光镊技术的发展概况

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1、光镊技术的发展姓名：赵文贤学号：SA14168167专业：检测技术与自动化装置目录1引言22光镊技术的原理42.1光镊技术基础42.2光的动量和光压52.3新型光镊光场的研究72.4应用中的相关理论93光镊技术的应用11光镊在生物细胞上的应用研究114光镊技术的发展现状144.1研究论文的发展势态144.2技术专利的情况分析14参考文献15171引言光具有能量和动量，经典光学主要以电磁辐射本身为研究对象。而近代光学的发展则是以光与物质相互作用为重要的研究内容。20世纪60年代激光的发明，为人们研究光与物质相互作用提供了一种崭新的光源，其

2、中高简并度的激光使得光镊技术得以问世。光镊技术是美国科学家于1986年发明的。光镊又称为单光束梯度光阱。简单的说．就是用一束高度汇聚的激光形成的三维陷阱来俘获，操纵控制微小粒子。自诞生以来，光镊技术已经在微米尺度量级粒子的操纵控制，粒子间的相互作用等方面的研究中发挥了重要作用。1969年，Ashkin通过理论计算认为聚焦的激光能推动尺寸为几个微米的粒子，并实现了用聚焦的氩离子激光使悬浮在水中的透明胶粒(直径0.6-2.5μm)沿着光轴方向加速推离。他发现接近光束的微粒也出乎意科地被吸入光束中推离。在通过用气泡与液滴反复实验后，Ashki

3、n认为光束对折射率比周围介质高的微粒具有横向吸力，但对折射率比周围介质低的微粒具有横向推力。1970年．Aahkin等首先提出能利用光压(opticalpressure)操纵微小粒子的概念。一直到1986年，Ashkin才发现只需要一束高度聚焦的激光，就可以形成稳定的能量阱能将微粒稳定俘获。这标志着光镊的诞生，正因为如此．光镊的正式名称为单束光梯度力阱(single—beamopticalgradientforcetrap)。17由于激光聚集可形成光阱，微小物体受光压而被束缚在光阱处，移动光束使微小物体随光阱移动，借此可在显微镜下对微小

4、物体(如病毒、细菌以及细胞内的细胞器及细胞组分等)进行的移位或手术操作。光镊，又被称为单光束梯度力光阱，日常，我们用来挟持物体的镊子，都是有形物体，我们感觉到镊子的存在，然后通过镊子施加一定的力钳住物体。捕获微小粒子的光镊是一个特别的光场，这个光场与物体相互作用时，物体整个受到光的作用从而达到被钳的效果，然后可以通过移动光束来实现迁移物体的目的。如果以形成光场的中心划定一个几微米方圆的区域，你将会观察到一旦光子涉足这个禁区就会自动迅速坠落光的中心，表现出这个光场具有地心引力的效应。如将被光镊捕获的粒子比做坠入碗底的玻璃珠，那么，光镊又酷

5、似一个陷阱。这个特别的光场造就了一个势能较低的区域（碗底），即从这区域内到区域外存在一个势垒（碗壁）。当物体的动能不足以克服势垒时，粒子将始终停留在阱内。虽然光与物体相互作用的过程我们是看不见的摸不着，其结果展现给我们的是，通过光镊作用的物体是在按特定路线运行。光镊搬运粒子的情形就酷是一个无形的机械手，这个看不见的机械手将按照您的意志形自如地控制目标粒子。172光镊技术的原理光镊技术的理论主要是利用各种计算方法研究聚焦光束与微粒的相互作用。首先是单光束梯度力阱与微粒的相互作用及其对微粒的控制；其次是新型光束聚焦后形成的光阱特性。2.1光

6、镊技术基础光镊技术基于光辐射压力与单光束梯度力光阱。光辐射压力光照射物体时,由于电磁波具有能量,也有动量,所以,在物体表面形成反射和吸收,同时会对表面形成压力作用,成为光压（光辐射压力）。通过激光的引进,使得光压效应在现实应用中有了很大的作用,特别是科学研究中。梯度力光镊是由强汇聚的激光束形成的光学势阱，引入梯度力的概念，以透明介质小球为例说明。如图1所示，一个透明介质小球处于一个高斯分17布的非均匀会聚光场中，小球的折射率大于周围介质的折射率。当会聚激光束照射到微粒上时，激光发生折射和反射，也包括一部分吸收。被微粒反射和吸收的光作用就

7、是光辐射压力，或者称散射力，其方向与光传播方向一致，它趋向于使小球沿光束传播方向运动。与此同时，光束经过微粒会发生多次折射，有些会聚光线折射后传播方向更趋向于光轴（即光束传播方向），从而增大了轴向动量，因而给与微粒与光传播方向相反的作用力，表现为拉力，这就是轴向梯度力的本质，由于此拉力的作用，导致粒子在轴向可以稳定在激光焦点附近。而微粒在横向的偏离，由于光场的非均匀性，也会受到指向激光焦点的回复力，即横向梯度力。在梯度力和散射力的共同作用下，微粒被稳定束缚在激光焦点附近。这就是单光束梯度力光阱。图12.2光的动量和光压光的电磁理论，证明

8、了光作为电磁波，不但具有能量，而且具有动量（如图2）。17图2对于单色平面光波，设其电磁场能量密度为u，它以光速c传播，相应的电磁能流密度矢量的大小为：S=uc，（方向指向光的传播方向）而动量密度（单位体积