu pomocí změny fáze jedné z interferujících vln. Tím dojde i k pohybu zachycených mikročástic podobně jako na dopravníkovém pásu. Vzniklé zařízení nazýváme optický dopravník. Jelikož v důsledku náhodného (Brownovského) pohybu dochází k přeskokům mikročástic mezi sousedními optickými pastmi, přepravní podmínky v optickém dopravníku jsou komplexnější než v případě urychlování jedinou evanescentní vlnou. Tato práce předkládá několik původních výsledků, které popisují chování částice v poli optických pastí. Numerické výpočty a experimentální pozorování ukazují rozdílnou míru interakce mezi částicemi různých velikostí a evanescentní stojatou vlnou. Díky této vlastnosti jsme navrhli a realizovali nový způsob třídění mikročástic v pohybujícím se optickém dopravníku. Kromě optického třídění studuji též přepravu jedné částice pomocí optického dopravníku, který se pohybuje různými rychlostmi. Účelem tohoto snažení je nalézt optimální rychlosti dopravníku vhodné k přepravě částic. Jsou rozebrány vlivy způsobující rozdíly mezi teorií a experimentem, zejména hydrodynamická interakce mezi částicí a povrchem a vliv profilů interferujících svazků. Srovnání rychlosti přepravy pomocí optického dopravníku a pomocí jedné evanescentní vlny ukazuje, že optický dopravník je efektivnější při přepravě nanočástic. Na závěr je provedena studie stability zachycení částice v nepohyblivém dopravníku prostřednictvím sledování času, který stráví mikročástice v určité optické pasti před tím, něž přeskočí do sousední pasti.

Abstract:

The momentum carried by light can be transferred to material micro- and nanoparticles upon scattering and absorption. This momentum transfer manifests itself as an effective optical force acting on the particles that is sufficient for rectifying their motion. With a properly tailored optical intensity distribution - so-called optical potential energy landscape - particles of different optical properties and/or sizes immersed in a liquid medium can be trapped or transported over long distances and even separated into distinct spatial directions by light. An efficient way for optical potential energy landscape shaping exploits the interference of multiple coherent light beams. In this approach, evanescent waves play a special role as they confine the studied high refractive index objects to the vicinity of an interface between two media. In such an arrangement, the effective dimensionality of the system decreases and the dynamics of the particle motion can be easily observed. In this work we study theoretically and experimentally the behavior of sub-micrometer-sized spherical dielectric particles suspended in water and confined in an evanescent field in the proximity of a glass-water interface. When illuminated by a single evanescent wave the particles are propelled along the interface by the radiation pressure. Illumination by two counter-propagating and coherent evanescent waves leads to the formation of a surface-bound evanescent standing wave serving as a one-dimensional array of optical traps for the stable confinement of the particles. These traps can be translated simultaneously along the interface by shifting the phase of one of the two interfering evanescent waves, carrying the confined particles along in an optical conveyor belt - OCB. However, due to the thermal activation the particles jump stochastically between neighboring optical traps. Thus, the delivery conditions in the OCB are more complex than in the case of the single evanescent wave propulsion. This thesis presents several novel results concerning the particle behavior in optical potential landscapes. Both numerical simulations and experimental observations show varying affinity of differently sized particles to the periodic standing wave pattern. This feature is used to demonstrate the sub-micrometer particle sorting in a motional standing wave. Furthermore, we study the delivery of a single Brownian particle confined in the OCB moving with different speeds. We present the theoretical description of the problem, compare the model to the experimental data on the particle delivery speed in the OCB, and find the optimal delivery speed. We discuss the influence of various experimental parameters, namely hydrodynamic coupling to the surface and beam profile modulation. We compare the OCB delivery to the delivery in a single evanescent wave and show that OCB is more efficient for delivery of nanoparticles. We also study the rate of transitions of a confined particle between the neighboring traps.

Keywords

optické chytání, interference, evanescentní vlna, náhodný pohyb, Brownovský serfař, optical trapping, evanescent wave, random motion, Brownian surfer

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 8. 9. 2009

Thesis defence

• Date of defence: 14. 10. 2009
• Supervisor: prof. RNDr. Pavel Zemánek, Ph.D.
• Reader: prof. RNDr. Miroslav Liška, DrSc., doc. Ing. Jiří Homola, DSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physics (4-years) / Wave and Partical Optics