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研究生: 陳永昇
Chen, Yung-Sheng
論文名稱: 光鉗的製作與其特性的了解
construct and characterize of an optical tweezers
指導教授: 蔡錦俊
Tasi, Chin-Chun
學位類別: 碩士
Master
系所名稱: 理學院 - 物理學系
Department of Physics
論文出版年: 2002
畢業學年度: 90
語文別: 中文
論文頁數: 72
中文關鍵詞: 光鉗雷射
外文關鍵詞: optical tweezer, laser
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  • 雷射光鉗是一項利用光壓特性的研究技術,在這一篇文章中,我們利用一臺852nm的半導體雷射為我們的光源,此光源是橢圓形光。經過歪向錂鏡將光源變成圓形光再經過一組空間濾波器,使用空間濾波器的目的是為了將圓形光的高頻雜訊過濾掉,將過濾完成的圓形光利用AO分光器的功能,取出做實驗的First Order 的光,目的是為了利用分光器在
    開或關的時間非常短,用分光器來控制雷射光源的開或關可以免除雷射在開或關時的時間延滯,而減少實驗的誤差,我們將獲得的光經過一個架設在具有微調基座的凸透鏡,然後打進顯微鏡,使用凸透鏡的目的是為了調整雷射光源進物鏡的收斂角度或是發散角度,最後在顯微鏡中我們裝置一個極化光束分光錂鏡將捕捉的情形反射入影像系統CCD,由螢幕與電腦紀錄實驗過程。
    我們研究了10μm 3μm 0.75μm三種微粒子,並分析了10μm粒子的水平捕捉力與 3μm粒子的垂直捕捉力與水平捕捉力,我們獲得10μm粒子的水平捕捉力約在10-11 Nt ~ 10-13Nt 之間,3μm粒子的垂直捕捉力約在10-14 Nt ~ 10-16Nt 之間,水平捕捉力約在10-12 Nt 附近。
    同時我們利用Labview程式,模擬幾何光學的理論計算與環境條件,繪出幾何光學模型的曲線分布圖,用來與實驗比較。

    Optical tweezers is a new technique for research in biological and physical sciences by using the radiation pressure. In this thesis, a diode laser, =853 nm, maximum power=50 mW, was used as the light source and a microscope was used for trapping and imaging. The laser beam pass through an anamorphic prime pair and a special filter to reduce the higher order modes and provide an ideal Gaussian laser Profile. An acoustic-optical modulator (AOM) was inserted into the beam for switching and modulating the tweezers. Before reflecting laser beam into the microscope, a beam expander and a convex lens expand and change the divergent angle of the laser beam for maximum power delivery and matching the imaging plane of the microscope. The trapped object was illuminated by the condenser and formed an image on a charge-coupled device (CCD) through a polarizing-cube beam splitter. A laser line filter put in front of the CCD to avoid the exposure saturation by the laser light. The images from CCD were monitored on the screen and tapped with a recorder.

    We trapped three different sizes of micro spheres, 0.75, 3 and 10 m. The horizontal and vertical trapping forces were measured with 3, 10 m and 3 m micro spheres, respectively. The minimum vertical force can be measured was about 10-13 N and the horizontal force constant was about 10-6 N/m. These results were compared with the ray-optical model and a simple over damped motion of the particle. They are in good agreement

    目 錄 中文摘要…………………………………………………I 英文摘要…………………………………………………II 誌 謝…………………………………………………III 目 錄…………………………………………………IV 表 目 錄…………………………………………………VI 圖 目 錄…………………………………………………VII 第一章 前言 1.1光鉗的發展源起……………………………..1 1.2光鉗的應用…………………………………..3 第二章 雷射光鉗的原理 2.1幾何光學模型………………………………..5 2.2電磁波模型…………………………………..15 第三章 實驗儀器與裝置 3.1雷射光鉗的裝置……………………………..17 3.2實驗儀器與光學元件……………………….....20 3.3雷射能量在元件上的耗損量測…………..…...33 第四章 光鉗捕捉微粒子的方法與程序 4.1 微粒子樣本的製作…………………………..35 4.2 光學路徑圖……………………………….……..38 4.3 捕捉微粒子的程序…………………………..40 第五章 實驗結果與分析 5.1 不同聚苯乙烯粒子的捕捉…………………48 5.2 捕捉力的分析………………………………53 第六章 結論………………………………………………….70 附錄 參考資料 表目錄 表一:歪向錂鏡角度參數……………………………………..21 表二:元件耗損一覽表………………………………………..33 表三:物鏡後雷射的功率量測值……………………………..34 表四: 水平力分析實驗結果比較…..………………………..70 圖目錄 圖一:幾何光學模型示意圖…………………………………..7 圖二:雷射光不在球心的示意圖(一)…………………………8 圖三:雷射光不在球心的示意圖(二)…………………………8 圖四:單一光束在球內的光路徑圖…………………………...9 圖五:球體球心恰位於光軸上………………………………..13 圖六:電磁波模型示意圖……………………………………..15 圖七:系統裝置圖……………………………………………..17 圖八:雷射操作電流與雷射輸出功率與電壓需求圖…………20 圖九: 歪向稜鏡角度的位置……………...…………………...21 圖十:歪向錂鏡的光徑與光束之改變………………………...22 圖十一:系統的歪向錂鏡設計圖………………….………….22 圖十二:擴光器主架…………………………………………...23 圖十三:擴光器支架…………………………………………...24 圖十四:擴光器的放大與縮小………………………………...24 圖十五:空間濾波器……………………………………………25 圖十六:AOM調制器示意圖………………………………….27 圖十七:匹配透鏡的因素(一)………………………………….28 圖十八:匹配透鏡的因素(二)………………………………….28 圖十九:物鏡示意圖………...………………………………….30 圖二十:不同物鏡的比較示意圖……………………………...31 圖二十一:濾波片濾波波段圖..……………………………….32 圖二十二:雷射出物鏡後的功率分布圖..…………………….34 圖二十三:微粒的捕捉過程..………………………………….44 圖二十四:雷射光在球外的折射情形..……………………….54 圖二十五:RO模型Q值的理論模擬..………………………...58 圖二十六:直徑3μm粒子30ma雷射操作電流的水平力 實驗值與估算曲線圖..…64 圖二十七:直徑3μm粒子45ma雷射操作電流的水平力 實驗值與估算曲線圖..……65 圖二十八:直徑3μm粒子60ma雷射操作電流的水平力 實驗值與估算曲線圖..……66 圖二十九:直徑10μm粒子30ma雷射操作電流的水平力 實驗值與估算曲線圖..…..67 圖三十:直徑10μm粒子45ma雷射操作電流的水平力 實驗值與估算曲線圖..…..68 圖三十一:直徑10μm粒子60ma雷射操作電流的水平力 實驗值與估算曲線圖..……..69

    參 考 資 料
    1. 物理雙月刊,22卷,五期,477-484,(2000),黃鈞正、吳崇安、邱爾德, “光學嵌住之技術簡介”。
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    5. 物理雙月刊,22卷,五期,485-493,(2000),黃鈞正,吳崇安,邱爾德, “光
    學嵌住之理論探討”。

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    7. W. H. Wright , G. J. Sonek , and M. W.Berns “Parametric study of the forces
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    18. J. C. Crocker and D. G.Grier “Microscopic Measurement of the Pair
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    20. A. Ashkin and J. M. Dziedzic “Internal cell manipulation using infrared laser traps” Proc .Natl. Acad. Sci. 86 7914-7918 (1989)

    21. R. C. Gauthier “Optical trapping :a tool to assist optical machining “
    Optics and laser technology. 29 389-399 (1997)

    下載圖示 校內:立即公開
    校外:2002-07-08公開
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