انبرک نوری یک باریکه ی لیزر گاوسی است که با استفاده از عدسی شییی کانونی شده و می تواند به ذراتی که در مجاورت کانون قرار گرفته اند نیروی بازگرداننده ای به سمت کانون وارد کند. این ابزار توانایی اعمال نیروهایی در محدوده ی چند فمتو نیوتن تا چندصد پیکونیوتون را دارد. به واسطه ی این محدوده ی نیرو انبرک نوری کاربردهای فراوانی در زمینه های مختلف علوم زیستی پیدا کرده است. با توجه به کاربردهای روز افزون انبرک نوری این ابزار دستخوش پیشرفت های بسیاری شده که مهمترین آنها ایجاد انبرک های نوری چندگانه است که در آن باریکه ی لیزر به جای کانونی شدن در یک نقطه به عنوان یک تله در چند نقطه کانونی می شود که در حقیقت آرایه ای از تله هاست. در سال های اخیر چندین رهیافت جهت ایجاد انبرک های نوری چندگانه ارایه شده است که پرکاربردترین آن ها ایجاد تله ی نوری چندگانه با روش تمام نگاری است. اخیرا به دلیل استفاده از slm که ابزاری مبتنی بر کریستال مایع است امکان تغییر و کنترل سه بعدی تله ها به صورت دینامیک نیز وجود دارد. قابلیت دینامیک بودن slm ها به دلیل آدرس دهی کامپیوتری ساختار پیکسل مانند این ابزار است. که می تواند در جاهای مختلف جبهه موج نور گذرنده از slm ها اختلاف راه های نوری متفاوت ایجاد کند و در نتیجه شکل جبهه ی موج به اشکال دلخواه قابل تغییر خواهد بود. از آن جا که قصد ما در آزمایشگاه انبرک نوری ایجاد تله های نوری چندگانه به روش تمام نگاری بود وجود slm ضروری به نظر می رسید. با توجه به قیمت بالای این قطعه خریداری آن در آزمایشگاه انبرک نوری برای ما مقدور نبود. ایده ی اصلی که در این پایان نامه برای ایجاد تله های چندگانه برای ایجاد به روش تمام نگاری به کار گرفته شده استفاده از lcd های یک ویدیو پروژکتور به جای slm بود. از آنجا که lcd های ویدیو پروژکتور مانند slm از کریستال مایع تشکیل شده اند باید رفتارهای مشابهی نسبت به اعمال ولتاژ داشته باشند. که البته این رفتار نیز با توجه به نوع کریستال مایع به کار رفته در هر یک از این دو قطعه ممکن است اندکی متفاوت باشد. برای اطمینان از اینکه lcd ویدیو پروژکتور چه مقدار اختلاف راه برای باریکه نوری ایجاد می کند از یک تداخل سنج ماخ زندر استفاده شد.ویدیو پروژکتور شامل سه lcd مربوط به سه طول موج در ناحیه ی قرمز و آبی و سبز است. با ایجاد تغییر در مدارهای ویدیو پروژکتور توانستیم هر سه lcd را خارج نموده و هریک از آن ها را به طوریکه اتصال آن از مدار خود قطع نشده باشد در یکی از بازوهای تداخل سنج قرار دهیم. میزان اختلاف ولتاژ ایجاد شده در هر lcd متناسب با میزان درجه ی خاکستری است که با استفاده از رایانه به آن اعمال می شود. همچنین در کریستال مایع با توجه به ولتاژ اعمال شده ضریب شکست و در نتیجه اختلاف فاز تغییر می کند. این بدان معنی است که با استفاده از رایانه و اعمال الگوهای با درجات مختلف خاکستری به هر یک از پیکسل ها می توان اختتلاف راه های نوری مختلفی را برای نور عبوری از آن ایجاد کرد. این کار برای هر سه lcd و با دو منبع نوری لیزر با طول موج های 532 نانومتر و 1064 نانومتر انجام شد. نتایج به دست آمده نشان می دهد که برای تله اندازی نمونه های زیستی lcd قرمز با طول موج 1064 نانومتر و برای نمونه های غیر زیستی lcd سبز با طول موج 532 نانومتر بهترین گزینه ها هستند. در حال حاضر نتایج به دست آمده در آزمایشگاه انبرک نوری مورد استفاده قرار گرفته و قرار گرفته و lcdهای مورد نظر در چیدمان انبرک نوری چندگانه به کار گرفته شده است.

مولکول های لیپیدی حدود 50 درصد از ساختار غشای یک سلول را به خود اختصاص داده اند. این مولکول ها به همراه پروتئین های غشا نقش مهمی را در انتقال مواد به درون و بیرون سلول ایفا می کنند. مولکول های لیپیدی غشا به خاطر خواص ویژهای که دارند، به صورت یک دولایه قرار گرفته اند. دولایه لیپیدی به صورت یک محافظ برای سلول عمل می کند. پروتئین ها در صورت نیاز، یون ها و مواد قندی را به داخل و بیرون انتقال می دهند و دولایه لیپیدی از ورود و خروج بیش از اندازه ی این سری از مواد جلوگیری می کند. البته برخی از مواد و ذرات نمی توانند توسط پروتئین ها عبور داده شوند، ولی دولایه لیپیدی در فرآیندهایی خاص این کار را انجام می دهد. ما ابتدا از مولکول های فسفولیپیدی، غشای دولایه لیپییدی کروی شکل تولید کردیم. این غشاهای مصنوعی آبدانک نامیده می شوند. اندازه قطر آنها از چند نانومتر تا چند میکرومتر متغیر است. آبدانک های چند صد نانومتری در فرآیندهایی همچون انتقال دارو در بدن استفاده می شوند. اندازه های چند ده میکرونی مدل خوبی برای غشای سلول به شمار می آیند. آبدانک ها می توانند رفتاری مشابه با قسمت لیپیدی غشای یک سلول، از خود نشان دهند. بعد از تولید آبدانک ها، با استفاده از انبرک نوری یک ذره میکرونی را به سطح آبدانک چسبانده و با استفاده از نیروی تله نوری یک دنباله از غشای آبدانک بیرون کشیدیم. دنباله یک نانولوله بین سطح آبدانک و ذره میکرونی است و نیرویی را به ذره تله شده وارد می کند. با اندازه گیری این نیرو، اطلاعات مربوط به خواص کشسانی آبدانک را بدست می آوریم.

بررسی اثرات مختلف سم شناسی بر روی جنین، عبارت است از ورود یک ماده شیمیایی به خون مادر و عبور آن از سد جفت. این ماده می تواند باعث مرگ جنین و یا نقص در یک یا چند عضو بدن او شود. این که دارو بر جنین چه اثری می گذارد به مرحله رشد جنین و تاثیر و مقدار دارو بستگی دارد. برخی داروهای خاص که در مراحل اولیه بارداری مصرف می شوند (20 روز پس از لقاح) می توانند به شیوه همه یا هیچ عمل کنند، یا باعث مرگ جنین شوند و یا هیچ اثری روی جنین نداشته باشند. در طول مراحل اولیه بارداری، جنین نسبت به نقایص مادرزادی بسیار مقاوم می باشد. اگرچه جنین خصوصا در هفته های سوم تا هشتم که اندامها در حال شکل گرفتن هستند، نسبت به نقایص مادرزادی بسیار آسیب پذیر می باشد. در حال حاضر به طور گسترده ای از ماهی زبرا به عنوان مدل ارگانیسم استفاده می شود که علل عمده آن عبارت است از: 1. اندازه کوچک: یک ماهی زبرا بالغ معمولا طولی بین40-30 میلی متر و وزنی در حدود 300 تا 800 میلی گرم دارد. 2.زمان تولید نسل کوتاه و رشد سریع: طول مدت هر نسل نسبتا کوتاه و در حدود سه ماه است و20-25 ماهی می تواند در محفظه 10 لیتری نگهداری شوند . 3. جفت گیری غیرفصلی: زبرا جفتگیری فصلی ندارد، و هر ماهی ماده می تواند 100-50 تخم به ازاء هر جفت گیری تولید کند. 4.مراحل جنین زایی سریع: مراحل جنین زایی با ایجاد طرح کلی بدن 24 ساعت پس از لقاح انجام شده و بسیاری از ارگان های داخلی 96 ساعت پس از لقاح تشکیل می شود که این معادل جنین 3 ماهه انسان است. جنین شفاف بوده و همچنین می تواند به مدت 5 روز در 100 میکرولیتر آب شیرین نگهداری شود. زرده جنین ، حاوی مواد مغذی است، بنابراین تا یک هفته نیازی به تغذیه نمی باشد. نویز سروصدای نامطلوب است. صدا لرزش محیط (معمولا هوا) می باشد. صدا دارای خصوصیاتی مانند شدت (بلندی صدا)، فرکانس (گام)، تناوب و مدت زمان می باشد. بسیاری از زنان باردار درمحل کار در معرض سر و صدا قرار می گیرند. نویز ممکن است به جنین و نوزادان آسیب برساند. جنین و نوزادانی که در معرض سر و صدای بیش از حد هستند ممکن است از افت شنوایی و دیگر عوارض این اثر رنج ببرند. صدا به خوبی در محیط رحم منتقل می شود. اثرات تراتوژن نیز در حیواناتی که در دوران جنینی در معرض سر و صدا قرار گرفته اند، مشاهده شده است. در انسان نیز، لاکتوژن مادری- جفتی پس از هفته 36 بارداری در زنانی که در حاشیه فرودگاه زندگی می کنند نسبت به زنان ساکن در مناطق آرام به طور معنا داری کمتر بود. تشکیل و فروپاشی حباب های گاز در محیط آبی ناشی از اثر اولتراسوند با فرکانس کم و دامنه بالامی باشد. جمع شدن حباب های ایجاد شده باعث آزاد سازی انرژی زیادی می شود که در نتیجه آن ساختار بافت مورد نظر به هم می ریزد و به طور موثر دو لایه لیپیدی را مختل کرده، حمل و نقل موادی مانند کلسئین را افزایش می دهد.

انعطاف پذیری مکانیکی dna نقش مهمی در بسیاری از اعمال آن در سلول مانند بسته بندی شدن، ترجمه و رونویسی شدن و ... ایفا می کند. بنابراین بررسی خواص مکانیکی تک مولکول dna برای فهمیدن علت بسیاری از اعمال بیولوژیکی مهم است. از طرفی dna یک مولکول خوش رفتار است که مشاهدات روی آن می تواند استفاده های زیادی در فیزیک پلیمر داشته باشد. یکی از بهترین ابزار آزمایش روی تک مولکول dna انبرک نوری است. هدف از این پایانامه ایجادزمینه های لازم برای انجام آزمایش های تک مولکولی روی dna بوده است و در نهایت نتیجه نمونه ای از این آزمایش ها ارائه شده است. یکی از ابزاری که در مسیر انجام آزمایش ضروری به نظر می آمد نگاشت چاه پتانسیل تله ی نوری برای فواصل زیاد از مرکز تله بود. فواصلی که معمولا در آزمایش های کشش dna مشاهده می شود. برای این منظور تله ی نوری را در حالت بهینه که کمترین ابیراهی کروی را داشته باشد برای اندازه های مختلف ذره درجه بندی کردیم. نتایج به دست آمده از این آزمایشات اندازه هایی را برای ذرات مورد استفاده در آزمایش های تک مولکولی dna پیشنهاد می کرد. در ادامه در روند انجام آزمایش کشش پلیمر زیستی ما از این ابعاد بهره بردیم. این پایانامه از 3 فصل تشکیل شده است. فصل اول مقدمه ای کوتاه بر انبرک نوری، نحوه ی کارکرد و چیدمان آن است. در فصل دوم چگونگی انجام آزمایشهای مربوط به نگاشت چاه پتانسسیل و نتایج حاصل از آن ها توضیح داده شده است و فصل آخر مربوط است به مقدماتی در باب dna و خواص کشسانی ن و در ادامه دستورالعمل های ساخت مواد و نحوه ی دقیق انجام آزمایش هایی که منجر به کشیدن dna شد ارائه شده است.

در این پایان نامه ترابرد کوانتومی در دو ساختار گرافینی بالیستیک مطالعه می شود. ابتدا به بررسی اتصالات نامتجانس نرمال-ابررسانا-نرمال گرافینی می پردازیم. همدوسی ابررسانایی باعث می شود در فرود الکترون از ناحیه نرمال اول به مرز اتصال با ابررسانا، علاوه بر پراکندگی (ترابرد) به صورت الکترون به ناحیه نرمال دوم (تونل زنی الکترونی)بازتاب ضربی اندریو (پراکندگی به صورت حفره به ناحیه نرمال دوم) نیز صورت بگیرد. در سیستم های پخشی متداول غیر گرافینی، دامنه تونل زنی الکترونی با دامنه بازتاب ضربی اندریو برابر است. از طرفی در یک گرافین خالص، که در آن انرژی فرمی در نقاط دیراک قرار دارد، رفتار ترابردی شبه پخشی برای حامل های بار مشاهده می شود. ما با در نظر گرفتن لایه های نازک گرافین خالص در ساختار نرمال-ابررسانا-نرمال گرافینی نشان داده ایم که در این ساختار، دامنه بازتاب ضربی اندریو با دامنه تونل زنی مستقیم الکترونی برابر است که این نتیجه تاییدی دیگر بر ترابرد الکترونی شبه پخشی در نقاط دیراک است. در قسمت دوم پایاننامه به شبیه سازی عددی ساختار ترانزیستور اثر میدانی بر روی نانونوار گرافینی بر اساس فرمول بندی توابع گرین غیر تعادلی پرداخته ایم. ابتدا ترانزیستور با ساختار را که حامل های بار در نواحی سورس، درین ( ) و کانال ( ) ترانزیستور، از نوع الکترونی هستند را مدل کرده جریان حالت روشن با پارامترهای مختلف طول کانال و مقدار ناخالصی الکترودهای سورس و درین را به دست آورده ایم (علامت به معنی ناخالصی زیاد است). در ادامه ساختار را که در آن حامل های بار نواحی سورس و درین ( ) از نوع حفره ای هستند، بررسی کرده جریان کانال را مطالعه کرده ایم. این ساختار بر اساس تونل زنی حامل ها ی الکترودهای نوع از مان کانال نوع کار می کند. به خاطر تقارن نوار انرژی رسانش و ظرفیت در گرافین، تونل زنی بین-نواری به راحتی صورت گرفته جریان خروجی بزرگی از مرتبه جریان ساختار (میکروآمپر) به دست می دهد. همچنین در این ساختار، اثرات گسستگی ترازهای انرژی در کانال محدود شده توسط سدهای در محل اتصال با سورس و درین، باعث تونل زنی تشدیدی از میان کانال می شود و جریان نوسان کننده با ولتاژ گیت اعمالی به دست می دهد. این نوسان ها نواحیی با رسانش دیفرانسیلی منفی که اساس کار الکترونیک بسامد بالا است فراهم می کند.

در این پایان نامه چرخش ذرات دوشکستی واتریت توسط انبرک نوری بررسی می شود. انبرک نوری یک باریکه ی لیزر است که توسط یک شیئی با دهانه‎ی عددی بالا کانونی شده است. باریکه ی نور می تواند تکانه ی زاویه ای حمل کند که از انتقال این تکانه ی زاویه ای از نور به ذره ی زیرمیکرونی، گشتاور زاویه ای به ذره اعمال شده و ذره می تواند بچرخد این پایان نامه در دو بخش کلی نوشته شده است. در بخش اول ابتدا 1- تاثیر افزایش عمق تله اندازی 2- تاثیر افزایش توان لیزر 3- تاثیر جهت گیری ذره ی نامتقارن در تله 4- تاثیر تغییر روغن غوطه وری میکروسکوپ 5- تاثیر قرار گرفتن نانوذرات طلا روی سطح واتریت بر فرکانس چرخش ذره به صورت تجربی محاسبه می شود در بخش دوم از ذره ی چرخنده به عنوان مخلوط کننده ی میکرونی در مبحث میکروشاره ها استفاده می شود به این ترتیب که دو سیال آب و جوهر در یک میکروکانال t شکل به جریان واداشته می شوند و با چرخاندن ذره در مرز مشترک نمایه ی آب و جوهر فرآیند مخلوط شدن تسریع می شود

امروزه انبرک نوری دو دهه بعد از اختراع، به عنوان ابزاری جایگزین نشدنی در بسیاری از شاخه های علوم همچون فیزیک، شیمی، زیست شناسی و علوم نانو در آمده است. شناخت کامل مشخصات تله ی نوری و سیستم آشکارسازی آن، جهت بهینه سازی انبرک نوری، نقشی حیاتی دارند. در سایه ی چنین بهینه سازی هایی، اعمال و اندازه گیری نیرو در بازه ی پیکونیوتن همراه با اندازه گیری مکان ذره ی تله شده با دقت نانومتر، عملی خواهد بود. قسمت اول این پایان نامه (فصل های ? و ?) بعد از ارایه ی مروری کلی بر سیستم تله اندازی نوری، به بررسی برخی از مشخصه های تله ی نوری (به طور نظری و تجربی) هم چون: تاثیر گشودگی عددی عدسی شیئی بر بازدهی تله ی نوری و ناهمسانگردی ثابت سختی عرضی تله ی نوری که ناشی از قطبش باریکه ی لیزر، به واسطه ی کانونی شدن از طریق عدسی شیئی با گشودگی عددی بالا است، می پردازد. یکی از قسمت های اصلی این پایان نامه (فصل های ?و ?) به نحوه ی استفاده از روش تداخل سنجی از الگوی شدت ناشی از تداخل نور پراکنده شده و نشده از ذره ی تله شده در صفحه ی کانون پشتی عدسی چگالنده، جهت آشکار سازی سه بعدی موقعیت ذره ی تله شده با دقت نانومتر متمرکز شده است. بررسی نظری و تجربی برخی از خصوصیات این سیستم آشکارسازی و استفاده از این خصوصیات جهت افزایش عرض ناحیه ی خطی سیستم آشکارسازی و پیشنهاد فوتودیود هشت تایی جدید و اعمال این روش برای کالیبراسیون تله های چندتایی، از جمله فرآوری های این مطالعه است. قسمت آخر پایان نامه (فصل ?) روش تلفیقی ما برای میکروسکپی میدان تاریک با انبرک نوری، بر اساس استفاده از آشکارسازی نور پس پراکنده از ذره ی تله شده را نشان می دهد. استفاده از این انبرک نوری میدان تاریک یک انتخاب منحصر به فرد جهت کار با نانوذرات و نمونه های زیستی خواهد بود.

در سال های اخیر، شاهد بروز تحولی شگرف در بیوشیمی و زیست شناسی ساختاری هستیم که منشأ آن ایجاد رشته ای جدید در علم است که اغلب تحت عنوان بیوشیمی یا زیست شناسی تک مولکول شناخته می شود. از جمله فنونی که امکان چنین مطالعه ای را فراهم می کند، استفاده از ابزاری به نام انبرک نوری است که می توان پیشرفت های قابل ملاحظه در فهم دقیق تر فرآیندهای مولکولی درون سلولی و اتفاقاتی که در فرآیندهایی همچون رونویسی، همانندسازی و ترجمه رخ می دهند را به آن نسبت داد. بررسی خواص فیزیکی، همچون خاصیت کشسانی در نیروهای بالا در ماکرومولکول هایی مثل dna از جمله قابلیت های منحصر به فرد این ابزار است. در این پروژه خواص فیزیکی ژنوم فاژ لامبدا با استفاده از انبرک نوری بررسی شده است. ابتدا ?-dna با 48000 جفت باز و طولی حدود 16 میکرومتر در دو انتها توسط دو ترکیب بیوتین و دیجاکسیجنین نشان دار و سپس به گلوله های پوشیده شده با آنتی بادی آنتی دیگاکسیجنین و استرپتاویدین متصل شد. در نهایت ویژگی کشسانی dna با اعمال نیروی کششی توسط باریکه لیزر انبرک نوری مورد بررسی قرار گرفت. نتایج حاصل از کشش dna مذکور بسته به روش نشان دار کردن، متفاوت بود. برای dna نشان دار شده با بیوتین و دیگاکسیجنین کشش تا نیروی 10پیکونیوتن و برای dna نشان دار شده با بیوتین در هر دو انتها کشش تا 55 پیکونیوتن با موفقیت انجام شد.

تله ی نوری عبارت است از یک باریکه ی لیزر که توسط عدسی شیئی با گشودگی عددی بالا، شدیداً کانونی شده و قابلیت تله اندازی ذرات کلوییدی را فراهم می کند. روند رو به تکامل انبرک نوری در سال های اخیر (در بهینه شدن تله اندازی و ترکیب آن با تکنیک های میکروسکوپی) کاربردهای متنوع و وسیعی را برای این وسیله به همراه داشته است. یکی از زمینه های کاربردی عمده انبرک نوری نیروسنجی نمونه هایی در ابعاد نانومتری ( و میکرومتری) همانند dna و سلول های زیستی است. نگاشت پتانسیل تله نوری برای این نوع کاربردها بسیار ضروری است. در حالت کلی این پتانسیل همانند یک فنر عمل کرده و برای بدست آوردن ضریب سختی تله، از روش طیف توان استفاده می شود. مشاهدات تجربی ارائه شده در این پایان نامه، نشان می دهد که سختی تله در راستای محور برای جابجایی های مختلف (حتی ?? نانومتری محل تعادل) ذره در تله ثابت نیست و در بعضی موارد به طور قابل توجهی تغییر می کند. لذا نتایج به دست آمده از روش طیف توان تنها برای جابجایی های محدودی، که به آن ناحیه خطی نیرو گفته می شود، صادق است. استفاده از این نتایج برای جابجایی های بزرگ تر موجب کم انگاری در اندازه گیری نیرو به بزرگی ??? درصد خواهد شد. ما همچنین وابستگی ناحیه خطی نیرو به اندازه ذره را بررسی کرده و نتایج را در قالب یک الگوی کلی برای انتخاب مناسب ذره برای کاربردهای نیروسنجی در راستای محور ارائه نموده ایم.

برای تولید نانوبلور های سولفید روی از روش تابش دهی ریزموج در فاز محلول و در حضور سه مرکاپتوپروپایونیک اسید 3-mpa، به عنوان عامل پوششی استفاده شد. فرایند تولید با استفاده از دو پیش ماده ی کلرید روی و سدیم سولفید انجام شد. نانوذرات با ریخت کروی شکل گرفته و به صورت نانوانبوهه هایی تجمع یافتند. با تغییر غلظت عامل پوششی، مقدار بهینه ی عامل پوششی برای شکل گیری نانوذرات کروی که به صورت همگنی پراکنده شده،0.1 ml از عامل پوششی د 40 cc از محلول اولیه به دست آمد. نانوذرات به دست آمده تحت آنالیز پرتو $ x $ قرار گرفتند و میانگین اندازه ای بین $ 29 nm $ تا $ 39 nm $ برای آن ها تخمین زده شد. تصاویر sem تهیه شده اندازه ای بین 20 nm تا 50 nm برای نانوذرات تهیه شده نشان می دهند. مطالعات نوری با استفاده از طیف سنجی uv-vis انجام شد و اندازه ی ذرات و گاف انرژی نانوذرات محاسبه شد که گاف انرژی مستقیمی بین 4.24 ev تا 4.33 ev برای نانوذرات به دست آمد. جابه جایی به سمت طول موج آبی برای نانوذرات تولید شده نسبت به حالت حجیم ماده و نیز برای غلظت های مختلف عامل پوششی نسبت به غلظت کم تر، ناشی از اثر محبوس شدگی کوانتومی، مشاهده شد.

وقتی قسمتی از یک باریکه تکفام همدوس در اثر بازتاب از یک پله فازی و یا عبور از یک محیط فازی دچار تغییر ناگهانی در فاز شود، پراش فرنل مشاهده می شود. در این رساله پراش فرنل از پله های فازی متغیر مورد بررسی قرار گرفته و توزیع شدت مربوط به آن استخراج شده است. نمایانی فریزهای پراش در مطالعه خواص اپتیکی محیط، مانند ضریب شکست بکار برده شده است و ضرایب شکست جامدات و مایعات با دقت نسبی ??^(-?) اندازه گیری شده است. همچنین پراش فرنل از پله های فازی برای مطالعه تغییرات فاز در محیط، که می تواند به دلایل مختلفی مثل حضور گرادیان دما، گرادیان غلظت و تغییرات ضریب شکست در محیط بوجود آید، بکار برده شده است. نتایج بدست آمده به طور تجربی در اندازه گیری ضریب پخش مایع در مایع بکار برده شده است. از دو روش برای بدست آوردن تغییرات فاز در محیطی با گرادیان ضریب شکست استفاده شده است. در روش اول یک تیغه فازی و در روش دوم یک گوه فازی جهت ایجاد نقش پراش فرنل بکار برده شده است. تغییرات فاز از روی توزیع شدت در نقش پراش فرنل تعیین شده است، و از روی آن نمایه ضریب شکست در محیط پخش و در نهایت ضریب پخش بدست آمده است. همچنین بطور نظری نشان داده شده است که پراش فرنل علاوه بر اینکه در تغییرات ناگهانی دامنه و فاز جبهه موج مشاهده می شود، در صورت تغییر ناگهانی در مشتق فاز نیز قابل مشاهده است.

انبرک های نوری تله های نوری هستند که در آن ها با استفاده از لیزر، تله اندازی و دست کاری ذراتی در ابعاد نانو متر تا میکرومتر انجام می شود. برای این منظور نیروهایی در گستره ی100-10 پیکو نیوتن مورد نیاز است. در این روش فیزیک نیروهای نوری در اثر پراکندگی نور ایجاد شده از سطح ذرات مورد بررسی قرار می گیرد. باریکه ی نور لیزر به شدت کانونی شده ای برای تله اندازی ذرات مورد نظر استفاده می شود. در واقع تله اندازی در راستای محور نوری صورت می گیرد و ذره به نقطه ی کانونی باریکه منحصر می شود (انبرک نوری باریکه ی لیزری است که توسط یک عدسی شیئی میکروسکوپ با گشودگی عددی بالا کانونی شده است). به وسیله ی انبرک های نوری می توان ذراتی مانند: اتم ها، مولکول ها، سلول های بیولوژیکی، کره های کوچک دی الکتریک و حتی ذره های فلزی را تله اندازی و دست کاری کرد. ذره ها در ابعاد میکرونی به وسیله ی لیزر موج پیوسته ای که طول موج آن در ناحیه ی جذب ذره قرار ندارد شتاب می-گیرند و در یک چاه پتانسیل نوری پایدار در اثر فشار تابش به تله می افتند. با توجه به کاربردهای مختلف انبرک های نوری در پزشکی، فیزیک، شیمی و ... در این پایان نامه ضمن ایجاد یک انبرک نوری تک باریکه، ابزار و قطعات به کار رفته در آن و تله اندازی ذره 09/3 میکرونی مورد مطالعه قرار می گیرد. هم چنین جهت بهینه سازی تله اندازی، عوامل موثر در افزایش پایداری به طور کیفی مورد بررسی قرار می گیرد. براساس نتایج تجربی و نظری هرچه پایداری در قطعات به کار رفته بیش تر باشد، تله اندازی پایدار تر خواهد بود.

گلبول های قرمز خون (اریتروسیت ها) سلول هایی با قطر متوسط 8 میکرومتر، ضخامت 3-2 میکرومتر و حجم 90 فمتولیتر هستند. شکل مقعر دو طرفه همراه با انعطاف پذیری غشای آن ها، به گونه ای است که در طی عمر4 ماهه اش که حدود یک میلیون بار در سیستم گردش خون گردش می کند بتواند تغییر شکل های بزرگ برگشت‎پذیر‎ ‎ ‎‎ را در عین حفظ یکپارچگی ساختاری خود، تحمل کند. هدف از این پژوهش بررسی خواص کشسانی بسیار جالب گلبول قرمز است. گلبول های قرمز پس از جداسازی از خون، با بافر نمکی فسفات (که حاوی آلبومین سرم گاو است) و میکروکره انکوبه شدند. با تزریق نمونه در یک محفظه ی آزمایش، یک گلبول قرمز انتخاب کرده به یک میکروکره چسبانده و سپس با استفاده از انبرک نوری دنباله ای از جنس غشا از سلول بیرون کشیده شد. در این بررسی سختی گلبول قرمز با بیرون کشیدن دنباله n/m µ 184/0 به دست آمد در حالی که در بررسی های پیشین که توسط گلت و همکارانشان با انبرک نوری انجام شده بود سختی گلبول قرمز با تغییر قطر آن n/mµ 5/2، در روش میکروپیپت این عددn/m µ 10-4 و مطالعه یی که یانجی و همکارانش انجام داده بودند سختی غشای گلبول قرمز n/m 3-10 ×72/3 حاصل شده بود. همچنین با اندازه-گیری میزان نیروی لازم برای شکل گیری این دنباله از غشای سلول، مقدار نرم شدگی(?) غشا بعد از تشکیل دنباله تعیین گردید. میزان ? از میکروکره های نشاندار نشده 16/0 ± 6/0 به دست آمد. مقدار عددی ? نشان می دهد که در23 درصد از سلول های مورد آزمایش، پس از تشکیل دنباله، غشای این سلول ها 60 درصد نرمتر شده اند.

انبرک نوری ابزار جدیدی است که بر اساس برهم کنش نور و ماده کار می کند. این ابزار، امکان دست ورزی زمان- واقعی تک مولکول ها و تک سلول ها را به منظور اندازه گیری برهم کنش های بین آن ها را فراهم می کند. با استفاده از این تله ی نوری می توان ذرّات میکرونی و زیر میکرونی را به دام انداخته و سپس به آن ها نیرو وارد کرد. از آنجا که آگاهی دقیق از میانکنش های منحصر به فرد بین زیست مولکول ها برای فهم بهتر مکانیسم های پیچیده ی درون سلول های زنده ضروری است، توانایی انبرک نوری برای جابه جا کردن تک مولکول ها با دقّت نانومتر و اندازه گیری نیروهای وارد بر آن ها با دقّت فمتونیوتن، توأم با دقّت زمانی میکرو ثانیه، دریچه ی جدیدی برای مطالعات بیوفیزیکی به روی ما گشوده است. هدف این پژوهش، بررسی خواصّ کشسانی مولکول dna کوتاه، با و بدون وجودشکاف تک رشته ای است. یک قطعه ی 1500 جفت بازی از ژنوم انسانی (شامل ژن 5s rrna و نواحی اطراف آن) به کمک واکنش زنجیره ی پلیمراز و با استفاده از آغازگرهای نشان-دار شده در انتهای5’ تکثیر شد. سپس به هر یک از دو انتهای این مولکول یک میکروکره اتّصال داده شد و در نهایت در آزمایش کشش، با استفاده از انبرک نوری تا حدود 25 پیکونیوتن نیروی برشی بر این مولکول اعمال شد.

انبرک نوری ابزاری است که می توان بوسیله آن بدون تماس مکانیکی به دستکاری توسط ذرات میکرومتری و نانومتری پرداخت. در انبرک نوری باریکه لیزر با نمایه گاوسی (مد tem_00) توسط یک عدسی با گشودگی عددی بالا تا حد پراش کانونی می شود. توسط انبرک نوری می توان به ذرات نانومتری و میکرومتری نیروهای پیکو نیوتنی و کمتر از پیکونیوتن وارد کرد. این نیروها بصورت نیروهای گرادیانی و پراکندگی دسته بندی می شوند. به یک ذره در تله نوری در نزدیکی نقطه تعادل نیروی بازگرداننده مشابه نیروی هوک وارد می شود.قدرت این نیرو با ضریب سختی فنر معادل مشخص می شود. در این پایان نامه از روش لورنز-می تعمیم یافته برای محاسبه نیروهای اپتیکی وارد شده به ذرات میکرومتری و نانومتری کروی در تله انبرک نوری استفاده شده است. اثر ابیراهی کروی ناشی از اختلاف ضریب شکست در مسیر نوری باریکه در محاسبات لورنز-می تعمیم یافته وارد گردیده است. بعنوان اولین کاربرد، عدم تقارن سمتی برای ذرات پلی استایرین با استفاده از این روش محاسبه گردیده است. عدم تقارن سمتی وابستگی نیروهای اپتیکی به قطبش اولیه باریکه فرودی را نشان می دهد و به اندازه و جنس ذرات وابسته است. نتایج نظری با اندازه گیری های تجربی انجام شده در شرایط کمینه ابیراهی در گروه انبرک نوری دانشگاه تحصیلات تکمیلی زنجان مطابقت بسیار خوبی را نشان می دهند. بعنوان دومین کاربرد، تله اندازی هواویزها با این روش مورد مطالعه قرار گرفته است. برای بهینه سازی تله اندازی هواویزها اثر تعویض طول لوله مکانیکی عدسی شیئی بررسی شده است. این نتایج نیز با اندازه گیری های صورت گرفته در دانشگاه تحصیلات تکمیلی زنجان همخوانی خوبی دارند.

امکان اندازه گیری نیرو در بازه پیکو نیوتن و فمتو نیوتن با استفاده از انبرک نوری به حساسیت و دقت روش آشکارسازی مکان ذره وابسته است. یک روش مرسوم برای آشکارسازی مکان ذرات به تله افتاده، استفاده از نمایش آشکارسازی مکان رو به جلو (پیش رو) است که در آن فوتودیود چهارتایی در صفحه کانون پشتی عدسی چگالنده قرار می گیرد. برای جابجایی های کوچک اطراف محل تعادل ذره، یک رابطه خطی بین سیگنال آشکارساز و جابجایی ذره وجود دارد. با استفاده از این روش آشکارسازی، پهنای ناحیه خطی سیگنال آشکارساز نسبت به پهنای ناحیه خطی نمودار نیرو -جابجایی مقدار کمتری را بدست می دهد، به همین خاطر بازه ای که بتوان نیرو را دقیق محاسبه کرد، محدود می شود. هدف ما در این پایان نامه بهینه سازی سیستم آشکارسازی انبرک نوری است. برای این منظور چهار روش آشکارسازی پیشنهاد شده است. بررسی نظری این روش ها با استفاده از نظریه کامل الکترومغناطیس انجام شده و با نتایج تجربی مقایسه شده اند. روش اول استفاده از باریکه لیزر ثانوی برای آشکارسازی است. استفاده از این روش محدودیت اندازه گیری نیرو را در راستای جابجایی های عرضی ذره در تله نوری کاهش می دهد. روش دوم قراردادن آشکارساز در صفحه تصویر(صفحه همیوغ با صفحه شیئ) به جای صفحه کانون پشتی است. در این حالت برای ذرات بزرگتر از ? یا ? میکرون که معمولا در کاربرد های انبرک نوری استفاده می شوند، محدودیت اندازه گیری نیرو در راستای جابجایی های عرضی به طور کامل از بین می رود. روش سوم قراردادن میان بند (مانع) در صفحه کانون پشتی عدسی چگالنده است. این کار باعث افزایش ناحیه خطی سیستم آشکارساز برای جابجایی های هم راستا با محور باریکه لیزر می شود. نتایج نظری و تجربی بدست آمده با استفاده از این روش ها قابلیت انبرک نوری را به عنوان حسگر همزمان نیرو و مکان نشان می دهد. روش چهارم استفاده از میکروسکوپی میدان (زمینه) تاریک در ابزار انبرک نوری برای مشاهده نانو ذرات فلزی به تله افتاده است. از آنجایی که تحت این شرایط نمی توان از روش آشکارسازی مکان رو به جلو استفاده کرد از روش آشکارسازی رو به عقب (پس رو) برای آشکارسازی نانو ذرات فلزی به تله افتاده استفاده شده است. در نتیجه علاوه بر داشتن تصاویر نانو ذرات به تله افتاده با تباین بالا، آشکارسازی مکان آنها با دقت نانومتر انجام شده است. % بعلاوه در این پایان نامه به بررسی دینامیک حرکت گرمایی نانو سیم های سیلیکونی در دو تله نوری پرداخته ایم. نیروها و گشتاورهای وارد بر نانو سیم های سیلیکونی از طرف دو تله نوری را، به صورت تئوری با استفاده از نظریه کامل الکترومغناطیس و استفاده از روش تی-ماتریس محاسبه کرده ایم. همچنین بستگی آهنگ گذار کرامرز به طول نانو سیم های سیلیکونی و فاصله بین دو تله نوری نشان داده شده است. سازگاری نتایج تئوری بدست آمده با نتایج تجربی مشاهده شده است.

انبرک نوری، باریکه نور لیزر گاوسی کانونی شده ای است، که به ذرات کوچک تر از 100 میکرومتر نیرویی از مرتبه پیکونیوتن وارد می کند. آن چه که انبرک نوری را مورد توجه قرار داده است، توانایی آن در نگه داشتن و به تله انداختن ذرات مختلف است. ذرات زیستی، اتم ها، ذرات دی الکتریک با اشکال مختلف، نانو ذرات فلزی و ... توسط انبرک نوری به تله می افتند. چرخش ذرات به تله افتاده در اثر نیروهای نوری حایز اهمیت است. از این رو آزمایشی را که در دانشگاه کنستانز انجام شده است، مورد بررسی قرار می دهیم. در این آزمایش میکروکره ای شفاف که نیمی از آن با لایه های فلزی پوشیده شده است در انبرک نوری قرار می گیرد. ذره در شدت های پایین نور لیزر به دام می افتد. با افزایش شدت، ذره شروع به چرخیدن می کند. به کمک شبیه سازی، نیروی وارد بر میکروکره کلاه دار(که در انبرک نوری قرار گرفته است) را محاسبه کرده ایم. همچنین عمق تله اندازی ذره، که برای آزمایشگران پوشیده بوده است را به دست آورده ایم. میکروکره کلاه دار در عمق های بیش تر از 0.45 برابر شعاع کره به تله می افتد . ل می افتد

از زمان اختراع تله اپتیکی تک باریکه ای فرض شده است که نیرویی که توسط تله به ذره وارد می شود از قانون هوک پیروی می کند و چاه پتانسیلی که ذره در داخل تله تجربه می کند هماهنگ است، ولی شکل تابع پتانسیل در نواحی غیر مرکزی ناشناخته مانده است. با به کار گیری روشی جدید در این پایان نامه ذره را به لبه های چاه پتانسیل برده و بدین ترتیب شکل چاه پتانسیل را در نواحی غیر مرکزی به دست می آوریم.