Loading...

Position Detection for Optical Tweezers Using Moiré Technique

Khorshad, Ali Akbar | 2019

1139 Viewed
  1. Type of Document: Ph.D. Dissertation
  2. Language: Farsi
  3. Document No: 51680 (04)
  4. University: Sharif University of Technology
  5. Department: Physics
  6. Advisor(s): Seyed-Reihani, Nader; Tavassoly, Mohammad Taghi
  7. Abstract:
  8. Optical Tweezers (OT) are non-invasive micro-manipulation tools based on a tightly focused Gaussian laser beam for applying and measuring pico-Newton range optical forces. They are also utilized for trapping and moving particles and biological specimens. The force exerted by OT is mainly determined by detecting the position of the trapped object inside the harmonic potential well of OT. Conventionally,a Quadrant Photo-Diode (QPD) positioned at the Back Focal Plane (BFP) of the condenser lens provides the position of the bead with MHz temporal and nanometer spatial resolution. As a disadvantage of this detection scheme, it is impossible to obtain simultaneously the maximal lateral and axial detection sensitivity with a fix detection numerical aperture. In this thesis, we show, by theory (Rayleigh scattering approximation) and experiment, that moiré technique could measure nanometer displacements of the trapped bead more sensitive than that of provided by the QPD method. To this end, we locate a Moiré Deflectometer (MD) or Talbot Interferometer (TI) (it consists of two linear amplitude grating with the 2th grating positioned at a Talbot distance) at the BFP of the condenser lens. After impinging the unscattered and scattered beams on the double gratings, rotational and parallel moiré fringes will be appeared. It is shown that the intensity fluctuation of the whole moiré pattern or opposite fringe pair (one bright fringe in the right-hand side of the pattern and its counterpart in the left-hand side) is linearly dependent on the displacement of the trapped bead, such that the fringe pairs provide different detection sensitivity. The simulation results show that, first, the outermost fringe pair provides the maximal detection sensitivity, second, there is an Optimal Talbot Distance (OTD) such that by positioning the 2th grating at the OTD, the MD detection system with lower spatial periods provides larger detection sensitivity respect to the QPD method. Finally, the experiments done by 2:17m and 1:26m polystyrene beads show that the MD results are in good agreement with the QPD findings and theoretical predictions.Furthermore, by selecting the proper fringe pair the lateral and axial detection sensitivities for 2:17m bead could be improved %100 and %279 respect to the QPD method, respectively
  9. Keywords:
  10. Optical Tweezer ; Photodetector ; Quadrant Photodiode ; Moire Deflectometer ; Talbot Interferometer ; Optical Trapping ; Diffraction

 Digital Object List

 Bookmark

  • فهرست تصاویر
  • فهرست جداول
  • پیشینه‌یِ انبرک نوری و فنآوری ماره
    • مقدمه
    • تله اندازی نوری
    • مبانی انبرک نوری
      • انبرک نوری از دیدگاه اپتیک پرتوی Williams2002
      • انبرک نوری در تقریب پراکندگی ریلی Neuman2004
    • چیدمان انبرک نوری
    • درجه بندی انبرک نوری
      • روش طیف توانی berg2004power,Capitanio2002,Neuman2004
      • روش همپاری انرژی Neuman2004,Capitanio2002
      • روش نیروی مقاومت سیّال Neuman2004,Capitanio2002
      • روش تابع توزیع بولتزمن Neuman2004
      • روش تحلیل تابع همبستگی alves2012videomicroscopy
    • کاربردهای انبرک نوری
    • آشکارسازی انبرک نوری
      • آشكارسازی به روش ويدئو ميكروسكوپی
      • آشكارسازي بر پايه‌یِ QPD و مدل تداخلی در صفحه کانون پشتی (BFP)
      • آشكارسازی بر پايه‌یِ تداخل سنج قطبشی
      • آشكارسازی بر پايه‌یِ نور پس پراكنده
      • برتری و كاستی‌های آشكارسازی بر پايه‌یِ QPD
      • نتيجه‌گيریِ بخش آشكارسازی
    • فنآوری ماره
      • مبانی فنآوری ماره
      • مبانی انحراف سنجیِ ماره‌ای
    • خلاصه‌یِ فصل
  • مبانی نظری آشکارسازی بر پایه‌یِ ماره
    • مقدمه
      • فرمول‌بندی نظری آشکارسازی
      • آشکارسازی:رهیافت فازی
      • آشکارسازی:رهیافت شدتی
    • خلاصه‌یِ فصل
  • محاسبات عددی آشکارسازی بر پایه‌یِ ماره
    • مقدمه
    • پارامترهای محاسبات عددی و قانون ABCD
    • نقش ماره‌یِ حاصل از باریکه‌های پراکنده نشده و پراکنده شده
    • نتایج بکارگیری نقش ماره‌یِ حاصل از تداخل باریکه‌ها برای آشکارسازی عرضی و محوری ذره
      • محاسبات عددی آشکارسازی عرضی ذره‌
      • محاسبات عددی آشکارسازیِ محوریِ ذره
    • بررسی اثر گام توری‌ها و همچنین مرتبه‌یِ تالبوت در حساسیت آشکارسازی عرضی و محوری
      • بررسی اثر گام و مرتبه‌یِ تالبوت در حساسیت آشکارسازی عرضی
      • بررسی اثر گام و مرتبه‌یِ تالبوت در حساسیت آشکارسازی محوری
    • خلاصه‌یِ فصل
  • آزمایش‌های آشکارسازی بر پایه‌یِ ماره
    • مقدمه
    • معرفی چیدمان انبرک نوری
      • چیدمان آشکارسازی ماره
      • چیدمان ماره در جهت آشکارسازی رو به جلو
      • چیدمان ماره در جهت آشکارسازی رو به عقب
    • نقش ماره‌یِ تجربی و نوعیِ حاصل از چیدمان
    • منحنی آشکارسازیِ عرضیِ تجربیِ حاصل از ماره
    • آشکارسازی تجربی عرضی ذره‌ و مطالعه‌یِ اثر مرتبه‌یِ تالبوت
      • آشکارسازی عرضی به روش درجه بندی طیف توانی
      • اثر مرتبه‌یِ تالبوت در آشکارسازی عرضی
    • آشکارسازی تجربی محوری ذره‌ و مطالعه‌یِ اثر مرتبه‌یِ تالبوت
      • آشکارسازی محوری به روش درجه بندی طیف توانی
      • اثر مرتبه‌یِ تالبوت در آشکارسازی محوری
    • خلاصه فصل
  • نتیجه گیری و پیشنهادات ادامه‌یِ کار
    • مقدمه
    • نتیجه گیری کلی رساله
    • پیشنهادات ادامه‌یِ کار
      • پیشنهادات نظری
      • پیشنهادات تجربی
  • کتاب‌نامه
...see more