Evanescent field-based optical force techniques for the manipulation of spherical and non-spherical nanoparticles

Abstract

Bu tez, sönümlenen dalgaların fiziksel mekanizmalarını ve optik kuvvetlerin nanoparçacık manipülasyonundaki etkinliğini teorik analizler ve simülasyonlar yoluyla incelemektedir. İki ve dört Gauss kaynağı kullanan sistemler, yenilikçi parçacık manipülasyonu için faz modülasyonu ile zenginleştirilmiş sönümlenen alanlar oluşturmak üzere kullanılmıştır. Asimetrik sönümlenen alanlara uyumluluğu, doğruluğu ve hesaplama verimliliği nedeniyle, optik kuvvet hesaplamalarında Ayrık Dipol Yaklaşımı (Discrete Dipole Approximation - DDA) yöntemi tercih edilmiştir. Tezin önemli bir odak noktası, faz modülasyonuna dayalı olarak tanımlanan ve değerlendirilen modüller —Holder, Centrifugal, Side-Puller ve Rotator— aracılığıyla parçacık hizalama, yer değiştirme ve ayrıştırma süreçleridir. Her bir modül, parçacık manipülasyonunda benzersiz avantajlar sunmuştur: Holder modülü, parçacıkları yüksek yoğunluk gradyanlarına sahip bölgelerde sabitlerken, Centrifugal modülü parçacıkları kanal kenarlarına yönlendirmiştir. Side-Puller modülü parçacıkları belirli bir yönde hareket ettirirken, Rotator modülü açısal hareketi kontrol etmiştir. Bu modüllerin bir arada kullanılması, kontrol mekanizmalarını geliştirerek daha verimli filtreleme sistemleri sağlamıştır. Tezde ayrıca sıvı akışı ile optik kuvvetlerin birleştirildiği senaryolar incelenmiş ve bu kombinasyonların partikül ayrıştırılmasındaki etkinliği değerlendirilmiştir. Farklı boyutlardaki küresel partiküllerin ayrıştırılması, optik ve sürükleme kuvvetlerinin dengesi üzerinden analiz edilmiştir. Küp ve küresel partikül hareketleri incelenerek geometrik farklılıkların optik kuvvetler üzerindeki etkisi gösterilmiş, ardından eşit hacimdeki küre ve elipsoidal partiküller üzerindeki çalışmalarla partikül geometrisinin ayrışma dinamikleri üzerindeki etkisi detaylandırılmıştır. Bu çalışma, optik kuvvetlerin nanopartikül manipülasyonunu nasıl optimize ettiğini ve sönümlenen dalgaların sunduğu benzersiz avantajlar sayesinde gelişmiş filtreleme ve kontrol mekanizmaları sağladığını ortaya koymaktadır. Önerilen faz modülasyon sistemleri ve DDA yöntemi, hem küresel hem de küresel olmayan nanopartiküllerin kontrolü ve ayrıştırılması için yenilikçi bir çerçeve sunmaktadır. Çalışmanın bulguları, biyoteknoloji, nanoteknoloji ve mikroskobik akışkan dinamiği gibi alanlarda optik kuvvet temelli uygulamaların geliştirilmesi için önemli bir potansiyel taşımaktadır.

This thesis examines the physical mechanisms of evanescent waves and the effectiveness of optical forces in nanoparticle manipulation through theoretical analysis and simulations. Systems with two and four Gaussian sources were used to generate evanescent fields, enriched through phase modulation for innovative particle manipulation. The Discrete Dipole Approximation (DDA) method, chosen for its accuracy and computational efficiency, was instrumental in studying non-spherical particles due to its adaptability to asymmetric evanescent fields. A major focus is the definition and evaluation of phase-modulated modules — Holder, Centrifugal, Side-Puller, and Rotator—for particle alignment, displacement, and separation. Each module offered unique advantages in particle manipulation; the Holder module stabilized particles in regions with high-intensity gradients, while the Centrifugal module directed particles outward to the channel edges. The Side-Puller module guided particles in a specific direction and the Rotator module controlled angular motion. Cascading these modules enhances control and enables efficient filtering mechanisms. The thesis also investigates scenarios combining fluid flow with optical forces, evaluating their effectiveness in particle separation. The separation of spherical particles of varying sizes was analyzed based on the balance between optical forces and drag forces. The study of cubic and spherical particle movements demonstrated how geometric differences influence optical forces. Subsequently, the examination of particles with equal volumes, such as spheres and ellipsoids, provided insights into how particle geometry affects separation dynamics. This study demonstrates that optical forces refine nanoparticle manipulation, enabling advanced filtering and control through the unique properties of evanescent waves. The proposed phase modulation schemes and the DDA method provide a novel framework for controlling and separating both spherical and non-spherical nanoparticles. The findings highlight the potential for developing optical force-based applications in fields such as biotechnology, nanotechnology, and microscopic fluid dynamics.