도넛 빔에 의한 광 집게의 포획 효율 향상

Abstract

도넛 빔에 의한 광 집게(optical tweezers)의 포획 효율을 가우스 빔의 경우와 비교 분석하였다. 도넛 빔은 가우스 빔을 hollow core fiber에 통과시켜 만들었다. 포획 입자로는 반경이 1, 1.5, 2.5, 5, 그리고 25μm인 폴리스틸렌(polystyrene) 유전체 구를 사용하였으며, 입자의 크기에 따른 포획 효율의 변화도 비교 분석하였다. 실험 결과, transverse trapping efficiency(TTE)는 입자의 크기에 무관하게 도넛 빔의 경우가 가우스 빔의 경우보다 낮았으며, 이는 Ashkin에 의해 예측된 결과와 일치함을 알 수 있었다. Hollow core fiber에 의해 완벽하고 균일한 도넛 빔을 만들기가 어려웠기 때문에 실험적으로 간편하고 유사 도넛 빔으로 취급할 수 있는 obstructed beam을 제안하였고, 이에 대한 axial trapping efficiency(ATE)를 가우스 빔의 경우와 비교 분석하였다. 그 결과, 반경 5μm 이하의 입자에서는 ATE가 포획 광의 단면 분포와 무관하였으나, 반경 5μm 이상의 입자에서는 obstructed beam의 ATE가 가우스 빔보다 높음을 확인하였다. 또한 반경 5μm 이상에서, 입자의 크기가 커질수록 obstruction에 의한 ATE 증가 효과가 더욱 커짐을 알 수 있었다. 이상에서 얻은 ATE의 변화 특성은 포획 광의 입사 각도와 광속의 세기에 민감하기 때문으로 예상된다. 이를 확인하기 위하여 obstructed beam의 초점 부근에서의 단면 분포와 초점 부근에서 가우스 광속의 전파 각도 변화를 계산하였으며, 이를 통해 실험 결과를 정성적으로 설명할 수 있었다.; We compared optical trapping efficiency of optical tweezers by a doughnut beam with that by a gaussian beam. The doughnut beam was made by using hollow core fiber. Polystyrene dielectric spheres with radii of 1, 1.5, 2.5, 5 and 25 μm were used as trapped particles in the experiment. We compared and analyzed optical trapping efficiencies with particle's radius. As an experimental result, transverse trapping efficiency(TTE) of gaussian beam was measured larger than the efficiency of doughnut beam regardless of particle's radius. The result matches well with Ashkin's expectation. Since it was difficult to make a perfect and uniform doughnut beam, we suggested a obstructed beam which is easier to make experimentally. And we compared axial trapping efficiency(ATE) by the obstructed beam with that by gaussian beam. As the result, ATE was irrespective to the cross sectional intensity distribution of trapping beam in the small particle size region(r≧ 5μm). But we confirmed the ATE of obstructed beam was larger than the gaussian beam in the large particle size region(r≧ 5μm). The enhancement factor of ATE by the obstructed beam became larger as the particle size increased. We expected that the change of ATE was due to the changes in maximum incident angle and intensity profile. To confirm that, we computed the changes of the cross sectional intensity distribution and the incident angle near the focal point of obstructed beam, by which we are able to explain qualitatively the experimental results.