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 (2)
2 光镊技术的原理 (4)
2.1 光镊技术基础 (4)
2.2 光的动量和光压 (5)
2.3 新型光镊光场的研究 (7)
2.4 应用中的相关理论 (9)
3 光镊技术的应用 (11)
光镊在生物细胞上的应用研究 (11)
4 光镊技术的发展现状 (14)
4.1 研究论文的发展势态 (14)
4.2 技术专利的情况分析 (14)
参考文献 (15)
1 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，Ashkin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(optical pressure)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—beam optical gradient force trap)。
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。
2 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1
2.2 光的动量和光压
光的电磁理论，证明了光作为电磁波，不但具有能量，而且具有动量（如图2）。
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（单位体积的光场携带的动量）为：
g=u/c，（方向沿光的传播方向或波矢的方向）
单位时间流过垂直光传播方向单位面积的动量为：
G=gc=u=S/c
按光的量子理论，波矢为k的单色平面波可以看成是一束光子流，其中每一个光子所携带的能量ε=ν，动量为：
P=h*k=h/λ（其中，h：普朗克常数，λ=1/k光波长）
如果光束中的光子密度为n，也即光场的能量密度为u=ε，于是动量密度
g=nP=u/c，
与经典电磁理论的结果一样。由此式直接可得能量为E的平面光波所携带的动量为：
G=E/c
既然光具有动量，根据牛顿第二定律，作用在物体上的力就等于光引起的单位时间内物体动量的变化，光与物体相互作用的过程中就可能伴随有动量的交换。单位时间里物体动量的变化就是所受的力，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简称光压。
一束平行光照射到物体上,其动量变化为ΔP,历经时间t秒,则物体得到的动量为-ΔP。由此可得光作用在物体上的力为F=-ΔP/t。如果光束作用的面积为S,则单位面积上受到的力即为光压p=F/S。
2.3 新型光镊光场的研究
光与物质相互作用依赖于光场内在的性质，如能量和动量，也依赖于这些物理量的空间分布，如光场的强度梯度等。因此，调控这些光场的性质会直接改变光与物质相互作用的结果，这为直接控制光捕获提供了一个重要的途径[1]。而光场性质的变化可以通过光场调制来实现，例如振幅、相位和偏振的调制。所以，光镊一个特别重要的发展趋势是结合各种新型光场来实现特殊或复杂的操控功能[2]。新型光镊光场的研究得益于复杂光场调制技术的快速发展，如空间光调制技术。新型光场光镊不仅能够实现对不同材质、不同大小的微粒多自由度操控，而且可以通过计算机控制，方便地实现实时智能的操控，大大拓展了光镊的应用范围[3]。
新型光场包括涡旋光束、非衍射和自修复光束、自加速光束以及矢量光束等。涡旋光束与相位奇点相关[4]，本身携带轨道角动量，在
与物质相互作用过程中可以将角动量传递给微粒，从而导致微粒在光场中做旋转运动[5-7]。常见的涡旋光束有拉盖尔高斯光束(Laguerre-Gaussian beam)和贝塞尔光束(Bessel beam)。其中贝塞尔光束属于非衍射和自修复光束，相比于高斯型光束，贝塞尔光束可传播较远距离而保持中心光斑的大小和尺寸基本不变，而且在传输过程中遇到障碍物阻挡后能很快恢复原来的光场分布。由于贝塞尔光束在传播过程中具有很好的稳定性，故被用于引导微粒沿轴向输运距离可达3mm，这个间距远远大于高斯型光束的光镊的轴向捕获深度。并且，在轴向3mm距离中可以实现多个平面长距离捕获多微粒，如图3所示。非衍射光束还包括马提厄光束(Mathieu beam)、抛物线光束(parabolic beam)、艾里光束(Airy beam)等。其中抛物线光束和艾里光束也是一种自加速光束。自加速光束在沿轴向传播过程中以某个角度弯曲而不沿直线传播，看起来像是在自由空间中加速。这种光束在光操控中可以用于沿着设定的轨迹输运微粒，如图3(b)所示。自加速光束还有韦伯光束(Weber beam)和螺旋光束(spiral beams)等。此外，不均匀的偏振光场，如径向偏振光束和角向偏振光束，具有优越的会聚特性，使得矢量光束在操控纳米粒子，特别是金属纳米粒子方面具有明显的优势[8]。
为满足新的应用需求而发展出许多新型光镊，如对多个微粒实现同时操控的全息光镊、能够对微粒在纵向位置深度操控的贝塞尔光镊和偏正光镊，以及对微粒进行旋转操控的涡旋光镊等。新型光镊的研究直接依赖于新型光场理论的支持[2]，计算全息的各种算法的不断优
化[9-10]，和趋于自动化和智能的新型光镊操控等[11]。可以预见，基于新型光场的光镊将在未来的科学研究中发挥越来越重要的作用。
图3
2.4 应用中的相关理论
光镊系统中的捕获物镜一般采用商业显微镜的高数值孔径油浸物镜，属于非标准使用法。这意味着激光到达被捕获的微粒之前要先经过匹配油-玻璃(0.17 mm盖玻片)-水溶液，由于匹配油的折射率与水的折射率不同，由此引入了球差使得系统品质变差，严重影响光镊的捕获效果[12-13]。由于球差的存在，激光经过物镜以后，与光轴夹角不同的光线与光轴相交于不同位置，在像面上形成一个圆形弥散斑，导致部分光线没有与小球相交未发生动量转移。随着捕获高度的增大，弥散斑的直径随之增大，没有相交的光线也随之增多，因此光阱的捕获能力迅速下降[14]。球差是光镊系统中普遍存在的问题，因此需要通过光学设计对显微物镜进行相差补偿[15-16]。
以常用的高数值孔径100倍油浸物镜作为光镊的捕获镜为例，当光经过玻璃材质的盖玻片后进入水中，由于水的折射率大于物镜匹配
介质空气的折射率，光线产生了折射，如图4(a)所示。光镊系统中球差主要是物镜的折射率失配引起的，研究表明，通过改变物镜实际光学筒长，可以将光镊的最佳捕获平面延至到更深的位置。使用水浸物镜，由于浸润介质和捕获微粒环境都是水，光线从物镜进入水溶液以后不会产生球差，所以在液相中捕获微粒比较理想的介质是水，但水浸物镜价格不菲。如图4(b)所示为不同物镜的捕获刚度随捕获深度的变化。实验表明，略发散的光束更适合于水浸物镜捕获高折射率溶液内的微粒。对确定的设备和应用对象，球差可以在设备设计和实验方法设计中进行修正补偿，量取得优质的光镊。
图4
3 光镊技术的应用
光镊的发明使光的力学效应走向实际应用，使人们在许多研究中从被动的观察转而成为主动的操控,同时光镊对于捕获微小粒子、测量微小作用力及生产微小器件等许多方面都有非常重要的意义，现主要从以下几个方面介绍光镊的研究及应用。
光镊在生物细胞上的应用研究
对细胞操控的研究
光镊操控细胞，可以高选择性的分选细胞或细胞器[6] 。目前，研究者已经建立了一套分选单条染色体的实验方法，为基因测序提供了更有效、更准确的方法。同时光镊还可用来测量细胞表面的电荷，因为细胞表与荷细胞的生长和细胞的凋亡有着非常密切的关系。
对细胞应变能力的研究
细胞内部的应变能力在通常情况下是很难用显微镜观察到的, 单一的生理学或者形态学参数很难定义细胞的生存能力。光镊是对活体细胞进行非侵入微观操纵的有利工具, 能够诱导细胞产生应变。其发出的近红外连续激光能够诱导线虫类 C.elegans发生应变。根据C.elegans 特殊的应变能力,发现在不同的激发波长、激发功率和照射时间内,C.elegans的应变也各不相同。这种方法可在其他动植物细胞中进一步推广应用。
对细胞横向光阱力的研究
对红细胞横向光阱力方面的研究，在该研究中以射线光学计算模
型为基础，同时运用类似于求解轴向力的方法，得出了横向力计算公式，对几何尺寸远大于光波长的米氏球状粒子所受激光微束横向光阱力进行了计算，计算结果表明，粒子只有在小于粒子半径的区域内才能被捕获，而不是在整个粒子半径区域，实验中还可以测量作用在粒子上力的大小和粒子的运动速度。微粒大小、相对折射率等对光阱力也产生一定的影响，适当选取各实验参数可增强微粒的捕获稳定性。细胞横向力的研究对光镊的理论有进一步的指导意义。
光镊在生物大分子上的应用研究
为了操纵一个生物大分子，往往将两个涂有肌浆球蛋白的聚苯乙烯小球黏在生物大分子的两端，称其为“手柄”，通过光镊捕获和操纵小球来达到操控生物大分子的目的。
光镊结合其他技术在生物上的应用研究
光镊由于其可对多个微小粒子进行复杂操控的特点以及飞速的发展，在其本身的技术研究受到越来越多关注的同时，也在不断开拓与其他领域技术结合的应用。
光镊与高空间分辨率技术的结合
光镊与具有高空间分辨率本领的技术结合，使之具备了更精细的结构分辨能力和动态操控能力，目前，国际上Coirault. C等人已成功地将原子力显微镜和光镊技术相结合，为研究生物分子提供了更准确、更可靠的方法。
光镊与光刀的结合
光镊与光刀的配合装置，可以进行高选择性的细胞融合。光镊用
来挑选待融合的特定细胞，并把它们拖到一起相互接触，再用光刀作用于二者的接触面，诱发细胞融合，这种方法的融合产物具有高的纯度。Seeger 等人利用光镊和光刀偶联实现了染色体的精细切割和高效收集及植物原生质的融合。同时还可实现细胞的切割，是生物微粒进行微操控和微加工的理想手段。此外，激光操纵细胞技术是当前最先进的转基因技术，利用光镊和光刀将DNA 导入细胞而实现基因转移，可大量节约资源，缩短转基因时间，提高成功率。光镊与光刀的结合在免疫学、分子遗传学中的研究发挥着巨大的作用。
光镊与测量技术的结合
光镊可以作为一种操控技术与其他测量技术如微弱荧光探测技术、拉曼光谱测量技术结合。赖钧灼等人利用光镊拉曼光谱系统单个细胞的成分和生化过程进行了有效的分析。
4 光镊技术的发展现状
检索光镊研究论文的增长趋势，在重要期刊发表的数量，光镊技术的专利，这些资料充分表明了光镊技术的应用研究成果的前瞻性和创新性，并且，光镊技术正迈向美好未来，广泛应用于各领域的研究。
4.1 研究论文的发展势态
2014年1月在Web of Science扩展版(SCI-E)网和中国知网CNKI)数据库检索，关键词为“opticaltweezers”的文章数目近十三年呈快速增长趋势，2013年文章数达到734篇/年。（如图5）
图5
关于光镊的论文的引用率，除了Ashkin关于光镊开拓性的论文，引用次数超过千次的有Block教授组于1993年发表在Nature杂志上的有关Kinesin马达步进运动的文章[17]，这个工作开拓了光镊定量研究单分子的领域，纽约州立大学的Girer教授是全息光镊的发明者，2003年在Nature杂志上预言全息光镊将会给光捕获带来革命性的发展[3]。
4.2 技术专利的情况分析
光镊专利检索使用的是Innography 专利检索与分析平台，它包含91个国家和地区的发明专利、部分国家的实用新型和外观设计等。其中代表性的国家和地区专利组织机构有：美国专利商标局、日本特许厅、英国专利局、法国专利局、德国专利局、中国知识产权局、韩国专利局、欧洲专利局、世界知识产权组织等。图6表明，光镊技术专利自1993年起，之后的十年专利数量呈现快速的上升趋势，说明该时间段属于光镊技术早期研发成型阶段；2004年后至今公开专利数量在高位保持平稳趋势，说明光镊技术日渐成熟，技术发展到达繁荣期。随着技术的成熟，光镊正在迅速转向应用。
图6
光镊技术专利主要分布在美、日、欧等地区，领先的企业专利权人为美国的Arryx、Arcturus，德国的PAML Microlaser、莱卡公司。光镊领域发展了20年左右，专利总数量不大。
参考文献
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Opto Fluidics公司显微镜纳米操控转换装置NanoTweezer — NanoTweezer新型激光光镊系统 单细胞、单分子牵引应变
无标记纳米粒子尺寸和成像(Label Free Nanoparticle Sizing and Imaging) 纳米功能化及镀层分析(Nanoparticle Functionalization and Coating Analysis) Nanophotonics Based Optical Tweezing - Smallest Particles Ever! 系统亮点：
NanoTweezer新型激光光镊系统的优势：该系统的光学谐振器（A＆B）可以增强由波导产生的光学梯度的强度。 传统的机械镊子夹持物体时必须用镊尖接触物体,然后施加一定压力,物体才能被夹住。而光镊则不同,它是基于光的力学效应使物体受到光束的束缚,然后通过移动光束来迁移或翻转物体。与机械镊子相比,光镊夹持和操纵物体的方式是温和而非机械接触的,能够无损伤地捕获和操作微小的活细胞及纳米量级的颗粒。光镊为研究微观世界提供了一种新手段,可以预见,在21世纪,作为纳米科技和生命科学领域得力工具的光镊技术必将具有广阔的应用前景,也必将成为本研究领域不可或缺的技术手段之一。 用波长为1064纳米的激光将凝聚物移动了近半米,而过去通常采用的磁学方法,只能将凝聚物移动很短的距离. 图2是用光镊搬运聚苯乙烯小球组合成的863图样 1)简洁、操纵捕获能力强： 该系统配备强大的光学捕获系统，可以在5分钟内将显微镜变成纳米操纵工具，进行不同细胞、病毒、核酸、金属纳米粒子、碳纳米管、蛋白的捕获。 2)优于传统光镊系统： 该系统采用以芯片为基础的光子共振捕获技术，可以实现多种应用，如操作远远小于传统的光学镊子的样品，并保持粒子结构不被破坏;实行新类型的试验和分析;避免表面化学;创造新的纳米结构;保留了生物分子方面的基础上，改变了背景的解决方案;捕获单一的细菌，并观察它的分裂等。 3)系统联机能力强： 能与科研级正置显微镜联用
1.1光镊技术简介 光镊是以激光的力学效应为基础的一种物理工具，是利用强会聚的光场与微粒相互作用时形成的光学势阱来俘获粒子的【4】。1969年，A. Ashkin等首次实现了激光驱动微米粒子的实验。此后他又发现微粒会在横向被吸入光束（微粒的折射率大于周围介质的折射率）。在对这两种现象研究的基础上，Ashkin提出了利用光压操纵微粒的思想，并用两束相向照射的激光，首次实现了对水溶液中玻璃小球的捕获，建立了第一套利用光压操纵微粒的工具。1986年，A. Ashkin等人又发现，单独一束强聚焦的激光束就足以形成三维稳定的光学势阱，可以吸引微粒并把它局限在焦点附近，于是第一台光镊装置就诞生了【5，6】。也因此，光镊的正式名称为“单光束梯度力势阱” （single-beam optical gradient force trap）。 由于使用光镊来捕获操纵样品具有非接触性、无机械损伤等优点，这使得光镊在生物学领域表现出了突出的优势。这些年来，随着研究的深入和技术的不断完善，光镊在生物学的应用对象由细胞和细胞器逐步扩展到了大分子和单分子等。目前，光镊常被用来研究生物过程中的细胞和分子的运动过程【7-10】，也常被用来测量生物过程中的一些力学特征【11-14】。 1.2光镊的原理与特点 众所周知，光具有能量和动量，但是在实际应用中人们经常利用了光的能量，却很少利用光的动量。究其原因，这主要是因为在生活中我们接触到的自然光和照明光等的力学效应都很小，无法引起人们可以直接感受到或观察到的宏观效应。而科学家们利用激光所具有的高亮度和优良的方向性，使得光的力学效应在显微镜下显现了出来，在这里我们要介绍的光镊技术正是以这种光的力学效应为基础发展起来的。 1.2.1光压与单光束梯度力光阱 光与物质相互作用的过程中既有能量的传递，也有动量的传递，动量的传递常常表现为压力，简称光压。1987年，麦克斯韦根据电磁波理论论证了光压的存在，并推导出了光压力的计算公式。1901年，俄国人П.Н.列别捷夫用悬在细丝下的悬体实现了光压的实验测量【15】。此后，美国物理学家尼克尔、霍尔也
《数据库原理及应用》课程标准 一、课程说明 课程名称：数据库原理及应用 课程代码：PE123037 参考学分：3 参考学时：48 课程管理系部：计算机系 适用专业：计算机应用技术专业 开发人员:职业技术学院计算机系数据库原理及应用教学团队 二、课程概述 （一）课程性质与定位 1.课程性质 《数据库原理及应用》课程是计算机专业的专业核心课程，是培养数据库管理及开发人员的基础支撑课程。 2.课程定位 根据高职计算机专业人才培养模式的要求,培养学生基于当今主流软件开发技术的应用开发能力，确立了本课程作为开发后台数据库在专业课程体系中的地位。如今各类信息系统、动态网站、移动应用的开发都需要使用后台数据库，数据库已成为当今计算机时代中不可或缺的组成部分。通过本课程的学习，要求学生掌握关系型数据库的开发过程，为软件开发、动态网站的创建打下坚实的技术基础。 前导课程：程序设计基础 后续课程：网页设计、JSP动态网页开发、.NET编程技术、高级编程技术 （二）课程设计思路 本课程采用“项目驱动，案例教学，一体化课堂”的教学模式开展教学。整个课程通过一个实际数据库应用开发项目驱动，完成教师与学生互动的讲练结合教学过程。学生在完成各项任务、子任务的过程中，学会数据库的应用技术、原理和工具的使用。 本课程的理论安排在多媒体教室，实践环节安排在设施先进的多媒体机房进行，教学中以学生为中心，教师负责讲授知识，指导项目设计，充分调动师生双方的积极性以达到教学目标。 （1）项目贯穿教学
以学生管理系统等数据库为载体开展教学，贯穿数据库的整个开发过程，包括：概念模型设计、关系模型设计、创建与维护数据库、创建与维护表、对表的查询、建立存储过程、数据库备份与恢复、数据库安全等。 （2）任务分解知识点 明确每堂课的任务、子任务，教学就是完成任务的过程，在这一过程中融入相关知识，以达到“任务完成，知识掌握，本领学会”的教学目的。 （3）“教、学、做”一体化教学 在一体化教室完成教师与学生互动的讲练结合的教学过程。教师讲解项目、分解任务、传授知识、演示示范；学生重复操作过程，学习知识技能；做拓展项目，如“选课管理”数据库、“图书管理”数据库、“活期存单”数据库等可供学生选做。 三、课程的教学目标 表1 四、课程内容与要求 选取难易度适中的案例、项目，加以分解、序化，兼顾从简单到复杂的认知规律和学生的学习兴趣，作为载体，以项目为导向，创设学习情境，学生按照工作流程，合作完成一个小型项目的后台数据库的设计工作。
软启动工作原理 软启动器电动机的应用 1、软启动器工作原理与主电路图 软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。这种电路如三相全控桥式整流电路，主电路图见图1。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。软启动与软停车的电压曲线见图2，3。 2 软启动器的选用 （1）选型：目前市场上常见的软启动器有旁路型、无旁路型、节能型等。根据负载性质选择不同型号的软启动器。 旁路型：在电动机达到额定转数时，用旁路接触器取代已完成任务的软启动器，降低晶闸管的热损耗，提高其工作效率。也可以用一台软启动器去启动多台电动机。 无旁路型：晶闸管处于全导通状态，电动机工作于全压方式，忽略电压谐波分量，经常用于短时重复工作的电动机。 节能型：当电动机负荷较轻时，软启动器自动降低施加于电动机定子上的电压，减少电动机电流励磁分量，提高电动机功率因数。 （2）选规格：根据电动机的标称功率，电流负载性质选择启动器，一般软启动器容量稍大于电动机工作电流，还应考虑保护功能是否完备，例如：缺相保护、短路保护、过载保护、逆序保护、过压保护、欠压保护等。 3、Alt48软启动器的特点 Alt48软启动器启动时采用专利技术的转矩控制。转矩斜坡上升更快速，损耗更低。具有电动机和软启动器综合保护功能，能全时连续检测电机电流，提供电机可靠和完整保护，这种保护功能在启动结束后旁路仍能起作用，这是其它软启动器都不具备的。 Alt48在保持加速力矩的同时，实时计算定子和转子的功率。在整个加速周期连续计算电机功率因数和定子损耗，通过检测电压和电流来计算功率因数，并扣除定子损耗，得到实际的转子功率和电机力矩。 4 Alt48软启动器的应用 设计采用一拖二方案，见图4，即一台软启动器带两台水泵，可以依次启动，停止两台水泵。一拖二方案主要特点是节约一台软启动器，减少了投资，充分体现了方案的经济性，实用性。
《光镊原理及应用》课程教学大纲 一、课程基本信息 课程中文名称：光镊原理及应用 课程英文名称：Optical tweezers theory and application 开课学期：2 学时：16 学分：1 二、课程目的和任务 激光生物学是多学科交叉的新兴学科，其中以激光微束光阱效应为基础的光镊技术是生命科学和生物工程研究的有力工具，已成为当前生物物理学中新方法和新仪器的研究热点之一。是光子技术和生命科学相互交叉与渗透而形成的一门新的边缘学科，课程教学目标：让光镊在生命学科及其他应用领域中的作用与地位，逐步树立科学的世界观，促进综合素质的提高；帮助学生获得光镊的基本知识，掌握光镊相关技术。通过课程小论文与研讨，让学生了解本学科的发展前沿，培养学生的创造型思维；开放式的教学，提高学生的综合分析和解决问题的能力。 三、教学内容与基本要求 教学主要内容及对学生的要求： 教学主要内容 第一章 光镊技术的产生与发展 光镊技术的理论研究、光镊技术的应用研究 国内外光镊技术的研究现状 第二章 光镊技术及其基本原理 光镊技术的描述、光镊的基本原理、光辐射压力、 梯度力和散射力、二维光学势阱、基于激光微束的三维光学势阱 第三章 光镊的理论分析与计算方法 光镊理论计算的意义、粒子分类与计算方法、光阱力与光操纵束缚条件第四章 光镊的系统构成与技术性能
传统光镊的原理、系统构成、激光器和显微镜的选取、多光镊技术 第五章 光纤光镊技术 远场光纤光镊、近场光镊 第5章 光镊技术的发展应用 光镊技术在生物学方面应用、光镊在分子生物学领域的应用、光镊与其它技术的结合应用 对学生的要求： 1、 对光镊原理方法有明确认识。 2、 对光镊系统的性能、参数能深入了解，并能自由运用。 3、 能够了解光阱力的计算方法。 4、 有查阅外文资料的能力。 五、教学设计及方法 教学方式 1) 教学与科研结合，激发学生的求知欲 2)专家讲授与教师专题讲座相结合，拓展学生知识面 3)理论与实践结合，加强学生实验技能的训练 4)中、英双语教学相结合，提高学生国际交流能力 5)撰写专题调研报告，培养学生的自主创新能力 教学手段 将多种现代的教学手段运用于课程教学之中，多方位多途径地展教学活动，以激发学生学习兴趣，提高教学效果。 1)将多媒体教学与板书相结合，以解决学时少内容多的矛盾 2)课件与电视录像片相结合，以提高学生的自学能力 3)丰富的网络资源为学生学习提供良好的软环境 六、调查、参观、实践、实验内容 七、主要参考资料 [1]《光镊原理、技术和应用》李银妹编译中国科学技术大学出版社1996 [2]《时域有限差分法FDTD Method 》 高本庆 国防工业出版社.1995年 [3][《非均匀介质中的场与波》美]Weng Cho Chew 著聂在平，柳清伙译电子工业出版社,1992年 [4] Ashkin A. Optical trapping and manipulation of single cells using infrared laser beams. Nature, 1987, 33: 256-
数据库原理及应用 课后答案 第一章 选择题 1、A。 从数据库管理系统的角度看，数据库系统的结构通常分为三级模式的总体结构，在这种模式下，形成了二级映像，实现了数据的独立性。其中三级模式结构指的是外模式、模式和内模式，二级映像指的是外模式/模式映像、模式/内模式映像。对于外模式/模式映像，当模式改变时，相应的外模式/模式映像作相应的改变，以使外模式保持不变，而应用程序是依据数据的外模式来编写的，外模式不变，应用程序就没必要修改，这保证了数据与程序的逻辑独立性。对于模式/内模式映像，当数据库的存储结构变了，模式/内模式映像会作相应的改变，以使模式保持不变，而模式不变，与模式没有直接联系的应用程序也不会改变，这保证了数据与程序的物理独立性。 数据逻辑独立性指的就是当模式改变时，外模式和应用程序不需要改变，所以选项A正确。C选项的内模式改变，模式不变指的是数据的物理独立性，所以C选项不正确，B选项中前后两句与C选项相比顺序不符，所以B选项不正确。D选项中，应为“模式和应用程序不变”，不应为“外模式”，所以D选项不正确。 2、B。 DB指的是数据库（DataBase），DBMS指的是数据库管理系统（DataBase Management System），DBS指的是数据库系统（DataBase System），DBA指的是数据库管理员（Database Administrator），Data指的是数据。
由书中概念易得DBS（数据库系统）包括DBMS（数据库管理系统），DBMS管理和控制DB（数据库），而DB载入、存储、重组与恢复Data（数据）。所以B选项正确。 3、C。 数据库系统的特点有：⑴、实现数据共享；⑵、减少数据冗余度；⑶、保持数据的一致性； ⑷、数据的独立性；⑸、安全保密性；⑹、并发控制；⑺、故障恢复 由以上可得C选项错误，应改为数据冗余度“低”。 4、C。 DB是长期储存在计算机内、有组织的、可共享的大量数据集合；DBS是实现有组织地、动态地存储大量关联数据，方便多用户访问计算机软件、硬件和数据资源组成的系统；DBMS 是把用户对数据的操作转化为对系统存储文件的操作，有效地实现数据库三级（外模式、模式和内模式）之间的转化；MIS指的是管理信息系统（Management Information System），是一个以人为主导，利用计算机硬件、软件及其他办公设备进行信息的收集、传递、存贮、加工、维护和使用的系统。由以上概念可知，位于用户和数据库之间的一层数据管理软件是DBMS。所以C选项正确。 5、C。 书中图1.6明确指出模式/内模式映像把概念数据库与物理数据库联系起来，所以C选项正确。 6、C。 数据库有这样三层关系，第一层和第三层不能直接发生关系，所以D选项不正确，内模式与外模式没有直接关系，应改为“模式与应用程序不变”。
软启动器工作原理与主电路图 2010年02月22日星期一 11:00 1 软启动器工作原理与主电路图 软启动器采用三相反并联晶闸管作为调压器，将其接入电源和电动机定子之间。这种电路如三相全控桥式整流电路，主电路图见图1。使用软启动器启动电动机时，晶闸管的输出电压逐渐增加，电动机逐渐加速，直到晶闸管全导通，电动机工作在额定电压的机械特性上，实现平滑启动，降低启动电流，避免启动过流跳闸。待电机达到额定转数时，启动过程结束，软启动器自动用旁路接触器取代已完成任务的晶闸管，为电动机正常运转提供额定电压，以降低晶闸管的热损耗，延长软启动器的使用寿命，提高其工作效率，又使电网避免了谐波污染。软启动器同时还提供软停车功能，软停车与软启动过程相反，电压逐渐降低，转数逐渐下降到零，避免自由停车引起的转矩冲击。软启动与软停车的电压曲线见图2，3。 2 软启动器的选用 （1）选型：目前市场上常见的软启动器有旁路型、无旁路型、节能型等。
根据负载性质选择不同型号的软启动器。 旁路型：在电动机达到额定转数时，用旁路接触器取代已完成任务的软启动器，降低晶闸管的热损耗，提高其工作效率。也可以用一台软启动器去启动多台电动机。 无旁路型：晶闸管处于全导通状态，电动机工作于全压方式，忽略电压谐波分量，经常用于短时重复工作的电动机。 节能型：当电动机负荷较轻时，软启动器自动降低施加于电动机定子上的电压，减少电动机电流励磁分量，提高电动机功率因数。 （2）选规格：根据电动机的标称功率，电流负载性质选择启动器，一般软启动器容量稍大于电动机工作电流，还应考虑保护功能是否完备，例如：缺相保护、短路保护、过载保护、逆序保护、过压保护、欠压保护等。 3 Alt48软启动器的特点 Alt48软启动器启动时采用专利技术的转矩控制。转矩斜坡上升更快速，损耗更低。具有电动机和软启动器综合保护功能，能全时连续检测电机电流，提供电机可靠和完整保护，这种保护功能在启动结束旁路后仍能起作用，这是其它软启动器都不具备的。 Alt48在保持加速力矩的同时，实时计算定子和转子的功率。在整个加速周期连续计算电机功率因数和定子损耗，通过检测电压和电流来计算功率因数，并扣除定子损耗，得到实际的转子功率和电机力矩。 4 Alt48软启动器的应用
光镊原理浅谈 岑学学 光镊技术由来已久，阿瑟·阿什金（Arthur Ashkin ）在1986年就发明了第一代光镊。经过30多年的发展，光镊技术已经越来越成熟，并应用在生物学、物理学、医学等领域。这里我们将尽量通俗地介绍光镊的原理。 光镊，简单来讲，就是用激光来俘获、操纵、控制微小粒子的技术。这微小粒子可以是小水珠，活细胞，生物大分子等。当激光打到小粒子的时候，粒子就被光“吸住”了，并且会被吸到光强最强的地方，也就是焦点处，移动光束，就可以移动粒子。 那么，粒子为什么会被吸到光强最强的地方并被束缚住呢？ 光与物质是可以相互左右的。一柱水喷我们身上，或者一阵风迎面吹来，我们都能感觉到些许压力，具有波粒二象性的光自然也一样会对我们产生压力，只不过这个力很小很小而已，这就是光压。而在某些情况下，光还能对物体产生拉力，这样就形成了能束缚粒子的一个“陷阱”，通常被称为势阱。那么势阱又是如何产生的呢？我们需要先来复习一些中学的物理知识---动量守恒定律。
如图，有两个小球，铜球有一个初速度，动量为p1，钢球则是静止的，动量为p2=0。把这两个小球看作一个系统，那么这个系统的初始动量就是p=p1+p2。
铜球撞上钢球后，它们各自的速度都发生了变化，动量也变了。但是系统的动量是不变的，还是等于p，这就是动量守恒定律。 我们回来看光束和透明小球组成的系统，如图，光束有一个动量，而小球则是静止的，动量为0，而光束的动量是水平的，系统在竖直方向上的动量为0. 当光束照射到小球但不通过中心的时候，小球会使光线折射，如图。
这时光束在竖直方向上有了一个向下的动量。为了使系统的动量守恒，小球必须有一个向上的动量，这个动量就把小球“吸”向光速的轴线。 如果小球在光束的轴线上但在焦点之外，那小球就会使光束汇聚，如图。
习题参考答案 第1章习题参考答案 一、选择题 1. C 2. B 3. D 4. C 5. D 6. B 7. A 8. B 9. D 10. B 11. C 12. D 13. D 14. D 15. B 16. C 17. D 18. A 19. D 20. A 21. D 22. D 23. C 24. A 25. C 二、填空题 1. 数据库系统阶段 2. 关系 3. 物理独立性 4. 操作系统 5. 数据库管理系统（DBMS） 6. 一对多 7. 独立性 8. 完整性控制 9. 逻辑独立性 10. 关系模型 11. 概念结构（逻辑） 12. 树有向图二维表嵌套和递归 13. 宿主语言（或主语言） 14. 数据字典 15. 单用户结构主从式结构分布式结构客户/服务器结构浏览器/服务器结构 16. 现实世界信息世界计算机世界 三、简答题 1、简述数据库管理技术发展的三个阶段。各阶段的特点是什么 答：数据库管理技术经历了人工管理阶段、文件系统阶段和数据库系统阶段。 (1）、人工管理数据的特点： A、数据不保存。 B、系统没有专用的软件对数据进行管理。 C、数据不共享。 D、数据不具有独立性。（2）、文件系统阶段的特点： A、数据以文件的形式长期保存。 B、由文件系统管理数据。 C、程序与数据之间有一定的独立性。 D、文件的形式已经多样化 E、数据具有一定的共享性 （3）、数据库系统管理阶段特点： A、数据结构化。 B、数据共享性高、冗余度底。 C、数据独立性高。 D、有统一的数据控制功能。 2、从程序和数据之间的关系来分析文件系统和数据库系统之间的区别和联系 答：数据管理的规模日趋增大，数据量急剧增加，文件管理系统已不能适应要求，数据库管理技术为用户提供了更广泛的数据共享和更高的数据独立性，进一步减少了数据的余度，并为用户提供了方便
施耐德软启动的原理及应用 摘要：本文介绍了软启动的原理与运行特点，以及MCC 控制柜的作用与功能。 关键词：软启动器；交流电机；电机起动性；MCC；控制柜，价格，参数。 1、软启动器的性能及特点 软启动器对电机电流的检测，控制输出电压按一定线性加至全压，限制励磁启动电流，实现电机的软启动，它具有很强的抗干扰能力和控制能力，能避免在工作中受高电压和强电子的扰动。软启动器采用数字控制触发，在软启动过程中是恒电流平滑加速，避免了对电网的冲击，启动电流可根据现场负载的需要在30 %～70 %Ue （Ue 为额定电压）范围内连续可调。可以对软启动器参数进行调整，以最小电流获得最佳转矩，软启动器对机械方面的优点是可减少机械应力，延长电动机及附属机械使用寿命。启动时间可以根据不同的负载进行设定，对启动时间进行最佳优化，在该时间范围内，电动机转速缓慢上升，具有缺相，三相不平衡，过载，过流等电机的全方位保护。性价比高，操作简单，体积小，重量轻，安装调试方便，具有可控硅过热和过电压保护。 2工作原理与运行特点 三相交流异步电动机的启动转矩Ma 直接与所加电压的二次方有关，也就是说，只要降低电机接线端子上的电压就会影响这些值。软启动的工作原理是通过控制串接于电源与被控电机之间的三相反并联晶闸管的导通角使电机的端子电压从预先设定的值上升到额定电压。 2.1软启动的主要启动方式 （1）电压双斜坡启动详见说明，在启动过成中，电机的输出力矩随电压的增加而增加，在启动时提供一个初始的启动电压Us ，Us 根据负载的大小可调，将Us 调到大于负载静摩擦力矩，产生最佳启动特性。这时输出电压从Us 开始按一定的斜率上升，电机不断加速。当输出电压达到达速电压Ur，电机也基本达到额定转速。软启动器在启动过程中自动检测达速电压，当电机达到额定转速时，使输出电压达到额定电压。 （2）限流启动:就是电机的启动过程中限制其启动电流不超过设定值的软启动方式。其输出电压从零开始迅速增长，知道输出电流达到预先设定的电流限值Im ，然后保持输出电流I < Im 的条件下逐渐升高电压，直到额定电压，使电机转速逐渐升高，达到额定转速。连轧厂冷剪机中用的软启动器采用的是限流启动，减少传统方式中的在启动过程中有很大的长时
光镊技术的新应用 纪美伶，白中博，王娜，马学进（西安交通大学生物医学工程） 摘要激光光镊自从1986年发明以来，作为一种无直接接触、无损伤、可产生和检测微小力以及精确测量微小位移的物理学工具，在生命科学等多个领域得到了广泛的应用。本文从光镊的诞生出发，简要讨论了光镊的原理，光镊装置的基本结构，并简要介绍了各个种类光镊的独特功能以及基于光镊的一些新技术，进而对光镊技术及其在生命科学中的应用现状和进一步发展作了评述和讨论，阐述了光镊在生命科学研究中的潜在地位和巨大的发展前景。关键词光镊；生命科学；原理；基本结构；应用现状；发展 New Applications of Optical Tweezer Ji Mei-ling,Bai Zhong-bo,Wang Na,Ma Xue-jin Abstract The optical tweezer technique has emerged as a flexible and powerful tool for exploring a variety of scientific processes such as life science since it was invented in 1986. From the birth of the optical tweezer, this paper will briefly discuss its working principle, its basic structure and introduce some kinds of optical tweezers with novel features or some new technologies based on it. Then its recent developments on both the technology and applications in life science will be reviewed. It is shown that optical tweezer will have great potential in life science. Key words：optical tweezer; life science; principle; basic structure; application; development 光镊简介 一百年前，爱因斯坦提出的光量子学说最终导致了激光的诞生，20世纪60年代激光器的发明，使光与物质相互作用产生的力学效应真正走向实际的应用。20世纪70年代，美国贝尔实验室的学者Arthur Ashkin等人[1]发现了激光具有移动微粒的能力，并首先提出利用光压操控微小粒子的概念：在氩离子激光器发出的TEM00模式激光束作用下，硅小球在横向梯度力的作用下陷入光束中心，然后在光束散射力的作用下沿着光束传播的方向加速运动；还发现了折射率低于周围介质的粒子（气泡）会被激光束排斥，同时也会被激光束沿着激光传播的方向加速。其后Ashkin 利用两束相对照射的TEM00模式激光去捕获高折射率粒子，发现粒子在激光横向梯度力的作用下陷入光束中心，然后沿着光束传播的方向运动到一个稳定的平衡点停止下来，这样粒子就被两束相对照射的激光束稳定捕获了。这时它还不能称之为光镊，因为只能实现横向二维捕获，而在轴向上由于强烈的散射力的存在无法实现捕获。 1971 年，Ashkin 和Dziedzic 第一次使用了单光束捕获粒子[2]。他们利用一束聚焦的TEM00模式激光从下向上照射粒子，在轴向散射力的作用下粒子被顶起，同时粒子受到向下的重力作用。当粒子运动到平衡位置时，向上的散射力和向下的重力达到平衡，粒子在轴向上稳定下来。在横向上，由于光束的横向梯度力始终指向光束中心，因此粒子被稳定地捕获在光束中心。这样就形成了一个单光束悬浮光阱（opticallevitation trap）。在1986年，Ashkin 发表了一篇具有深远意义的论文[3]，标志着光镊的诞生。在此文中Ashkin仅仅利用一束激光就实现了在三维方向上捕获电介质粒子，而且在轴向上利用的是梯度力捕获粒子，而非利用重力作用的悬浮光阱。实验中Ashkin利用高度聚焦的单光束焦点形成的单光束梯度力势阱（single beam gradientforce trap），在水中成功地捕获了直径从25nm 到10μm 的电介质粒子，且在横向和轴向上所施加的捕获力都来自于光场梯度力。由于这种单光束梯度力势阱
第1章数据概述 一．选择题 1．下列关于数据库管理系统的说法，错误的是C A．数据库管理系统与操作系统有关，操作系统的类型决定了能够运行的数据库管理系统的类型B．数据库管理系统对数据库文件的访问必须经过操作系统实现才能实现 C．数据库应用程序可以不经过数据库管理系统而直接读取数据库文件 D．数据库管理系统对用户隐藏了数据库文件的存放位置和文件名 2．下列关于用文件管理数据的说法，错误的是D A．用文件管理数据，难以提供应用程序对数据的独立性 B．当存储数据的文件名发生变化时，必须修改访问数据文件的应用程序 C．用文件存储数据的方式难以实现数据访问的安全控制 D．将相关的数据存储在一个文件中，有利于用户对数据进行分类，因此也可以加快用户操作数据的效率 3．下列说法中，不属于数据库管理系统特征的是C A．提供了应用程序和数据的独立性 B．所有的数据作为一个整体考虑，因此是相互关联的数据的集合 C．用户访问数据时，需要知道存储数据的文件的物理信息 D．能够保证数据库数据的可靠性，即使在存储数据的硬盘出现故障时，也能防止数据丢失 5．在数据库系统中，数据库管理系统和操作系统之间的关系是D A．相互调用 B．数据库管理系统调用操作系统 C．操作系统调用数据库管理系统 D．并发运行 6．数据库系统的物理独立性是指D A．不会因为数据的变化而影响应用程序 B．不会因为数据存储结构的变化而影响应用程序 C．不会因为数据存储策略的变化而影响数据的存储结构 D．不会因为数据逻辑结构的变化而影响应用程序 7．数据库管理系统是数据库系统的核心，它负责有效地组织、存储和管理数据，它位于用户和操作系统之间，属于A A．系统软件B．工具软件 C．应用软件D．数据软件 8．数据库系统是由若干部分组成的。下列不属于数据库系统组成部分的是B A．数据库B．操作系统 C．应用程序D．数据库管理系统 9．下列关于客户/服务器结构和文件服务器结构的描述，错误的是D A．客户/服务器结构将数据库存储在服务器端，文件服务器结构将数据存储在客户端 B．客户/服务器结构返回给客户端的是处理后的结果数据，文件服务器结构返回给客户端的是包含客户所需数据的文件
摘要：简要介绍了电动机软启动装置组成、特点以厦与传统启动装置的比较。结合陕西鼓风机（集团）有限会司生产制造的风机机组低压辅机系统的特点，阐明了电动机软启动装置的应用。 电动机软启动装置；传统启动装置；低压辅机系统 引言 低压辅机系统（如盘车电机、润滑油泵、液压油泵等）是风机机组重要的辅助系统，其运行的好坏直接关系到风机机组的安全性能。 电动机软启动装置是一种具有国际先进水平的电动机启动装置，该装置融合了最新的现代控制理论和专用电动机保护技术及先进的软件技术，既能改变电动机的启动特性，保证电动机可靠启动，又能降低启动电流，减少对电网的冲击，并且可以和网络进行通讯，实现智能控制。无论从功能、性能、负载适应能力、维护及可靠性等方面都是传统的启动设备（如：星／三角、自耦变压器、磁控式启动装置）无法比拟的。所以，这种智能型启动装置取代上述传统的启动装置将是一种必然趋势。 1电动机软启动装置组成 电动机软启动装置采用单片机进行逻辑控制。如图1所示，一般由电压检测、电流检测、旁路接触器、驱动电路、控制系统和键盘显示器等组成。 2电动机软启动装置选择 电动机软启动装置的选择主要取决于它的启动方式和停车方式。 电动机软启动装置一般有以下几种启动模式： 限电流启动模式就是限制电机的启动电流，主要用于轻载启动和对电机启动电流有严格要求的场合。电压斜坡启动模式就是把电机电压由小到大斜坡线性增加，主要用于重载启动和对启动电流要求不严格而启动平稳性较高的场合。突跳启动模式就是在电机启动时，先给电机施加一个较高的固定电压并持续一段时间，以克服静阻力距，主要用于重载启动，但是突跳时会给电网造成冲击。转矩控制启动模式就是把电机的启动转矩由小到大斜坡线性增加，主要适用于重载启动。电压控制启动模式就是保证启动电压压降不变的情况下，使电机发挥出最大启动力矩，主要用于轻载启动。 电动机软启动装置一般有减速停车模式、自由停
单光纤光镊的研究 1 绪论 1.1 概述 光学捕获理论则是建立在光的辐射力基础上的。当光辐射场与物体的相互作用时会使物体受到光辐射力的作用。而激光捕获就是利用激光的这一效应实现对微粒的稳定捕捉的。 由于光镊是利用光束实现对微粒非机械接触的捕获，而且捕获距离远大于捕获对象的尺度，因此在捕获过程中不会产生机械损伤也不会影响粒子周围的环境。而且在操作过程中，光镊可作为力的传感器实时测量微粒间的相互作用力。这也使得光镊不但是操控微粒同时还是研究微粒静态和动态力学特征的理想工具。但由于显微镜的常规光镊仪器体积庞大，价格昂贵还有几何尺寸等问题限制了常规光镊作为生物粒子微操纵工具的应用。而新发展的光纤光镊技术能够较好地解决这类问题，它利用光纤出射光场构成光镊，使光阱操纵与光学显微镜分离。从而改善常规光镊仪器所存在的问题。 在目前为止，光镊已被广泛应用于对细胞、细胞器和染色体的捕获、分选、操纵、弯曲细胞骨架、克服分子马达力引起的细菌旋转动力、测定马达蛋白作用力、及对膜体系进行定量研究。除此以外，光镊技术还被应用于微小颗粒的捕获、排列和显微制造等领域。随着光电器件性能的进一步提高和光镊技术的进步，光镊必将得到越来越广泛的应用。 1.2 光镊技术的发展及应用 光镊是单光束梯度力势阱的简称，是基于光作用于物体的辐射压力和梯度力相互作用而形成的势阱。
1.2.1 光镊技术的背景 1864年，英国数学物理学家麦克斯韦创立了电磁场理论，提出辐射场携带动量，论证了光压的存在，并推导出了光压力的计算公式；1901年，俄国物理学家列别捷夫用悬在细丝下的悬体制成扭称实现了光压力的实验测量；1905年，爱恩斯坦提出了光量子的概念，认为光是一群以光速运动的、既有质量又有动量的光子流；1909年，德拜给出了线偏振电磁波作用于均匀球形粒子的辐射压力的理论，但由于光辐射压极其微弱，同时也因没有足够强的光源，所以无法进行实验研究。直到20世纪60年代，激光的发明给辐射压力的研究提供了高强度、高准直度的光源。 在1968年，苏联科学家Letokhov提出了利用光场的梯度力来限制原子的想法；1969年，美国贝尔实验室的Ashkin等人首次实现了激光驱动微米粒子，此后他又发现微粒会在横向被吸入光束。在研究了这两种现象后，他又利用相对传播的两束激光实现了双光束光阱；1970年，Ashkin等首先提出能利用光压操纵微小粒子的概念，利用多光束激光的二维势阱成功夹起并移动了水溶液中的小玻璃珠，后来这种激光夹持微粒的技术经过不断改进，所能捕获的粒子越来越小；直到1986年，Ashkin等人采用大数值孔径显微物镜会聚单束激光，在水溶液样品池中实现了对介电微球的三维光学捕获。这标志着“单束光梯度力阱”的诞生，简称为“光镊”。 1.2.2 光镊技术的应用 （一）生命科学领域 由于光镊可以实现对生物活体样品非接触无损伤的捕获和操纵，因此光镊技术的应用研究热点主要集中在生物学方面，特别适合于生物大分子、生物细胞的研究，如人们可用光镊对细胞、细胞器及染色体进行捕获、分选、操纵、弯曲细胞骨架、克服分子马达力引起的细菌旋转动力、测定马达蛋白作用力及对膜体系进行定量研究。Ashkin首先将光镊技术应用到生物领域，实现对病毒和细菌的捕获与操纵。利用光镊技术实现激光诱导细胞融合，下图为骨髓瘤细胞融合过程。
光镊原理及其应用 摘要：激光的发明使得光的力学效应走向了实际应用。本文介绍了光镊技术的基本原理及其在生物科学方面的一些应用。 关键词：光镊；光的力学效应；生物科学；应用 1 引言 光镊是A. Ashkin[1]在关于光与微粒子相互作用实验的基础上于1986年发明的。光镊在问世之初被看作是微小宏观粒子的操控手段，并渐渐成了光的力学效应的研究和应用最活跃的领域之一。近20年来光镊技术的研究和应用得到了迅速的发展，特别是在生命科学领域，光镊已成为研究单个细胞和生物大分子行为不可或缺的有效工具。 2 基本原理 光镊的基本原理在于光与物质微粒之间的动量传递的力学效应。对于直径大于波长的米氏散射粒子来说，光镊的势阱原理可以用几何光学来解释[1~3]。如图1（a）所示。入射光线A将光子的动量以辐射压的形式作用于粒子小球，力的作用方向与光线入射方向相同。A经过若干反射、折射后，以光线A’出射。入射光线的辐射压减去出射光线的辐射压为粒子小球所受的净剩力F A。图1（b）为作用力简图，实际力的作用过程较此复杂，A’应为所有（包括反射光透射光）出射光线辐射压的合力，但结果与此相似，小球受轴向指向焦点的力。 对于直径小于激光波长的瑞利散射颗粒，适用于波动光学理论[1]和电磁模型。波动光学理论（也是光镊的基本理论）认为，在光轴方向有一对作用力：与入射光同向正比于光强的散射力和与光强梯度同向正比与强度梯度的梯度力。在折射率为n m的介质中，折射率为n p 的瑞利粒子所受的背离焦点的散射力为[1] F scat =n m P scat/ c （1） 这里P scat为被散射的光功率。或用光强I0和有效折射率m = n p / n m表示为 （2） 对于极化率为α的球形瑞利粒子所受的指向焦点的梯度力为
阅读下文，完成第21～23题。（12分） 九旬美国物理学家阿瑟·阿什金因为发明“光镊技术”,获得 2018 年诺贝尔物理学奖。很多科研界人士甚至压根没听说过“光镊”这种技术。“光镊”虽然内涵深奥，但其实稍加简介就能让普通人建立概念。今天，我们就先试着让大家了解一下这个能够以光的力量来操纵细胞的诺贝尔奖成就。 “光镊”诞生的发想——光之力 伴随着上世纪60年代以来激光束流相关的产生、控制技术的进展，利用光来操作微小物体的“光镊”随之登上了历史舞台。阿瑟·阿什金教授曾在贝尔实验室和朗讯科技公司任职，他很早就开始进行光操控微粒的研究工作，并最终于1986年公开了他的第一代“光镊”。大家都知道光可以协助动物产生视觉，可以为植物提供能量来源，可以加热物体，但是对“光的力学领域”可能并不熟悉。实际上，光镊正是利用了“光的力”（也译为光压、辐射压等等），并诞生了举世瞩目的成果。 什么是“光的力”？ 中学物理中，我们已经了解了光同时具有波和粒子的双重性质，所谓波粒二象性。与人体被飞来的棒球击中后产生冲击一样，光的粒子即光子在接触物体后，同样会对该物体施加力的作用。 你可能会感到奇怪，既然如此，我们为什么没有被强烈的日光或者探照灯击倒在地呢？ 这是因为，光的压力大概仅仅在10亿分之一到100亿分之一N这个数量级，所以说能用肉身感受到光压的人显然是不存在的。 然而，越是微小的物体，就越容易被微小的力所撼动。例如，红血球、细菌一类人体细胞或者微生物等等都对光压非常敏感。来自光的微小压力可以让微小的物体在不受到积压破坏的前提下进行移动。 光镊是如何让光操控微粒成为可能的 具体来说，光镊系统一般由照明光路和控制光路构成。 照明光路负责采集成像所需的信号，而控制光路用来控制和限制微小物体的运动。控制光路的核心是汇聚性能特别好的激光束发射系统。 激光的特性之一就是可以被汇聚到一个十分微小的光斑上，这是普通光源所无法实现的。对于所要操控的微小物体来说，这种激光束汇聚形成的强聚焦光斑会形成一个类似“陷阱”的机构（称为三维光学势阱），微粒将会被束缚在其中。 一旦微粒偏离这个“陷阱”中的能量最低点（即位置的稳定点），就会受到指向稳定点的恢复力作用，好像掉进了一个无法摆脱的“陷阱”一般。如果移动聚焦光斑，微粒也会随之移动，因此便能实现对微粒的捕获和操控。 光镊技术早已大显神通 光镊技术在生物学研究领域已经有了相当广泛的应用，例如将不同细胞挤压在一起，或者向细胞中注入微量物质或者微小物体一类场合，都是光镊大显身手的时机。 又比如，在环境科学领域，经常会有区分水中数种微小物体的需求，利用光镊可以将各种物质在无损条件下容易地分离，给之后的精密分析创造良好的条件。 此外，在操控的同时，鉴于激光波长良好的稳定性和高精度，光镊还可以同时获得大量空间测量数据。 一个有趣的应用实例就是，有研究人员利用光镊测量了驱动蛋白在微管上行走的距离数据，从而推算出驱动蛋白每走一步的能量正好相当于一个ATP水解所释放的能量，堪称光镊操控性和测量性结合的绝好案例。
光镊技术在原子物理和生命科学中的应用与发展 信息工程系 王 坚 [摘要] 激光陷阱和控制、操作中性微小粒子的光镊技术是以光的辐射压原理为基础的，利用光与物质间动量的传递的力学效应形成三维梯度光学陷阱。光压的实际应用在20世纪激光诞生后才得以实现。由于激光突出的高方向性、高相干性、高亮度产生的辐射压高于一般的光，所以使得基于光压原理的光镊能够被发现并运用。光镊能够捕获和操纵微米尺度粒子成为捕获操纵粒子独特且有效的手段，并且这种方法在物理和生物科学等领域掀起了一场技术革命。本文简要回顾了早期光镊技术在原子物理和生命科学中的应用与发展，以及当代光镊技术研究的最新成就。 [关键词] 激光陷阱，光镊，激光 1． 引言 光镊是基于光的力学效应的一种新的物理工具，它如同一把无形的机械镊子，可实现对活细胞及细胞器的无损伤的捕获与操作。光镊的发明正适应了生命科学深入到细胞、亚细胞层次的研究趋势，也为生物工程技术提供了一种新的手段。仅仅20年光镊的应用已展示其在物理和生命科学领域中无限美好的应用前景。 2. 光镊技术原理 2.1光压原理 光镊技术是基于光压原理的，光压原理在牛顿和开普勒时期就已经提出来了但是一直都没有什么应用。光的压力原理早期只有在天文学中有些应用，德国的天文学家开普勒，在17世纪初提出彗尾之所以背向太阳的原因是，其受到了太阳辐射光压的作用力。因为只有在天文学研究中当光的强度和距离都非常大的时候，光压对物质的影响才会明显的表现出来。1873年Maxwell 从光的波动理论角度根据电磁理论推导出了光压的存在（电磁辐射压）并且给出了垂直入射到部分反射吸收体表面的光束的光压为： ()R c E p +=1 其中,E 为每秒钟垂直入射到12m 上的能量，c 为光速，R 为物体对光的反射系数。
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