Bir lazer demetinde mikroskopik partikül kapanlanması
fenomenini, ilk kez 1970 yılında Bell Telephone Laboratories'ten (ABD) Arthur
Ashkin tanımlamış ve ışık basıncının mikroskala objelerdeki etkilerini
incelemiştir. Daha sonra Ashkin ve arkadaşları, alglerin (yosun) canlı
hücrelerinde virüs partikülleri, bireysel bakteri ve maya hücreleri ve
organeller gibi farklı biyolojik objeleriyakalamak, tutmak ve taşımak için
infraredi bir lazere dayanan optik bir kapan kapasitesini ortaya koydu. Optik kapana
yakalanan hücreler bölünmeye devam etti ve bu da bir infrared lazerin biyolojik
objelere zarar vermediğini kanıtladı. Sonunda, Ashkin'in arkadaşlarından Steven
Chu, ‘atomların optik bir kapanla kapanlanması ve soğutulması’ çalışmasıyla
1997'de fizikte Nobel ödülünü aldı.
Lazer cımbızda, gelen ışığın dalga boyundan daha büyük
optikçe transparan mikropartiküller (örneğin, 1 mikron çapındaki polistiren
veya lateks bilyeler veya canlı hücreler) bir lazer demeti aynı anda yansıtır
ve kırar. Sonuç, Newton'un ikinci hareket kanunu konusundaki ‘kuvvetler’dir; partikülleri
ışık kaynağından iter ve aynı anda onları başlangıç konumuna geri döndürür. Bir
partikül bir lazer demetinin odak noktasına yerleştirildiğinde, bu kuvvetler
dengelenir ve partikül kapanlanır. Partikülün bu konumdan kayması, partikülü
geri döndüren bir başka kuvvetle sonuçlanır.
Lazerin dalga boyundan daha küçük dielektrik partiküller de
yüksek seviyede odaklanmış bir lazer demetinde kapanlanabilir. Bunların
davranışı elektromagnetik teoriyle açıklanabilir. Dielektrik partiküller, bir
lazer demetinin homojen olmayan elektrik alanında polarize olurlar ve alanın en
şiddetli olduğu demet eksenine doğru hareker ederler.
Ashkin'in keşfi, mikroskala objelerin optik manipülasyonuyla
ilgili bir çalışma kolunun geliştirilmesini ve aynı zamanda yeni optik
kapanları geliştirmeyi gerektiriyordu. Günümüzde optik kapanlar ve cımbızlar
bir veya daha fazla lazer ve akusto-optik dönüştürücüler kullanmaktadır;
bunlar, sabit ve hareketli kapanşar yaratmaya ve aynı anda birden fazla obje
ile çalışmaya yardımcı olur. Bu enstrümanlar, miyozin ve kinesin gibi bir
moleküler motorun tek bir molekülünün ürettiği kuvveti ve hareket sırasında bu
tür moleküllerin yaptığı elementer basamakları ölçmeyi mümkün kılar. Tek
atomlar da dahil olmak üzere mikron altı nesneleri idare etme ve picoNewton
kuvvetleri ve nanometre mekansal kaymaları ölçme özelliği, optik cımbızı
nanoteknolojinin temel enstrümanlarından biri olmasını sağlar.
Bir kolloid partikülü ‘yakalamak’ için lazer kapanı, şiddetli
odaklanmış bir lazer demeti kullanır. Işık şiddeti gradyanı, partikülü odak bel
(orta kısım) alanına sürüklerken, hafif basınç optik eksen boyunca iter.
Gradient kuvveti egemen olduğunda, partikül odak noktası alanında ‘kapanlanır’,
aksi halde optik eksen boyunca hareket eder
