Researches on optically-induced manipulation of micron-sized dielectric particles with fiber optic bessel beam

국문 초록 (Abstract)

집광된 레이저 빔을 사용하여 현미경으로 볼 수 있는 작은 물체를 포획하는 Optical tweezer 연구는 1986년 Auther Ashkin의 연구를 시작으로 많이 발전되어 왔다. 기존의 관련 연구에서는 Bulk optical system을 구성하여 마이크로 입자를 한 위치에 광포획하는 것이 주를 이루었다. 본 논문에서는 fiber optical system을 구성하여 입자를 포획하는 것뿐만 아니라 실험셋업의 이동없이 입자를 이동시키는 새로운 Optical trapping연구를 진행하였다.
마이크로 입자를 광학적으로 포획하고 이동시키는데 필요한 빔을 발생시키기 위해 먼저 시뮬레이션 결과를 바탕으로 광섬유소자를 제작하였다. 광섬유소자를 통해 발생하는 베셀빔 (Bessel beam)은 비회절 구간이 매우 길고, 빔이 왜곡되어도 자가회복되는 self-reconstruction 성질이 있기 때문에 마이크로 입자를 광학적으로 다루는 데에 매우 적합하다.
마이크로 입자를 광포획하는 실험은 마이크로 채널을 갖는 PDMS chamber를 제작하여 Lab on a chip system을 구성하여 수행하였다. 반대방향의 두 힘을 마이크로 입자에 가하여 두 힘이 평형을 이루는 지점에서 입자가 포획되는 것을 확인하였다.
베셀빔으로 광학경로를 구성하여 마이크로 입자를 이동시키는 연구 또한 수행되었다. 본 연구에서 가장 중요한 요소는 두 베셀빔이 이루는 교차점에서의 입자의 방향전환(turning)이며, 90가 넘는 각도의 교차점에서도 입자의 방향전환에 성공하였다. 이를 바탕으로 다양한 광학경로를 구성하여 입자를 우리가 원하는 어떠한 경로를 통해서도 이동시킬 수 있음을 확인하였다. 마지막으로 삼각형모양의 폐회로 형태의 광학경로를 구성하여 입자를 폐회로 경로를 따라 계속해서 순환시키는 데에도 성공하였다.
본 연구는 생체 내에서 세포를 광학적으로 포획하거나 약물분자를 특정 세포에 주입시키는 등 다양한 생물학 분야에 활용될 것으로 예상된다.

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

The research of optical tweezer which is scientific instrument that uses a highly focused laser beam to trap micron sized particles has widely developed since Arthur Ashkin pioneered the optical trapping process. In the existing related researches, optical trapping of a micro-particle at the fixed position is mainly discussed. In this thesis, we report a new type of optical trapping research which is not only to trap at a fixed position but also transport micron sized particles without moving the experimental set-up by constituting the fiber optical system.
We fabricated the fiber device based on the simulation results to generate a diffraction-free beam for optical trap and transportation of micro particles. Bessel beam which is generated through the fiber device has non-diffraction and self-reconstruction properties. So it is well suited for optical manipulation of the particles.
Optical trap experiment is conducted with the micro-channel PDMS chamber by constituting the Lab on a chip system. By applying two forces of opposite direction, the particle is optically trapped at the position in equilibrium of two forces.
Optical transportation research is also conducted by constructing the optical route formed by Bessel beam. We could make the particle turns at the intersections of acute angles, right angles and even obtuse angles in the optical route. Based on this experiment, we achieved the transportation of the particles along the any optical routes we want. We also successfully demonstrated that the particle keeps circulating along the triangular shaped closed optical route.
These researches are expected to open many applications in nano-bio science such as optical trap of cells of living body and injection of the medicine molecules to specific cells.