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Light as a tool -Optical tweezer

Light as a tool -Optical tweezer. 화학부 권준엽. History of studying Optical force. 케플러가 혜성의 꼬리를 관측 → 혜성의 꼬리가 휘어져 보이는 것은 “ 태양빛의 압력 때문일 것이다 . ” 로 추측 . → 실제 현상은 전혀 다른 것이지만 , 광압 ( 광력 ) 에 대한 최초의 의문이 되었다 . 맥스웰이 빛에 대한 전자기학적 이론을 완성 (1873) → 전자기장이 단위부피당 일정한 에너지가 가해지는 것처럼 압력을 가한다 .(Radiation pressure)

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Light as a tool -Optical tweezer

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Presentation Transcript

  1. Light as a tool-Optical tweezer 화학부 권준엽

  2. History of studying Optical force • 케플러가 혜성의 꼬리를 관측 →혜성의 꼬리가 휘어져 보이는 것은 “태양빛의 압력 때문일 것이다.”로 추측. → 실제 현상은 전혀 다른 것이지만,광압(광력)에 대한 최초의 의문이 되었다. • 맥스웰이 빛에 대한 전자기학적 이론을 완성(1873) →전자기장이 단위부피당 일정한 에너지가 가해지는 것처럼 압력을 가한다.(Radiation pressure) • Lebedev, E.F.Nichols와 G.F.Hull이 직접 빛의 압력을 실험적으로 계산해냈다.(1903)

  3. History of studying Optical force • 아인슈타인의 광량자설 → 빛을 양자역학적 관점으로 바라볼 수 있게 되었다.(1917) • 컴프턴 의 실험- 아인슈타인의 광량자설을 통해 나온 빛의 운동량을 실험적으로 구해 빛의 운동량의 존재를 입증하였다.(1920)http://physica.gsnu.ac.kr/phtml/modern/light_quantum/photon/photon6.html

  4. Optical trapping • A. Ashikin이 입자에 가해지는 Radiation pressure를 계산하던 중, 작은 입자는 작은 질량 때문에, 받는 힘의 크기가 작지만 가속도가 크게 생겨남을 발견하여 이를 이용해 작은 입자를 포획하여 움직일 수 있을 것으로 생각했다. • 빛을 이용하여 콜로이드 용액상의 TMV를 하나씩 조작, 이동시키는 것을 성공시킨다.(1981) • Steven Chu는 원자에 레이져를 가해 고정시키는 원자냉각(Atom cooling)에 성공한다.(1986) (1997년 노벨 물리학상)

  5. Optical tweezer • 빛이 물체를 만나 반사, 굴절하여 진행방향이 바뀐다. → 운동량이 변화한다. → 힘의 방향이 바뀐다. • 입자의 크기가 가해지는 빛의 파장보다 크면(r>>λ) 기하광학적으로 적용되며, 입자의 크기가 가해지는 빛의 파장보다 작으면 파동광학적으로 작용한다.(r<<λ)

  6. Optical tweezer 광학집게(Optical tweezer)는 빛과 입자의 관계를 기하광학적으로 이용하여 입자를 포획한다. 입자 내부에서 빛의 운동량 변화로 생겨난 힘의 합이 붙잡는 힘(F trap)이 되어 입자를 빛으로 고정시킬 수 있다.

  7. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94 (1997) p.4854

  8. Proc. Natl. Acad. Sci. USA 94 (1997) p.4854

  9. Requirements for Optical tweezer • Gaussian beam의 형태를 갖는 TEM00레이저가 필요하다. →빛의 밀도(분포)가 균일하면 입자에 작용하는 Gradient force(F grad)가 상쇄되어 없어진다. • 입자의 굴절률이 주변(medium)의 굴절률보다 커야 한다.→ 작다면 밖으로 튕겨나간다. • 입자에 작용하는 F trap이 입자 내부의 열적요동에 의한 힘, 중력, 액체의 흐름으로부터 가해지는 힘을 모두 합한 것보다 커야 한다.

  10. Applications of Optical tweezer • 세포분류(Cell sorting) • 작은 힘의 직접적인 측정과 적용 (measurement and Application of small forces) • 마이크로칩 상의 작은 입자들의 조작(Manipulation of small particles in microchip) • 마이크로 입자들의 실시 3차원적 조작 (4D control of micro-sized particles) • 홑분자 분광학의 핵심 도구 (Tool for Single molecule spectroscopy.)

  11. Limitations of current Optical tweezer. 파장이 긴 IR laser를 사용하지만 밀도(Intensity)가 높은 지점에서는 에너지가 크기 때문에 생체분자를 파괴하거나 변형시킬 우려가 있다. 굴절률이 주변의 용매(medium)에 비해 작다면, 입자를 붙잡을 수 없다. 입자가빛을 반사하거나 흡수한다면 Scattering force와 Absorption force가 F grad를 넘어서기 때문에 붙잡을 수가 없다. 크기가 작은 보통의 분자에는 적용할 수 없다.

  12. Progress for Opitcal tweezer • Non-Gaussian beam을 이용한 Optical trapping에 대한 연구가 진행중이다. • TEM01방식의 도넛형의 laser(ex. Photonic-crystal laser)를 사용해서 입자를 빛의 Intensity가 높은 지점을 피하게 하여 붙잡을 수 있다.

  13. Electronics letters Vol.43 No.2

  14. Progress for Opitcal tweezer • 금속입자는 빛을 반사하기 때문에 지금까지는 빛이 입자와 만나서 생기는 Repulsive force를 이용해서 입자를 고정하였다. • 금속입자 표면에서 Surface plasmon에 의해 유도된 Creeping wave를 사용하면, 보통의 광학집게처럼 F grad를 만들 수 있다.

  15. Optics Letters Vol.23 No.3 p.218

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