علاوه بر توانایی دستکاری ذرات کوچک، انبرک های نوری همچنین می توانند یک تکنیک مفید را برای اندازه گیری نیروها در دنیای میکروسکوپی تشکیل بدهند. وقتی یک نیروی خارجی به یک ذره گیر افتاده اعمال شود ذره به سوی مکان تعادلی جدیدی حرکت می کند که در آن مکان نیروی نوری، نیروی خارجی را خنثی میکند. از آن جایی که پتانسیل تله هارمونیک در نظر گرفته می شود آن می تواند در یک فرآیندی تنظیم شود که بدست آوردن ثابت سفتی( stiffness ) را شامل شود. اخیراً چندین شیوه تجربی برای اندازه گیری نیروی استخراج شده با پرتو نوری توسعه و پیشرفت پیدا کرده است.
نیروهای شامل شده در آزمایشات تله گذاری نوری را می توان با استفاده از تئوری تعمیم یافته لورنتز –می(GLMT) پیش بینی کرد. این تئوری در کل یک شیوه قاطع و پیچیده می باشد که می توان نتایج صحیح را از آن کسب کرد. به هر حال وقتی اندازه ذره کوچکتر از طول موج پرتو نوری باشد می توان از تقریب سازی معروف رایلی استفاده کرد. شیوه ریلی ساده تر از شیوه GLMT می باشد و نتایج کافی و مناسب برای اهداف بیشتر در درون محدوده قابلیت کاربرد تهیه می کند. ولی مدل پرتو نوری توصیف ساده و مستقیم را از تله گذاری نوری برای ذراتی ارائه می دهد که اندازه قطر آنها بزرگتر از طول موج لیزر بکار برده شده می باشد.
انبرک های نوری در حال حاضر یک بخش چند رشته ای و جذاب برای مطالعه در محدوه وسیع از رشته ها ارئه می دهد. برای مثال تشکیل یک گروه OTشامل مهندسی نور (طراحی سیستم نوری، میکروسکوپی) فیزیک ها (تئوری الکترومغناطیس، مکانیک های سیال)، فتونیک ها (تکنولوژی لیزر) مهندسی برق ( پردازشگر سیگنال، کنترل سخت افزار) و … می باشد.
انبرک های نوری می توانند با طیف بینی رامان، طیف بینی دو فوتونی و میکروسکوپی کانفوکال ترکیب شوند. با ترکیب انبرک های نوری با پرتوهای لیزر، محققان می توانند میکرو جراحی هایی روی ذرات انجام دهند. برای نمونه آنها می توانند کروموزوم ها را جذب کنند و سپس آنها را به ذرات کوچکتر تقسیم کنند تا با استفاده از تله گذاری IR و لیزر برنده ی سبز که به قیچی نوری معروف است، برای آنالیز بیشتر استفاده شوند. این موضوع به این دلیل امکان پذیر است که بیشتر موضوعات بیولوژیکی به جای روش نور IR استفاده در طول موج سبز جذب می شود.
1-5 دینامیک انبرک های نوری:
اگر چه انبرک های نوری منفرد در یک موقعیت ثابت شده کاربردهای بسیاری را دارند اما اغلب تمایل به داشتن یک تله ای که بتواند در نمونه های چنبری جابه جا شود وجود دارد. در شکل1-3 (آ) ساختار پایه ای انبرک های نوری نشان داده شده است. یک باریکه لیزر مستقیم به واسطه یک عدسی با طول کانون کوتاه متمرکز می شود که معمولا یک شیء میکروسکوپی است و در درون یک چنبر نمونه محتوی یک سیال با ذرات پراکنده کننده است. برای حرکت نقطه کانون و بنابراین تله اپتیکی به موقعیت مختلف در صفحه عمود به محور باریکه لیزر فرودی لازم است تا یک زاویه نسبت به محور باریکه به صورت نشان داده شده در شکل1-3(ب) داشته باشد. یک باریکه همگرا یا واگرا در سوی دیگر، صفحه کانون را در امتداد محور باریکه بالا خواهد برد 1-3(ج).
مهم است که باریکه به روزنه عقبی عدسی میکروسکوپی همیشه با قطر یکسان و در موقعیت مرکز شده یکسان برای نگه داشتن عملکرد تله نوری ضربه بزد و خصوصیاتش تغییر نکند. یک امکان، استفاده از تلسکوپ کانونی دو عدسی برای ایجاد یک صفحه در هم آمیخته اپتیکی از روزنه پشتی عدسی شیء میکروسکوپی می باشد ( شکل1-3د ). هر زاویه نشان داده شده در این صفحه، به عنوان مثال به وسیله یک آینه نگه داشته شده به وسیله یک قاب حلقوی، یک زاویه متناظر در روزنه پشتی عدسی شیء میکروسکوپی بدون یک جابه جایی در موقعیت نتیجه خواهد داد. به طور مشابه هر واگرایی ایجاد شده با یک قطر باریکه ثابت در این صفحه، با یک قطر باریکه ثابت در روزنه پشتی عدسی شیء میکروسکوپی باز تولید خواهد شد.
اگر آینه های اسکن کننده کنترل شده با کامپیوتر استفاده شود کنترل موقعیت می تواند به صورت خودکار درآید [5] . یک سازوکار مشابه، تیغه های صوتی اپتیکی در صفحه درهم آمیخته استفاده می کند (AODs) .اما AODs ها می توانند یک زاویه به وسیله استفاده کردن یک شبکه براگ دینامیکی درون یک ماده پیزوالکتریک معرفی کنند و این تابع، تنظیم شدن آهنگ خیلی بالای زاویه های انحراف مختلف را اجازه می دهد. یک کاربرد قدرتمند، انبرک های نوری زمان اشتراک می باشد که باریکه لیزر به یک مکان جهت گیری می شوند. ( نگه داشته شده در آن جا برای یک زمان کوتاه و سپس جهت گیری شده به موقعیت بعدی ) اگر این پی در پی انجام شود و توقفگاه در هر موقعیت به اندازه کافی برای عقب راندن یک ذره به موقعیت مرکز به اندازه کافی بلند باشد و همچنین غیبت باریکه لیزر به اندازه کافی به منظور فرار ذرات به دلیل حرکت براونی به اندازه کافی کوتاه باشد، ذرات می توانند به صورت شبه هم زمان به تله بیفتند [5] .
یک روش مبتکرانه به آزاد کردن کنترل زاویه باریکه و واگرایی باریکه در یک صفحه خاص بدون دستکاری مکانیکی، پراش در هولوگرام های تولید شده کامپیوتری می باشد که به المان های اپتیکی پراش نیز مشهور هستند (DOE) ، هولوگرام می تواند به صورت استاتیکی در موارد اپتیکی حک شود [12] برای مثال روش های لیتوگرافیک.
شکل1-3: اصول اولیه کنترل موقعیت در انبرکهای نوری.
1-6 تعدادی از کاربردهای انبرک های نوری:
انبرک های نوری از زمانی که اولین بار به وسیله اشکین و همکارانش معرفی شدند کاربردهای زیاد صنعتی مانند جابه جایی مولکولها و غیره پیدا کردند. به ویژه مساله های بیولوژیکی بر روی یک سلول منفرد [31]می تواند به وسیله انبرک های نوری برای دو دلیل حل شوند؛ نخست هیچ ابزار در دسترس دیگری وجود ندارد که قادر باشد سلول های منفرد ماکرومولکول ها را با یک چنین دقت و انعطاف پذیری در زمان یکسان بدون هر تماس فیزیکی دستکاری کند. دوم اینکه انبرک های نوری می توانند به اعمال نیروهای تعریف شده و از همه مهم تر برای اندازه گیری نیروهای خیلی کوچک با یک دقت بی نظیر استفاده شوند. کاربردهای بیشتر انبرک های نوری و روش های نزدیک به آن می تواند در شاخه های مختلف از قبیل علوم کلوئیدی ]13[، میکروسیال ها ]22[، جهت گیری میکروسکوپی ]34[، جداسازی ذرات ]6[ ، یا دینامیک های موتور مولکولی ]11[ یافته شوند.
آزمایشات انبرک های نوری می توانند سوالات فیزیک بنیادی شامل انتقال مستقیم تکانه زاویه ای اپتیکی، برهمکنش های هیدرودینامیکی و البته برهمکنش ماده و نور را جواب دهند. آن میتواند ثابت شود که انبرک های نوری هدایت و میزان شده به صورت دینامیکی می توانند یک عایق گرمایی ایجاد کنند که حرکت براونی پخش کننده ذرات را بایاس می کند. این لیست کاربرد وسیعی از انبرک های نوری نیست بلکه یک انتخاب کوچک از کاربردهای مورد توجه بود. سایر کاربردها می تواند برای مثال در منابع]38[ یافت شود.
1-7 تله اندازی نوری
اشکین ثابت کرد که پرتو متمرکز شده قادر به سرعت بخشیدن به اشیاء میکروسکوپیک می باشد. فوتون ها می توانند با ماده به وسیله انتقال تکانه بر همکنش بکنند. منظور این است که نور قادر به اعمال نیرو در ذره می باشد. دستگاه های انبرک های نوری به استفاده عدسی شی میکروسکوپی به منظور تجمیع فتونهای بدست آمده از پرتو لیزر در یک نقطه کوچک نیاز دارند. در این شیوه ذره هدف تا حد ممکن با فوتون های زیادی تا زمانی که اندازه حرکت هر فوتون منفرد خیلی جزئی باشد بر همکنش می کند. یک طیف گسترده از تئوری های صحیح و آزموده به تدریج برای توضیح ذرات حفظ شده (به دام افتاده) در اندازه های مختلف توسعه داده شده است. هر کدام از آن تئوری ها یک توصیف کاملی از یک تله نوری را ارائه می دهند. اما راه حل های عددی در همه مدل های موجود حلقه مهمی از وضیعت آزمایشگاهی و تجربی را شامل می شود و به فهم عمیقی از مشکل تله گذاری منتهی می شود. به هر حال برای ذرات کروی (مهره ها) مشکل معمولا با برآوردی توصیف می شود که بستگی به شعاع شی بکار برده شده و طول موج پرتو دارد.
در رژیم رایلی :(aدر رژیم می Mie ، این برهمکنش ممکن است با استفاده از اپتیک های پرتویی محاسبه شود.
1-8 نیرو ها در رژیم رایلی
در رژیم رایلی، ذرات کروی دو قطبی هایی می شوند که نور را پراکنده می کنند. فرض می کنیم یک ذره بوسیله پرتو قطبیده خطی گائوسی محوری منتشره در محور z با شعاع کمربند پرتو و عدد موج روشن شود. که در آن طول موج در وسیله می باشد. فرض می کنیم n2 , n1 به ترتیب ضریب شکست محیط و ذره باشند.a شعاع ذره، ، c سرعت نور، گذردهی فضای آزاد و طول موج در خلا می باشد. پس شدت پرتو I(x,y,z)یعنی مثال متوسط زمانی بردار پوینتینگ بصورت زیر نوشته می شود.
(1-5)
قطبش القا شده در دو قطبی برابر می باشد در این جا قابلیت دو قطبی شدن ذره است. پرتو لیزری نیروی را در دو قطبی اعمال می کند که دارای دو مولفه متفاوت می باشد: گرادیان پراکندگی. اولین مولفه متناسب با گرادیان شدت موج می باشد، به این منظور است که در جهت کانون شی میکروسکوپی می باشد (شکل 1-4 را ببینید) بصورت زیر نوشته می شود.