Evanescent field-based optical force techniques for the manipulation of spherical and non-spherical nanoparticles
Küresel ve küresel olmayan nanopartiküllerin manipülasyonu için sönümlenen alan tabanlı optik kuvvet teknikleri
- Tez No: 920396
- Danışmanlar: PROF. DR. MEHMET SALİH DİNLEYİCİ
- Tez Türü: Doktora
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2024
- Dil: İngilizce
- Üniversite: İzmir Yüksek Teknoloji Enstitüsü
- Enstitü: Mühendislik ve Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 120
Özet
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.
Özet (Çeviri)
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.
Benzer Tezler
- Intelligent design of intensity modulated fiber optic sensors using different fiber structures
Yoğunluk modülasyonlu fiber optik sensörlerin farklı fiber yapılar kullanarak akıllı tasarımı
HASAN SEÇKİN EFENDİOĞLU
Doktora
İngilizce
2014
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiYıldız Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. TÜLAY YILDIRIM
- Fiber optik manyetik sensörlerle algılama
Sensing with fiber optic magnetic sensors
ÖMER GALİP SARAÇOĞLU
Yüksek Lisans
Türkçe
1995
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiErciyes ÜniversitesiElektronik Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. SEDAT ÖZSOY
- Linear cavity tapered fiber sensor using phase shift cavity ring down spectroscopy
Evre kaydırmalı çınlaç boşalım izgegözlem yöntemi ve sündürülmüş optik lif temelli doğrusal çınlaç algılayıcısı
RANA MUHAMMAD ARMAGHAN AYAZ
Doktora
İngilizce
2020
BiyomühendislikKoç ÜniversitesiBiyomedikal Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
Prof. Dr. ALPER KİRAZ
- Endüstriyel atık sularda fiber optik yöntemle pH algılanmasının teorik ve deneysel analizi
Theoretical and experimental analysis of pH sensing with fiber optic method in industrial wastewater
ÖMER GALİP SARAÇOĞLU
Doktora
Türkçe
1999
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiErciyes ÜniversitesiElektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. SEDAT ÖZSOY
- Development of D-type fiber optic sensors for detection of refractive index variation in evanescent wave field
Evanescent dalga alanı içerisinde kırılma indisi değişiminin ölçümü için D-tipi fiber optik algılayıcıların geliştirilmesi
BURCU GÜLERYÜZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2014
Mühendislik BilimleriOrta Doğu Teknik ÜniversitesiMetalurji ve Malzeme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. CANER DURUCAN
DR. MUSTAFA ASLAN