انبرک‌های نوری، ابزاری انقلابی در عرصه‌ی علم و فناوری به شمار می‌روند که امکان دستکاری غیرمکانیکی ذرات میکروسکوپی و نانوسکوپی را با استفاده از نیروی ناشی از نور متمرکز فراهم می‌آورند. این ابزارها، که بر پایه‌ی اصول اپتومکانیک بنا شده‌اند، کاربردهای گسترده‌ای در زمینه‌های مختلف از جمله زیست‌شناسی، فیزیک، و مهندسی مواد یافته‌اند. در زیست‌شناسی، انبرک‌های نوری به محققان این امکان را می‌دهند تا سلول‌ها، ویروس‌ها، و مولکول‌های زیستی را با دقت و ظرافت بی‌نظیری دستکاری کرده، خواص مکانیکی آن‌ها را مطالعه نموده و فرآیندهای زیستی را در سطح میکروسکوپی بررسی کنند. در فیزیک، این ابزارها برای به دام انداختن و مطالعه‌ی ذرات معلق، ساختارهای نانویی، و حتی اتم‌ها به کار می‌روند.

در سال‌های اخیر، تلاش‌های بسیاری برای کوچک‌سازی و یکپارچه‌سازی انبرک‌های نوری صورت گرفته است. انبرک‌های نوری یکپارچه، مزایای قابل توجهی نسبت به سیستم‌های حجیم سنتی ارائه می‌دهند، از جمله کاهش اندازه و هزینه، افزایش پایداری و قابلیت اطمینان، و امکان تولید انبوه. این مزایا، انبرک‌های نوری یکپارچه را به گزینه‌ای جذاب برای کاربردهای مختلف، به ویژه در دستگاه‌های قابل حمل و سیستم‌های تشخیصی تبدیل کرده است.

با وجود پیشرفت‌های قابل توجه در زمینه‌ی انبرک‌های نوری یکپارچه، محدودیت‌هایی نیز همچنان وجود دارد. یکی از صرف مهم‌ترین این محدودیت‌ها، فاصله‌ی کاری (standoff distance) کم انبرک‌های نوری یکپارچه است. در سیستم‌های قبلی، فاصله‌ی به دام انداختن ذرات معمولاً بسیار نزدیک به سطح تراشه بوده و این امر، کاربرد آن‌ها را در محیط‌های پیچیده‌تر و نمونه‌های حجیم‌تر محدود می‌کرد.

پیشرفت نوین: انبرک‌های نوری یکپارچه مبتنی بر آرایه‌های فازی نوری (OPA)

به تازگی، گروهی از محققان، رویکرد نوینی را برای طراحی و ساخت انبرک‌های نوری یکپارچه ارائه داده‌اند که به طور چشمگیری بر محدودیت فاصله‌ی کاری غلبه می‌کند. این رویکرد، بر پایه‌ی استفاده از آرایه‌های فازی نوری (Optical Phased Arrays – OPAs) یکپارچه استوار است. آرایه‌های فازی نوری، ساختارهای نانوفوتونیکی هستند که قادرند پرتوهای نوری را با دقت بالا و به صورت پویا شکل دهند و هدایت کنند.

در این پژوهش، محققان برای نخستین بار، از یک آرایه‌ی فازی نوری یکپارچه برای ایجاد انبرک‌های نوری استفاده کرده‌اند. این سیستم نوین، قادر است پرتو نوری متمرکزی را از تراشه ساطع کند که فاصله‌ی کانونی بسیار بیشتری نسبت به سیستم‌های قبلی دارد. نتایج این پژوهش نشان می‌دهد که فاصله‌ی کاری انبرک‌های نوری یکپارچه مبتنی بر OPA، بیش از دو مرتبه بزرگی بیشتر از نمونه‌های قبلی است. این افزایش چشمگیر در فاصله‌ی کاری، کاربردهای انبرک‌های نوری یکپارچه را به طور قابل توجهی گسترش می‌دهد.

اثبات عملی و نتایج کلیدی

محققان برای اثبات کارایی سیستم انبرک نوری مبتنی بر OPA، آزمایش‌های متعددی را انجام داده‌اند. آن‌ها با استفاده از یک آرایه‌ی فازی نوری یکپارچه با قابلیت تمرکز پرتو، موفق به به دام انداختن ذرات میکروسفری پلی‌استایرن در فاصله‌ی 5 میلی‌متری بالای سطح تراشه شده‌اند. این فاصله، در مقایسه با فاصله‌های کاری میکرومتری سیستم‌های قبلی، پیشرفت چشمگیری به شمار می‌رود.

نتایج آزمایش‌ها نشان داد که حرکت ذرات میکروسفری به دلیل نیروی انبرک نوری به طور قابل توجهی کاهش یافته است، که نشان‌دهنده‌ی به دام افتادن موفقیت‌آمیز ذرات است. برای کمی‌سازی عملکرد سیستم، محققان به کالیبراسیون انبرک نوری با استفاده از روش هم‌ترازی انرژی (equipartition method) پرداختند. این روش، یک روش استاندارد برای کالیبراسیون انبرک‌های نوری حجیم است. نتایج کالیبراسیون، پایداری انبرک نوری و رابطه‌ی خطی سختی انبرک با توان لیزر ورودی را نشان داد.

انبرک‌های نوری پویا و دستکاری دقیق ذرات

یکی از ویژگی‌های برجسته‌ی سیستم انبرک نوری مبتنی بر OPA، قابلیت هدایت غیرمکانیکی نقطه‌ی کانونی است. محققان با تغییر طول موج لیزر ورودی، موفق به هدایت نقطه‌ی کانونی و تبدیل سیستم از یک انبرک نوری ثابت به یک انبرک نوری پویا شده‌اند. این قابلیت، امکان دستکاری ذرات میکروسفری را در الگوهای یک‌بعدی با دقت بالا و در حد زیرمیکرون فراهم می‌آورد. این پیشرفت، راه را برای کاربردهای پیشرفته‌تر انبرک‌های نوری یکپارچه در زمینه‌هایی مانند مرتب‌سازی سلولی و ساختارهای میکروسیالی هموار می‌کند.

کاربرد زیستی: تغییر شکل کنترل‌شده‌ی سلول‌های لنفوبلاست موش

برای نشان دادن پتانسیل کاربردی سیستم انبرک نوری مبتنی بر OPA در زیست‌شناسی، محققان آزمایش‌هایی را بر روی سلول‌های لنفوبلاست موش انجام داده‌اند. آن‌ها با استفاده از انبرک‌های نوری OPA، موفق به تغییر شکل کنترل‌شده‌ی این سلول‌ها شده‌اند. این تکنیک، یک روش مهم در زیست‌شناسی سلولی است که برای مطالعه‌ی خواص مکانیکی سلول‌ها و بررسی مکانیسم‌های بیماری‌های مختلف به کار می‌رود. این آزمایش، نخستین نمونه‌ی موفقیت‌آمیز استفاده از انبرک‌های نوری یکپارچه تک‌پرتوی برای دستکاری سلول‌ها به شمار می‌رود.

مسیرهای پیش رو و فرصت‌های آینده

محققان در این پژوهش، به پتانسیل بالای سیستم انبرک نوری مبتنی بر OPA برای توسعه و بهبود بیشتر اشاره کرده‌اند. با توجه به قابلیت مقیاس‌پذیری و انعطاف‌پذیری طراحی پلتفرم ساخت مبتنی بر CMOS که برای تولید این انبرک‌های نوری به کار رفته است، فرصت‌های متعددی برای ارتقای عملکرد و افزودن قابلیت‌های جدید به سیستم وجود دارد.

بهبود عملکرد و کارایی

یکی از مسیرهای پیش رو، افزایش اندازه‌ی روزنه‌ی آرایه‌ی فازی نوری و استفاده از روش آپودیزاسیون برای بهینه‌سازی قدرت اغتشاش آنتن‌ها در OPA است. این تغییرات، منجر به کاهش قطر و افزایش تقارن نقطه‌ی کانونی خواهد شد، که به نوبه‌ی خود، سختی و یکنواختی انبرک نوری را بهبود می‌بخشد.

افزایش توان و محدوده‌ی نیروی انبرک

مسیر دیگر، استفاده از نیترید سیلیکون به عنوان ماده‌ی موج‌بر برای آرایه‌ی فازی نوری یکپارچه است. نیترید سیلیکون، در مقایسه با سیلیکون استاندارد، توان تحمل نوری بالاتری دارد و امکان استفاده از توان‌های نوری بیشتر را فراهم می‌سازد. این امر، منجر به تولید انبرک‌های نوری قدرتمندتری خواهد شد که در محدوده‌ی نیروی متفاوتی عمل می‌کنند و کاربردهای جدیدی را ممکن می‌سازند.

هدایت پرتو نوری در دو و سه بعد

محققان همچنین به توسعه‌ی معماری‌های نوین OPA با قابلیت تمرکز پرتو اشاره کرده‌اند که از مدولاتورهای الکترواپتیک یا ترمواپتیک برای هدایت غیرمکانیکی پرتو نوری در دو یا سه بعد استفاده می‌کنند. این معماری‌ها، نیاز به منابع لیزر قابل تنظیم را برطرف کرده و امکان کنترل دقیق‌تر و انعطاف‌پذیرتر پرتو نوری را فراهم می‌سازند.

الگوهای تابش هولوگرافیک پیشرفته

معماری‌های آینده‌ی OPA می‌توانند به گونه‌ای طراحی شوند که الگوهای تابش هولوگرافیک پیشرفته‌ی مورد نظر را رمزگذاری کنند. این قابلیت، امکان ایجاد آرایه‌هایی از انبرک‌های نوری با فاصله‌ی نزدیک به هم را برای کاربردهای به دام انداختن با توان عملیاتی بالا فراهم می‌سازد.

یکپارچه‌سازی موازی و کاربردهای توان عملیاتی بالا

با بهره‌گیری از ابعاد کوچک و چگالی یکپارچه‌سازی بالای پردازش CMOS، امکان یکپارچه‌سازی چندین انبرک نوری OPA به صورت موازی وجود دارد. این پیکربندی موازی، کاربردهای جدیدی را در زمینه‌هایی مانند مرتب‌سازی سلولی با توان عملیاتی بالا و ابزارهای تشخیصی باز می‌کند.

انبرک‌های نوری با قابلیت سنجش موقعیت

با استفاده از قابلیت‌های پیشرفته‌ی پردازش CMOS، می‌توان انبرک‌های نوری OPA را به صورت یکپارچه با آشکارسازهای ژرمانیوم (که به طور معمول در کیت‌های طراحی فرآیند فوتونیک سیلیکونی موجود هستند) ترکیب کرد. این ترکیب، منجر به ایجاد انبرک‌های نوری خواهد شد که به طور همزمان، موقعیت جسم به دام افتاده را با استفاده از انحراف پرتو به دام اندازنده اندازه‌گیری می‌کنند.

انبرک‌های نوری پوشیدنی برای کاربردهای درون‌تنی

با استفاده از فرآیند ساخت فوتونیک سیلیکونی ورقه‌ای انعطاف‌پذیر که اخیراً توسط این گروه پژوهشی توسعه یافته است، سیستم انبرک نوری OPA حتی می‌تواند به یک دستگاه تشخیصی پوشیدنی تبدیل شود. این پیشرفت، به حوزه‌ی نوظهور انبرک‌های نوری درون‌تنی (in-vivo optical trapping) کمک خواهد کرد و راه را برای کاربردهای جدید در تشخیص و درمان بیماری‌ها هموار می‌سازد.

نتیجه‌گیری و چشم‌انداز

این پژوهش، روش نوینی را برای انبرک‌های نوری یکپارچه معرفی می‌کند که بر پایه‌ی آرایه‌های فازی نوری یکپارچه استوار است. این رویکرد، امکان دستیابی به فاصله‌های کاری بسیار بیشتر و قابلیت‌های انبرک نوری فعال دلخواه را فراهم می‌سازد. فاصله‌های کانونی بزرگ حاصل از این روش، امکان دستکاری نمونه‌ها را در محیط‌های ساده‌تر و محفظه‌های نمونه‌ی استاندارد آزمایش‌های زیستی (و حتی پتانسیل کاوش در بدن برای کاربردهای درون‌تنی آینده) فراهم می‌سازد. این امر، نیاز به بسته‌بندی پیچیده‌ی میکروسیالی که جزء ضروری سیستم‌های انبرک نوری یکپارچه قبلی بوده است را از بین می‌برد.

رویکرد مبتنی بر OPA، مزایای انبرک‌های نوری یکپارچه از جمله هزینه کم، ابعاد کوچک، پیچیدگی کمتر، و قابلیت تولید انبوه را با بخش زیادی از قابلیت‌های سیستم‌های انبرک نوری حجیم ترکیب می‌کند. این پژوهش، گام مهمی در جهت بهبود کارایی و سازگاری انبرک‌های نوری یکپارچه برای تحقیقات زیستی به شمار می‌رود و پتانسیل باز کردن درهای جدیدی را به روی طیف گسترده‌ای از آزمایش‌هایی دارد که پیش از این با پیاده‌سازی‌های قبلی انبرک‌های نوری یکپارچه امکان‌پذیر نبوده‌اند. این کاربردها، شامل تحقیقات بیوفیزیک با مولکول‌های مزدوج میکروسفری، آزمایش‌ها و مرتب‌سازی تک‌سلولی، و تحقیقات نوظهور انبرک‌های نوری درون‌تنی می‌شود.

به طور خلاصه، این پژوهش، با ارائه‌ی یک روش نوین مبتنی بر آرایه‌های فازی نوری یکپارچه، گامی مهم در جهت توسعه‌ی انبرک‌های نوری یکپارچه برداشته است و پتانسیل بالایی برای ایجاد تحول در کاربردهای این ابزار قدرتمند در زمینه‌های مختلف، به ویژه در زیست‌شناسی و پزشکی دارد.

منبع :

Optical tweezing of microparticles and cells using silicon-photonics-based optical phased array