YSO Student Chapter

Proudly concluding 2025 and full of new goals and ambitions stepping into 2026! Happy New Year 🥂

Optica
SPIE, the international society for optics and photonics
ԵՊՀ - Yerevan State University

Ներածություն․ ի՞նչ է օպտիկական պինցետը

Օպտիկական պինցետները (նկ. 1) 21-րդ դարում լայն տարածում գտած սարքեր են, որոնք ի վիճակի են աշխատել շատ մանր օբյեկտների հետ: Դրանք օգտագործվում են բժշկության, սպեկտրոսկոպիայի, կենսաբանության և նյութագիտության
ոլորտներում։ Օպտիկական պինցետներն այսօրվա տեխնոլոգիական առաջընթացի անբաժանելի մասն են կազմում։ Բայց պետք չէ պինցետ բառը խառնել այն մետաղյա
գործիքի հետ, որը իր ձեռքում է պահել նկարի միջի կատուն (նկ. 2)։

Միկրոմետրերի չափեր ունեցող մասնիկների օպտիկական ցրումը և գրադիենտային ուժերի հայտնաբերումն առաջին անգամ բացահայտվել է 1970 թվականին Bell Labs-ում աշխատող գիտնական Արթուր Աշկինի կողմից: Տարիներ անց
Աշկինը և իր գործընկերները հաղորդեցին մի դիտարկման մասին, որն այսօր կոչվում է օպտիկական պինցետ (optical tweezer). լույսի խիստ ֆոկուսավորված ճառագայթը, որն
ունակ է եռաչափ տարածությունում միկրոսկոպիկ մասնիկները պահել հավասարակշռության մեջ: 2018 թվականին Աշկինը այս նվաճման համար արժանացավ Ֆիզիկայի Նոբելյան մրցանակի:
1986 թվականին տպագրված նրանց նշանակալից հոդվածի հեղինակներից մեկը՝ Սթիվեն Չուն, շարունակեց օգտագործել օպտիկական պինցետները չեզոք ատոմները սառեցնելու և թակարդելու իր աշխատանքում (https://en.wikipedia.org/wiki/Laser_cooling): Այս հետազոտության համար Չուն Ֆիզիկայի 1997 թվականի Նոբելյան մրցանակը կիսեց Կլոդ Կոհեն-Տաննուջիի և Ուիլյամ Դ. Ֆիլիպսի հետ:

Ֆիզիկական հիմունքները

Ամենահարմար մեթոդը, որ կարող ենք օգտագործել այս երևույթը բացատրելու համար՝ դիպոլի ներմուծումն է, որը երկու լիցքեր են ՝ q և -q, որոնք իրարից գտնվում են շատ փոքր l հեռավորության վրա (նկ. 3): Այստեղ մենք նաև պետք է գործ ունենանք Ռելեի ցրման հետ (https://en.wikipedia.org/wiki/Rayleigh_scattering), որը տեղի է ունենում, երբ լույսը միջավայրում տարածվելիս փոխում է ուղղությունը (ցրվում է)` դրանում գտնվող մասնիկների հետ փոխազդելիս։ Որպես օրինակ կարող ենք դիտարկել երկնքի կապույտ լինելու փաստը, ինչը պայմանավորված է նրանով, որ կապույտ գույնի լույսը ավելի լավ է ցրվում , քան կարմիրը։ Ցրումը ճշգրիտ նկարագրելու համար անհրաժեշտ է , որ մասնիկի չափերը շատ անգամ փոքր լինեն լույսի ալիքի երկարությունից։

Վերադառնանք պինցետներին․ երբ մասնիկը չի փոխում իրեն շրջապատող դաշտը և Ռելեի ցրման պայմանները բավարարված են (անհրաժեշտ է, որ մասնիկի չափերը
շատ անգամ փոքր լինեն լույսի ալիքի երկարությունից), այն կարող ենք դիտարկել որպես անհամասեռ էլեկտրական դաշտում տեղադրված դիպոլ։ Էլեկտրական դաշտում մասնիկները ենթարկվում են բևեռացման, որի չափը կախված
է տվյալ մասնիկի նյութի հատկություններից, ավելի կոնկրետ ՝ դիէլեկտրիկ թափանցելիությունից։
Այս ենթադրության շրջանակներում համարում ենք, որ դաշտը համասեռ է դիպոլի մերձակայքում։ Սակայն վերջինիս վրա ազդող ոչ մի ուժ էլ չէր լինի, եթե էլեկտրամագնիսական դաշտը, հետևաբար էներգիան լինեին լրիվ նույնը բոլոր կետերում։ Առհասարակ գիտական ոլորտում դաշտի փոփոխությունը
քանակապես նկարագրելու համար ներմուծում են գրադիենտ տերմինը, որը ցույց է տալիս դաշտում ամենաարագ փոփոխման ուղղությունը, որտեղ ձգտում է գնալ դաշտի մեջ տեղադրված մասնիկը:

Այսպիսով, մասնիկի վրա երկու ուժ է ազդում՝
1․ ցրման ուժը, որը առաջանում է ճառագայթումով պայմանավորված ճնշումով;
2․ գրադիենտային ուժը, որը մասնիկին տանում է դեպի փնջի ամենանեղ մասը։
Ինչպես գիտենք ֆիզիկայի դասընթացից, դիպոլը անհամասեռ դաշտում ձգտում է լինել այն տիրույթում, որտեղ էլեկտրական դաշտի լարվածությունը մեծագույնն է: Սա կարելի է համեմատել քամու հետ. այն մասերում, որտեղ օդը արագ է շարժվում, օդի ճնշումը ավելի է փոքր է: Պարզ է, որ մասնիկը լինելու է փոքր ճնշմամբ տիրույթում, քանի որ ճնշումներով ստեղծված համազորը հենց այդտեղ է ուղված:

Երբ մասնիկի տրամագիծը շատ ավելի մեծ է քան ալիքի երկարությունը, այս երևույթը կարող է բացատրվել երկրաչափական օպտիկայի տեսանկյունից։ Երբ մասնիկը
գտնվում է փնջի կենտրոնում (նկ. 4ա), ապա ճառագայթները սիմետրիկ են անցնում նրա միջով, որի արդյունքում մասնիկի վրա ոչ մի համազոր ուժ չի ազդում: Ենթադրենք, մասնիկը շեղվել է կենտրոնից (նկ. 4բ)։ Դիտարկենք լազերի 1 և ավելի ուժեղ 2
ճառագայթը, որոնք, մտնելով մասնիկի մեջ որևէ անկյան տակ, անդրադառնում են, և դուրս են գալիս սկզբնական դիրքի նկատմամբ շեղված անկյունով։ Քանի որ մտած և դուրս եկած անկյունների միջև կա տարբերություն, ապա ճառագայթների իմպուլսի ուղղությունը փոխվում է, հետևաբար համաձայն Նյուտոնի 3-րդ օրենքի, մասնիկի իմպուլսը փոփոխվում է նույն արժեքով, բայց հակառակ ուղղությամբ: Դրա արդյունքում առաջանում է համազոր ուժ, որն ուղղված է մասնիկի շեղմանը հակառակ, որի շնորհիվ մասնիկը կվերադառնա կենտրոն։

Բայց այս դեպքում մասնիկը միշտ կշարժվի առաջ։ Դրան խանգարելու համար օգտագործում են Գաուսյան փնջերը
(https://en.wikipedia.org/wiki/Gaussian_beam), որոնց ուժգնությունը տրվում է Գաուսյան ֆունկցիայով։ Այս դեպքում, երբ մասնիկը կենտրոնից առաջ գնա (նկ. 5), նրա վրա ազդող համազոր ուժը նրան հետ կվերադարձնի, քանի որ ավելի ուժեղ ճառագայթները կենտրոնի ուղղությամբ ավելի մեծ համազոր ուժ կառաջացնեն, քան թույլ ճառագայթները, որոնք կենտրոնից հեռացնող համազոր ուժ են առաջացնում։

Սարքավորման հիմնական բաղադրիչները, սարքի նկարագրությունը

Ամբողջ սարքը կառուցված է մեծ ինտենսիվությամբ լույս ստեղծելու և կառավարելու գաղափարի շուրջ (նկ. 6)։ Այս սարքը օգտագործում է շրջված մանրադիտակ (https://en.wikipedia.org/wiki/Inverted_microscope), որպեսզի
ֆոկուսացնի ինֆրակարմիր լույսի փունջը նմուշում, և քառաբաժան ֆոտոդիոդ դետեկտոր (QPD), որի շնորհիվ չափվում է այդ փնջի շեղվածությունը։ Բացի ինֆրակարմիր լույսից, սարքում օգտագործվում է նաև տեսանելի լույս, որի շնորհիվ կարողանում ենք տեսնել նմուշի պատկերը տեսախցիկով։
Ինֆրակարմիր լույսի ճանապարհը սկսվում է լազերից՝ այդ լույսի աղբյուրիրց։ Հետո այն անցնում է ոսպնյակով (1), որն այդ լույսը ընդարձակում է մինչև ~10 մմ կարգի տրամագծով փնջի, այնպես որ այն ամբողջությամբ մտնի օբյեկտիվի մեջ (3)։ Անդրադառնալով հայելիների համակարգից, որը ներառում է նաև դիխրոիկ հայելի (միայն կոկնրետ ալիքի երկարություն անդրադարձնող հայելի), լույսն անցնում է օբյեկտիվով։ Վերջինս ֆոկուսացնում է լույսը նմուշում՝ ստեղծելով օպտիկական թակարդ։ Մյուս օբյեկտիվը (4) լույսը կրկին վերածում է զուգահեռ փնջի և ուղղորդում վերև։ Անդրադառնալով դիխրոիկ հայելուց (5)՝ լույսն անցնում է հավաքող ոսպնյակով (6), որը ֆոկուսացնում է այն դետեկտորում։ Տեսանելի լույսը, առաքվելով LED-ից (8), անցնում է դիխրոիկ հայելու միջով (5), որից
հետո օբյեկտիվի (4) օգնությամբ ֆոկուսանում է նմուշում։ Թակարդի մոտակայքից թափանցված լույսը հավաքվում է օբյեկտիվով, և ոսպնյակի շնորհիվ մտնում տեսախցիկի մեջ՝ ստեղծելով պատկեր։

Ինֆրակարմիր լույսը կատարում է երկու դեր։ Այն թակարդում է մասնիկները կիզակետում և չափում է մասնիկների շարժումը թակարդի ներսում։ Եթե թակարդում մասնիկ չկա, ինֆրակարմիր լույսի փունջը կշարժվի օբյեկտիվի առանցքի երկայնքով և կֆոկուսանա դետեկտորի կենտրոնում։ Եթե լազերի ֆոկուսի մոտ մասնիկ կա, լույսը կանդրադառա և առանցքի նկատմամբ անկյան տակ կգնա, որը կբերի նրան, որ
ոսպնյակով (6) անցնելուց հետո կառաջանա դետեկտորի կենտրոնից շեղված բիծ։

Սահմանափակումներ և դժվարություններ

Չնայած այն հնարավորություններին, որ տալիս են օպտիկական պինցետները, հարկ ենք համարում նշել դրանց սահմանափակումները ու այն խոչընդոտները, որոնց հետ
բախվում են գիտնականներն ու ինժեներները՝
1. Լույսը շատ մեծ ուժ չի կարող կիրառել, այն զգալի փոքր է մեխանիկական հպումից առաջացող ուժից և մոտավորապես հավասար է դիտարկվող միկրոօրգանիզմի կշռին։ Լույսը չի “բռնում” մասնիկները, այն ուղղակի հավասարակշռում է մասնիկի վրա ազդող ուժերը։ Ուժը ազդում է մասնակի
չափսերի բավականին նեղ տիրույթում: Եթե այն շատ փոքր է՝ լույսը համարյա չի “զգում” մասնիկը, իսկ եթե շատ խոշոր է, ապա լույսը պարզապես դրան դուրս է գցում թակարդի տարածքից։
2. Լույսը շատ ջերմաքանակ է ստեղծում։ Լույսի թեկուզ թույլ կլանումը առաջացնում է լոկալ տաքացում, որը փոխում է շրջապատող հեղուկի մածուցիկությունը և կարող է վնասել կենդանի մանրէներին: Ստացվում է, որ ինչքան ուժեղ է թակարդը, այնքան մեծ է վտանգը, որ այն կքայքայի այն, ինչը
թակարդել է։
3. Մասնիկները ջերմային շարժում են կատարում, որը քաոսային է։ Նույնիսկ իդեալական թակարդում մասնիկը երբեք կանգ չի առնում, այլ պատահականորեն շարժվում է ու տատանվում։ Սա բնակաբար նվազեցնում է փորձի ճշգրտությունը։
4. Սարքերի չափման սխալ. Չափիչ սարքերը երբեք չեն կարող լինել կատարյալ։ Նրանց կառուցվածքը, նյութերը, չափման մեխանիզմը և արտաքին պայմանները առաջացնում են անխուսափելի շեղումներ։ Այս պատճառով լազերային փունջն
ունի իր թերությունները՝ լայնացում, աղմուկ, անկայունություն:
5. Բնական սահմանափակումներ. Գիտական փորձարկումների մեծ մասը սահմանափակված է փորձարկվող մարմինների սեփական հատկություններով, քանի որ դրանք կարող են վնասվել։
6. Անորոշություն. Ֆոտոնի վարքը չի կարող լիովին վերահսկվել կամ կանխատեսվել, քանի որ այն ենթարկվում է Հայզենբերգի անորոշության սկզբունքին, ըստ որի նրա իմպուլսը և կոորդինատը միշտ ունեն որևէ անորոշություն (տե՛ս ավելին՝
https://www.ysu.am/news/75602?fbclid=IwY2xjawOSbQ9leHRuA2FlbQIxMABicmlkET
FXNjJCYWh4clNZNTk2d2Npc3J0YwZhcHBfaWQQMjIyMDM5MTc4ODIwMDg5MgAB
HgVTSdPnDTuJw9yXRNbreQRoL7OrfqUwns2ckVVzWBG7VaN7O8VOSm2hrTmS_a
em_67JcUS199OcmwfefrGNOlw) ։

Կիրառություններ

Վերջին տարիների ընթացքում օպտիկական պինցետների դերը գիտության մեջ վերելք է ապրում։ Միկրոսկոպական մարմինների, ատոմների և մոլեկուլների թակարդման հատկության շնորհիվ, դրանք օգտագործվում են տարբեր ոլորտներում՝ նանոֆիզիկայում, կենսաֆիզիկայում, քվանտային գիտություններում, նյութերի հետազոտության մեջ և այլն։ Ստորև բերված են այդ կիրառություններից մի քանիսը.
1. Օպտիկական պինցետը շատ է օգնում քաղցկեղածին բջիջների ուսումնասիրման հարցում։ Այդ բջիջները հիմնականում ավելի փափուկ են, քան առողջ բջիջները ,
ուրեմն մենք կարող ենք տարբերել դրանք, եթե պինցետի միջոցով կիրառենք շատ փոքր ուժեր։ Նաև կարող ենք չափել թե ինչքանով է քաղցկեղի բջիջը ամուր կապված որոշակի հյուսվածքին կամ մեկ ուրիշ բջջի, կամ չափել իմունային և
չարորակ բջիջների փոխազդեցության ուժը։ Սա մեզ հնարավորություն է տալիս գնահատել, թե զարգացման ինչ փուլում է գտնվում չարորակ ուռուցքը։ Նաև կարող ենք հասկանալ քաղցկեղի դեմ կիրառվող դեղերի արդյունավետությունը՝ այսինքն, թե ինչպես է դեղորայքը ազդում բջիջների վրա, ինչքանով է փոխում բջիջների՝ ինչ որ բանին կպնելու հատկությունը։ Սա ակնհայտորեն նպաստելու է քաղցկեղի դեմ ուղղված ավելի կատարելագործված
դեղամիջոցների և բուժման մեթոդների մշակմանը։
2. Վերջին տասնամյակներում շատ ջանք է գործադրվում սարքերը միկրոսկոպական չափերին հասցնելու համար, որը նշանավոր դեր ունի նանոտեխնալոգիաներում։ Կարողանալով առանց շփման ազդել մասնիկների վրա՝ օպտիկական պինցետները հարմար գործիք են հանդիսանում դրա համար։
3. Լուսային սպեկտրոսկոպիան գիտության ամենազորեղ գործիքներից է։ Այն հնարավորություն է տալիս ուսումնասիրել նյութերի կառուցվածքը, բաղադրությունը և վարքագիծը՝ օգտագործելով լույսի և նյութի փոխազդեցությունը։ Օրինակ, Ռամանյան սպեկտրոսկոպիան այսօր լայնորեն
կիրառվում է նյութագիտության, երկրաբանության, միկրոէլեկտրոնիկայի և կենսաբանության մեջ՝ քիմիական և ֆիզիկական հատկությունները ճշգրտորեն չափելու համար։ Այդ սպեկտրոսկոպները հնարավոր է համատեղել օպտիկական
պինցետների հետ։ Այդպիսի համակարգերը միաժամանակ կատարում են երկու գործառույթ՝ մասնիկների թակարդումը լույսով և դրանց քիմիական/կառուցվածքային վերլուծությունը։ Սա մեծ առավելություն է, քանի որ թույլ է տալիս միկրոսկիպիկ օբյեկտները ուսումնասիրել հենց իրենց բնական միջավայրում:

Հեղինակներ՝ Դավիթ Հայրապետյան, Սմբատ Պողոսյան
Խմբագրող՝ Մարի Հայրապետյան

Last week we visited the secondary schools of Avshar and Shahumyan villages in the Ararat region, thus visiting all the regions of Armenia with our photonics outreach. We showed students how light behaves and what phenomena it can demonstrate. They performed all the experiments themselves and took one step closer to the world of optics and photonics. We are happy to inspire and motivate new generations! 🌟
Optica
SPIE, the international society for optics and photonics
ԵՊՀ - Yerevan State University

💡 Last week, we held two outreach sessions with YSU STEM School students, focusing on the phenomenon of interference. We started from the basics—how waves behave and how we understand that light is a wave. The students performed hands-on experiments and learned how to work with an optical setup.

They gained valuable knowledge about how interference is used in everyday life, as well as in science and technology. Our interference setup was created thanks to the YSU students’ ideas competition, and we hope it will help many students learn, explore, and fall in love with optics.

Optica
SPIE, the international society for optics and photonics
ԵՊՀ ՍԹԵՄ ավագ դպրոց
ԵՊՀ - Yerevan State University

✨ From October 26 to 30, 2025, our treasurer Mari Hayrapetyan participated in Optica’s Student Leadership Program alongside in Denver.

The program gathered leaders in optics and photonics for a week of collaboration and skill development. Through interactive sessions on communication, networking and leadership, participants explored what it means to make an impact in the scientific community.

Beyond the workshops, offered a wonderful atmosphere for connecting with researchers, students, and from around the world. Mari returned with new ideas, valuable connections, and fresh motivation to share with our team.

Optica

✨ October 21 is the International Day of Photonics! ✨

To celebrate, we invited first-year students to join us for an introduction to our YSO Student Chapter — sharing what we do, how they can get involved, and of course, exploring the fascinating world of photonics! 💡📡

It was a great opportunity to inspire new members and show how light shapes the technologies of the future. 🌈🔬

SPIE, the international society for optics and photonics
Optica
ԵՊՀ - Yerevan State University