实验一光的力学效应及光阱pn力的测量

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1、实验一光的力学效应及光阱PN力的测量一、实验目的加深对光具有动量基本属性的认识，感知光的力学效应，了解光镊技术。二、实验内容1、光陷阱效应2、光镊在横向（X－Y平面）操控微粒3、光镊在纵向（Z轴方向）操控微粒4、光镊最大横向阱力的测量三、实验原理光作用于物体时，将施加一个力到物体上。由于光辐射对物体产生的力常常表现为压力，因而通常称之为辐射压力或简称光压。然而，在特定的光场分布下，光对物体也可产生一拉力。从而有可能某种特定光场来形成束缚粒子的势阱。我们以透明电介质小球作模型来讨论光与物体的相互作用。若小球的大小明显

2、大于光波长，可以采用几何光学近似。设小球的折射率n1大于周围媒质的折射率n2。首先考虑一束平行光与小球的相互作用。如图所示，当一束光穿过小球时，光在进入和离开球表面时会产生折射（黑粗线表示）。在图示的情形，入射光沿Z方向传播，即光的动量是沿Z方向的。然而，离开球的光传播方向有了改变，也即光的动量有了改变。图中画出了光束中代表性的两条光线a和b。由于动量守恒，这些光传递给球一个与它们动量改变等值，但方向相反的一个动量（图中的空心线）。与之相应的有力Fa和Fb施加在小球上。小球受到的光对它的作用力就是光束中所有光线作用

3、于小球的力之和。若入射光束截面上光强是均匀的，则各小光束（光线）给予小球的力在横向（XY方向）将完全抵消。但有一沿Z方向的推力。如果小球处在一个非均匀光场中，沿Z方向传播，自左向右光强增大的光场。与左边的光线a相比，右边较强的光线b作用于小球，使小球获得较大的动量，从而产生较大的力Fb。结果总的合力在横向不再平衡，而是把小球推向右边光强处。小球在这样一个非均匀（即强度分布存在梯度）的光场中所得到的指向光强强的地方的力称之为梯度力（Fg）。如果光束中间光强大，粒子将趋向于这一区域，也即在横向被捕获了。上面的情形，都存

4、在一个轴向（Z方向）的推力。要用一束光同时实现横向和轴向（或纵向）的捕获，还必须要有拉力。实际上，上述光场力（梯度力）指向光场强度大的地方这一结论，可以推广到更一般的光场强度分布的情形。所谓光镊，即单光束梯度力光阱，就是由一束强会聚的激光束构成的。在这样的光场中，粒子（其折射率n1大于周围煤质的折射率n2）将受到一指向光最强点（焦点）的梯度力。也就是说光对粒子不仅有推力还可以有拉力。这样，粒子就可能被约束在光最亮点附近。高度会聚的光束锥，经小球折射，将施加一梯度力在小球上。设小球的折射率为n，液体的折射率为n1，当

5、n>n1时，一对典型的光线a和b经折射后产生力Fa和Fb，它们的矢量和是指向焦点f的。实际上，光锥中所有光线施加在小球上的合力F也是指向焦点f的。当小球的球心O和焦点f间有偏离时，合力F总是使小球趋向焦点。实际上，当光穿过小球时，在小球表面也产生一定的反射，这将施加一推力于小球，此力常称之为散射力（Fs）。只有焦点附近的梯度力大于散射力时才能形成一个三维光学势阱而稳定地捕获微粒。也就是说，这样的光束可以像镊子一样夹持微粒，移动并操控微粒。综上所述，透明微粒在光场中受到的力包括梯度力和散射力（F=Fg+Fs）。光阱主

6、要是依靠光梯度力形成的。稳定的捕获是梯度力和散射力平衡的结果。散射力总是沿光线方向推跑微粒，而梯度力则是把微粒拉向激光的聚焦点处。光阱力测量使用流体力学的斯托克斯公式。四、实验设备1光镊光源2光学耦合器3自动样品台4双色分束镜5聚焦物镜（NA1.25）6样品池7聚光镜8照明光源9反射镜10.数码摄象头11.计算机主机12.显示器实验中所用的样品有很大的挑选余地。只要对所用的激光吸收很小，折射率比周围液体的小，尺度在微米量级就可以。我们实验中用的是悬浮于液体中的1-3微米的聚本乙烯小球或4-5微米的酵母细胞。五、实验

7、步骤(1).样品池中注入适量样品（3μm聚苯乙烯小球、4μm酵母细胞或7μm血红细胞）。(2).开启激光，设定某一光强/电流值。使用光阱捕获样品中的一个微粒。(3).缓慢打开阀门，使样品池中液体的流速慢慢增加。(4).边增加流速边观察，记下样品被冲走时的流速值。(5).重复1-4步骤，控制流速从40-160微米/秒，每40微米/秒测量一次。(6).记录实验前和实验后的水温。查表得粘滞系数η。：根据斯托克斯公式求出阱力的大小。粘滞系数与温度的关系 温度t℃ 103•ηN/m2•s 温度t℃ 103•ηN/m2•s 温

8、度t℃ 103•ηN/m2•s 温度t℃ 103•ηN/m2•s01.792151.140300.801450.59951.519201.005350.723500.549101.308250.894400.656600.469六、思考题1光捕获微粒，基于什么原理，如何从实验上实现。2说明影响光阱捕获效果的因素。3试定性说明强会聚的光束对于实现Z方向捕获的作