Pinze ottiche (optical tweezers)
Principi di funzionamento
Descrizione dell’esperimento proposto
Cosa sono le pinze 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?
• La luce (fotoni) porta con sè una quantità di moto:

p
h

• 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.
 
dp
F
dt
Forza 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 rifrazione
Forza di riflessione
• Ci sarà sempre anche una
forza dovuta alla riflessione
• Questa spingerà la sfera
lontano dal fuoco
• La forza di rifrazione deve
superare la forza di riflessione
per intrappolare la sfera
Trappola a doppio fascio
• Si possono usare 2 laser
per intrappolare una sfera
• Le forze di riflessione
si cancellano
L’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’esperimento
• Misura della costante elastica della trappola
(teorema di equipartizione dell’energia)
1
1
2
k x  x   K BT
2
2
pattern
matching
L’esperimento
Spring constant (N/m) 10-7
Spostamento (m)
• Misura della costante elastica della trappola per
diversi valori della potenza del laser
0.0
-0.1
-0.05
0.00
Spostamento (m)
0.05
2
1
50
100
150
Laser power (mW)
L’esperimento
• Verifica della legge di Stokes
F  6  r v
F v
• 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
Spostamento
Forza
L’esperimento
Assenza di
flusso
0
Spostamento
Forza
Tempo
0
0
Velocità
Velocità
limite
L’esperimento
• Le pinze ottiche nella ricerca scientifica