光学工程_光镊技术

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1、光镊技术陈荣2010.10E-mail:chenr@fjnu.edu.cnTel:871602521主要内容引言研究进展光镊基本原理光镊实验装置应用成果与展望2光镊技术(OpticalTweezers或LaserTraps)早期也叫激光捕获术，即利用聚焦的激光束镊起并操纵细胞、细菌或原子等大约尺度在几纳米到几十微米之间的微小粒子的一项技术。引言3光镊----光学镊子，顾名思义它是一种利用光物理性质实现的工具，它应具有传统的机械镊子或钳子可狭持、操纵微小物体的功能，故成为光镊或光钳。引言4激光束聚焦至直径1um激光光镊对酵母细胞的捕获和操作控制曝光时间在样品上记录下直径变化

2、的点5传统的机械镊子必须用其前端接触到物体，再施加一定的压力，物体才能被镊住，而后进行翻转，迁移等操纵。而光镊则大不相同，①它使物体受到光的束缚而达到“镊”的目的，然后通过移动光束来迁移或翻转物体②与机械镊子相比，它是一种温和的、非机械接触的方式来夹持和操作物体③尤为重要，在以光镊的光为中心的一定区域内，物体一旦落入这个区域就有自动移向几何中心的可能，尤如微粒被吸光器吸入，或一个飞行物体坠入宇宙黑洞样，光镊具有“引力”效应。同时光镊又象一个陷阱。引言6同时，“光镊”实际上是以宏观机械镊子对光的势阱效应的一种形象和通俗的描绘。对“光镊”的物理性质，人们采用“光学势垒”“光捕

3、获阱”“光梯度力阱”或“光字势阱”等物理术语予以描述。引言7研究进展1970年贝尔实验室的阿什金就利用多光束激光的三维势阱成功镊起并移动水溶液中的小玻璃珠，之后这一激光镊起微粒的技术得到不断改进，所能捕获的粒子越来越小;1985年阿什金开始采用单光束镊起细菌及病毒等微小生物体;81987年首先使用514.5nmAr+成功镊起病毒,紧接着利用1064nmNd:YAG。但由于活性体对可视波段激光的吸收作用，早期搬运细菌的过程中存在对活细胞损伤的问题;后来阿什金发现对于大多数生物细胞和有机体来说红外光是相对透明的，从而采用800—950nm的红外激光配合一定的功率操作可不对细胞

4、组织造成损害，之后这一技术在生物领域得到快速发展。9三、光镊基本原理3.1光的动量与光辐射压力（光压）光的动量是光的基本属性之一光不但具有能量而且有动量光子光与物质相互作用交换能量动量的传递力，光压10根据牛顿第二定律，作用在物体上的力F等于光引起的单位时间内物体动量的变化：这意味着光对被照物体施加一个力的作用，这种由于光辐射对物体产生的力通常称之为光的辐射压力或光压。11如果光束的作用面积为S，则单位面积上的光压强为。可以估算出，太阳光垂直照射时，地球表面的光压为：W=0.5达因/m2，这个量很小。但由于激光的高亮度、高方向性，发散角为毫弧度。10mWHe-Ne激光，

5、辐射亮度为太阳光的1万倍，与原子弹爆炸时亮度相当。再将其聚焦到衍射极限光斑，（）时，其压强为W=106达因/m2从而可产生108cm/s2=105g的加速度。对于微米数量级的小球来说，这个力非常大，每个光子的动量虽小，但在聚焦后形成的高密度能流下，其力量非常大，此为光摄的能源所在。12应当注意的是，如此高的能量密度集中于小球上，当几毫瓦的激光聚焦成1的衍射极限光斑，会聚于大小的小球上。当小球与外界绝热时，即使有千分之一的入射能量（微瓦数量级），被小球吸收，这微瓦的能量也会使小球温度在毫秒时间内超过沸点，而被蒸发。然而，光镊作用下的小球都是浸入液体中的，球被液体冷却。这时热

6、传导方程与扩散方程形式相同，水中小球温度变化为：13r：小球半径，K：水中传导率，W：小球获得的功率。经计算，上述同样的功率（微瓦）下，小球的温升只有1℃，可以承受。还应当注意，光摄利用的是光线在小球上的折射效应，而不是吸收效应。这在下面的受力分析中进一步明确。而这里要说明的是光子确实可以对小球形成压力。14三、光镊基本原理3.2梯度力上面所讲的是光子对小球的压力，该压力方向沿光传播方向，这里尚未说明它形成光镊作用。那么我们先来观察处在均匀与非均匀光场中的小球的受力情况。见图1。15图1梯度力的形成16图1中假设小球是透明体，这是符合实际情况的。因为大部分生物细胞的组成是

7、水分子，特别是对脱了壁的原生质体，近乎是透明的球状体。这里还假设小球的折射率大于周围媒质的折射率,这也是符合大多数情况的。17根据动量守恒原理，它（光线a）必须要给小球施加一个向左方向的动量，即光线a在小球内折射的结果，使小球受到一个向左的力。同理，可以分析，由于光线b的折射，小球受到一个向右的力，在均匀场中，两力等值，其合力⊥（垂直）向下。18对于图1A中的均匀光场来说，光线a,b进入小球发生折射，既2次折射，这里这是折射占主要的量。从图中可知，比如对于光线a，它向右方折射。因为光线是带有动量的，它的方向是沿着光传播的方向，