Pinze ottiche (optical Pinze ottiche (optical tweezers)tweezers)

Principi di funzionamentoPrincipi di funzionamentoDescrizione dell’esperimento propostoDescrizione dell’esperimento proposto

Cosa sono le pinze Cosa sono le pinze ottiche?ottiche?

• Le pinze ottiche sfruttano la forza di una radiazione laser per intrappolare piccole particelle (nm - µm)

• Le forze generate sono dell’ordine di 1-100pN

• Servono per:– Manipolare/muover piccole particelle– Misurare piccole forze (pN)

Come funzionano?Come funzionano?• La luce (fotoni) porta con sè una quantità di moto:

• Se un oggetto cambia la direzione della luce passando attraverso l’oggetto stesso (rifrazione) cambia la direzione della quantità di moto. Ciò è equivalente ad una forza esercitata dall’oggetto sulla luce. La luce deve quindi esercitare una forza sull’oggetto uguale e contraria.

h

p

Fdt

pd

Forza di rifrazioneForza di rifrazione

• Consideriamo il caso di 2 raggi (ottica geometrica.

• La sfera èspinta verso il fuoco del raggio laser

• La forza dipende dall’angolo di incidenza

Forza di rifrazioneForza di rifrazione

• Ci sarà sempre anche una forza dovuta alla riflessione

• Questa spingerà la sferalontano dal fuoco

• La forza di rifrazione devesuperare la forza di riflessioneper intrappolare la sfera

Forza di riflessioneForza di riflessione

Trappola a doppio fascioTrappola a doppio fascio

• Si possono usare 2 laser per intrappolare una sfera

• Le forze di riflessione si cancellano

L’esperimentoL’esperimento• Principi di funzionamento della trappola

ottica

• Descrizione del set-up (laser, beam expander, obbiettivi del microscopio…)

• Intrappolamento di una sferetta (video scaricabile sul sito physcom)

di latex (diametro 2-3 µm)

L’esperimentoL’esperimento• Misura della costante elastica della trappola

(teorema di equipartizione dell’energia)

TKxk Bx 2

1

2

1 2

pattern matching

L’esperimentoL’esperimento

-0.05 0.00 0.05-0.1

0.0

Sp

ost

amen

to (m

)

Spostamento (m)

• Misura della costante elastica della trappola per diversi valori della potenza del laser

Laser power (mW)

Sp

rin

g c

on

sta

nt

(N/m

) 1

0-7

50 100 150

1

2

L’esperimentoL’esperimento

• Verifica della legge di Stokes

• Misura dello spostamento della sfera per diversi valori di flusso (diversi valori di velocità)

• Vengono misurate le forze (spostamenti) per diversi valori di velocità del flusso

vF

vrF

6

L’esperimentoL’esperimento

Sp

ost

amen

to

Fo

rza

Tempo

Velocità limite

Assenza di flusso

0

0

0

L’esperimentoL’esperimento

• Le pinze ottiche nella ricerca scientifica