国立中正大学物理系

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1、國立中正大學物理系進階光學實驗光學鑷子實驗手冊國立中正大學物理系林俊元、蕭建隆、楊宗憲、黃健銘編著國立中正大學物理系進階光學實驗光學鑷子一、目的：一微米有多小？大約為一根頭髮寬度的百分之一。如何移動微米等級的物體？假設我們直接使用物理接觸的方式去挪動這麼小的物體，任何輕微的外力都會造成微米等級物體的形變，易破壞物體原有的特性，所以「如何挪動並自由操控微米等級的物體」是一項值得開發與學習的技術。我們可以利用光的非機械接觸特質，在不破壞物體的前提，順利達到挪動微米等級物體的效果，即所謂光的鉗制力。光學鑷子又稱光鉗（OpticalTweezers），利用單光束雷射光聚焦和光子動量轉移所產生的反作

2、用力，去操控微米等級物體，如：塑膠微粒、玻璃球、細胞、微生物等等。光學鑷子亦可運用在其他領域，科學家透過光學鑷子的技術，在不穿破細胞膜的前提下，自由操控活細胞，像是：染色體、遺傳基因（DNA）等等。如此說來，光學鑷子的技術可被廣泛應用於生物科技、物理、醫學等多方領域，無疑成為未來科技發展的推手。二．原理：自雷射光被人類發明以來，人類在光學領域上的發展不只向前邁進了一大步，高強度的雷射光使光與物質作用所產生的各種現象更為明顯。若是將一雷射由下而上入射，並使之聚焦，此時如果在聚焦點處放置一顆微米等級的微粒，此微粒將受到雷射光的光子不斷的撞擊，只要雷射的強度夠強，意即光子流的密度夠大，以及微粒的

3、質量夠輕，那麼此微粒將因為光子對微粒的作用力與微粒所受的重力大小一樣，方向相反，則此微粒將會漂浮在空中．這個光子對微粒的作用力又被稱為「光壓」，如圖一(a)所示。圖一、光壓對微粒作用示意圖國立中正大學物理系進階光學實驗圖二、雙光束嵌住與單光束光鉗若藉著光壓的物理現象，巧妙的對一顆微粒的左右兩方，各打一道強度相同方向相反的雷射光束，那麼這顆微粒將被雷射光在空中夾住不動。這個巧思即為光鉗的雛型構想，我們簡單的以圖一(b)表示。相對於雙光束光鉗，我們將介紹利用雷射光束與微粒的交互作用，而產生的鉗住現象，我們稱為單光束光鉗，為方便起見，我們將單光束光鉗簡稱為「光鉗」，其簡單的示意圖如圖二(b)所示

4、。在解說微粒如何與雷射光交互作用，進而被雷射光鉗住以前，我們必須先了解光鉗物理現象的物理模型，有了物理模型的概念後，我們可以更簡單的了解光鉗的作用機制。在光鉗的物理模型中，最重要的模型有兩個，分別為「EM模型」及「RO模型」。就EM模型來說，當雷射光束的光斑直徑比微粒直徑大時，可視為微粒在一非均勻電場中，而非均勻電場來自於雷射光束的強度分佈，一般來說雷射光束的強度呈高斯函數分布，光束中心最強然後向外減弱，又因為光強與電場的物理關2係為I(光強)正比於E(電場的平方)，因此光束中心的電場最強然後向外衰減，回到微粒的觀點，微粒在一均勻電場中會受到電場的分佈而產生極化現象，但若微粒是在一非均勻電

5、場中，不只會產生極化，並且會因為本身的極化與電場分佈作用，而受到電場的電力作用，朝電場較強的方向移動，因此若微粒在雷射光束中，亦會朝電場較強處移動，意即微粒會朝光束中心移動如圖三所示，所以當雷射被聚焦時，其聚焦點強度在整個光束中是最強的，微粒就會朝焦點處移動，進而被鉗住。就RO模型來說，當雷射光束光斑直徑與微粒直徑大小差不多甚至較小時，可視為微粒與雷射光的光子作用。當微粒在雷射光束範圍內時，光子會碰撞微粒，甚至穿透微粒。光子在穿透微粒時，因為微粒的介質折射率與空氣不同，所以會改變光子的運動方向，同時光子的動量也遭到改變。這表示光子受到微粒的國立中正大學物理系進階光學實驗圖三、EM模型示意圖

6、作用力，相對的光子也會產生一個反作力作用在微粒上，如圖四所示，其微粒所受到的反作用力是朝向雷射光束中心的。因為越接近雷射光束中心光強越強，意即光子密度流較大，因此微粒越接近中心，受到雷射光光子的反作用力越大。當微粒接近光束中心時，會有光子與微粒做碰撞的作用，其施於微粒上的反作用力不只會將微粒拉向光束中心，亦會將微粒向前推如圖四所示，但是當雷射以適當的條件聚焦時，雷射聚焦點對微粒的吸引力與微粒的重力加上被光子碰撞向前的力互相抵消對抗，最後的淨力是將微粒吸引至聚焦點處，甚至將微粒鉗住。圖四、RO模型示意圖國立中正大學物理系進階光學實驗圖五、光學鑷子的工作機制。左圖與右圖分別顯示雷射光聚焦在微粒

7、內與外物體受力之情形。如圖五所示，將雷射聚焦在微粒中，當聚焦的光束光子進入微粒前跟進入微粒後，因經過不同折射率的介質所造成的折射，使光子的運動方向及動量有著很明顯的改變。這表示光子施予微粒一作用力。依牛頓第三運動定律，此時微粒對光子施與一大小相同方向相反之反作用力。此反作用力合力之方向將朝向雷射聚焦點處，亦即為Ftrap。若Ftrap與微粒受的重力mg產生淨力平衡，則可將微粒鉗住在空中。接著，讓我們仔細了解前面所提到適當