光的力学效应-光镊原理及应用 《大学物理》系列讲座74页PPT

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i
C
2
e AB cos r
e AB BC cosr
'
c
A

e
B
AC ACsini 2etgrsini
2ne sinr λ δ 2n1e sini cosr cosr 2
sini n u1 sinr n 1 u 2
2e λ δ ( n n 1 sinrsini) cosr 2
凸起
（4）牛顿环 R-e R
e
r
λ 明纹 2e kλ 2 λ λ 暗纹 2e ( 2k 1) 2 2 2 2 2 R r (R e)
r R 2 Re e
2 2 2
R>>e
r 2 R e
2
r
2Re
0
明环半径
r
λ ( 2k 1)R 2
k 1,2,3
例题，已知 =500nm 平行单色光垂直入射 a=0.25mm f=25cm 求:(1)两第三级明纹之间的距离 f
x3 o
（2）第三级明条纹的宽度 解： （1）第三级明条纹满足
7 a sinθ 3 λ k3 2 7λ f x3 7 x3 a sinθ 3 λ si nθ 3 2a 2 f
） 菲涅耳衍射（近场衍射 衍射的两大分类 夫琅和费衍射（远场衍 射）
菲涅耳衍射 光源，屏幕 距衍射屏有限远
夫琅和费衍射 光源，屏幕 距衍射屏无限远
S
P
菲涅耳衍射
（近场衍射） 衍射屏
菲涅耳
圆孔 圆屏 单缝 双缝 单边
衍射
圆孔 圆 屏 夫琅和费
单缝 双缝 单边
衍射

图4 光镊
(b)
测量微粒
布朗运动
的瞬时速
度。(a)实
验装置原
理 图 ;(b)
微的布朗
运动瞬时
速度分布
曲线
1907年，爱因斯坦认为能量均分定理适用于布朗微粒，但是因为单个微粒的瞬时速
度变化太快，所以这个预言难以从实验上直接证明。
2010年，Tongcang Li等人利用两束正交偏振相向传播的光束形成的光阱小球悬浮在
利用光镊捕获微粒，使两微粒在显微镜焦平面附近发生碰撞并直接进行观察。 通过大量的碰撞后两个微粒结合与分散，可得到相互作用的直接信息。
•纳米技术领域
在纳米技术领域，由于光镊能对微米级和纳米级的器件进行非接触 式操纵，因而被用于纳米压印、纳米组装和微纳加工。
图7 纳米组装。a）用光镊将沉在样品池底部的纳米线镊起；b）用光镊将 GaN纳米线和SnO2纳米带镊起，并放置到正确位置，然后用光学激光将二 者熔合。 （Pauzauski等人，纳米器件、电路）
图11 光镊测量细胞膜弹性。(a)光镊拉伸细胞的示意图;(b)用药后细胞膜的变 化量;(c)没有加药细胞膜的变化
图12 光镊技术操控活体动物内的红细胞。 (a)光镊操控小白鼠耳朵毛细血管 中的红细胞示意图;(b)光镊诱导红细胞疏通血管恢复正常血液流动
•分子生物学领域
图13 用光镊操纵单分子体系的模式。（a）单分子的一端粘在光阱中的微球上， 另一端粘在盖玻片上；（b）单分子的一端粘在光阱中的微球上，另一端粘在 吸附在玻璃微针上的微球上；（c）单分子的两端分别粘在两个光阱（双光阱） 中的微球上。
光镊技术的原理及应用
2017年3月22日
光镊技术的定义 原理 实验装置 操纵特点 应用
定义

1985年，朱棣文用两种不同的方法(二维光学势阱和磁光量 子阱)实现原子冷却，温度冷却到2.4×10-4 开尔文(K)。
1986年光镊的出现，才真正实现原子的三维捕获（10-4K）
这项研究促进了玻色－爱因斯 坦凝聚的研究---2001年 诺贝 尔物理学奖——C.E.维曼， E.A.康奈尔，W.克特勒因发现 了“碱金属原子稀薄气体的玻 色-爱因斯坦凝聚”这一新的物 质状态,原子冷却达到了绝对零 度高0.5纳开尔文nK的温度。
反卫星激光武器是一种远程战略激光武器
激光与微小的宏观粒子(介观粒子)相互作用 光 镊 ——单光束梯度力光阱
1986 A. Ashkin 使用高度会聚激光束产生了 非均匀光场，造成r Ashkin在贝尔实验室中
光镊是什么？
光镊 -- Optical tweezers
达因：质量为1克的物体产生1厘米/秒2的加速度 所需要的力0.00001牛顿）
1达因/平方米是标准大气压的亿万分之一 。
1960年激光问世
-----高的光子流密度的激光束
第一台红宝石激光器组件
激光的特点：方向性好，高亮度
例如：10mw的 He-Ne 激光，亮度是太阳的一万倍！
对于一台光强呈高斯型分布，功率为10mw的氦氖激光器发射的激 光束，若光束发散角为2´，把激光聚焦到光学衍射极限光斑(约10-8 cm)，其单位面积的光功率密度将是太阳光的108倍，把一个1微米量 级的电介质小球置于此氦氖激光聚焦点处，小球将会受到106达因的 辐射压力，从而产生105g的加速度 (g为重力加速度)。
P N Lebedev was the first (1901) to measure the pressure of light, confirming predictions based on Maxwell’s equations. He was also the first to show that this pressure is twice as great for reflecting surfaces as for absorbing surfaces. (列别捷夫1901 年基于麦克斯韦方程组首次测量光压力，该压力 一部分从物体表面反射，一部分被物体表面吸收)

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物像基本概念
4.同心光束与光程 ★ 一个发光点或实物点总是发出同心光束，
它与球面波相对应 ★ 一个像点如果由对应的同心光束汇聚而成，这样
的像点称为完善像点
★ 要成为完善像点，必须使入射波面与出射波面之 间光程是相等的：Σ n× d=const
n 介质折射率 d 光线所经过的实际长度
.
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四.材料与色散
3.波像差：以波像差作为像质的评判依据，激光头物镜的设
计中常以此为评价标准；
4.光学传递函数：把物的亮度分布函数展开为傅里叶级数或
傅里叶积分，光学系统的特性就表现为它对各种频率正弦波的传
递和反应能力，于是出现了较全面评价光学系统的新的评价手段-
光学传递函数。在照相物镜设计中已得到普遍采用。
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光学基本知识
两列波相遇时，必须满
足下述条件才能发生干涉：
1.频率相同；
2.振动方向相同；
3.具有恒定的相位差。
右图称为牛顿环，是光干涉 的典型例子。
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二.光的衍射
波在传播过程中，
当遇到障碍物就会偏 离直线传播的现象， 犹如声音可以绕过大 墙，无线电波能够跨 越高山。光在一定条 件下也偏离直线，这 就是光的衍射。
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像差知识介绍
像差：由光线传播定律决定，从光路实 际计算表明，
任意组合的光学系统只能对近轴物点以细光束
成像。随着视场和孔径的增大，成像光束的同
心性将遭到破坏，产生各种成像缺陷。这种成
像缺陷就是像差。
像差分类：
对单色光：球差、彗差、象散、场曲、畸变
对多色光：位置色差、倍率色差
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1.球差

3
光学仪器的发展趋势 随着光学技术的不断发展，光学仪器正朝着高精 度、高灵敏度、高分辨率和自动化等方向发展。
03
波动光学基础
Chapter
波动方程与波动性质
波动方程
描述光波在空间中传播的数学模型，包括振幅、频率、波长等参现象，是波动光学的基础。
偏振现象及其产生条件
干涉仪和衍射仪使用方法
干涉仪使用方法
通过分束器将光源发出的光波分成两束，再经过反射镜反射后汇聚到一点，形成干涉图样。通过调整反射镜的位 置和角度，可以观察不同干涉现象。
衍射仪使用方法
将光源发出的光波通过衍射光栅或单缝等衍射元件，观察衍射现象。通过调整光源位置、衍射元件参数等，可以 研究光的衍射规律。
光的反射与折射现象
光的反射
光在两种介质的分界面上改变传播方向又返回原来 介质中的现象。反射定律：反射光线、入射光线和 法线在同一平面内，反射光线和入射光线分居法线 两侧，反射角等于入射角。
光的折射
光从一种介质斜射入另一种介质时，传播方向发生 改变的现象。折射定律：折射光线、入射光线和法 线在同一平面内，折射光线和入射光线分居法线两 侧，折射角与入射角的正弦之比等于两种介质的折 射率之比。
了解干涉条纹的形成和特点。
衍射光栅测量光谱线宽度
03
使用衍射光栅测量光谱线的宽度，掌握衍射光栅的工作原理和
测量方法。
量子光学实验项目注意事项
单光子源的制备与检测 了解单光子源的概念、制备方法及其检测原理，注意实验 过程中的光源稳定性、探测器效率等因素对实验结果的影 响。
量子纠缠态的制备与观测 熟悉量子纠缠态的基本概念和制备方法，掌握纠缠态的观 测和度量方法，注意实验中的环境噪声、探测器暗计数等 因素对纠缠态的影响。

非衍射光束还包括马提厄光束、
抛物线光束、艾里光束等。
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新型光镊光场
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，如图所示。自加 速光束还有韦伯光束(Weber beam)和螺旋光束(spiral beams)等
从上至下分别为：傅里叶平面光场的振幅分布、 物镜焦平面光场分布和被捕获的粒子在光阱中 运动的示意图
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光镊与细胞生物学
光镊发明初期，Ashkin等[首次用这个新的工具尝试操 纵 细胞和病毒等各种生物样品，并且成功地演绎了光镊捕捉、 拖动、损伤细胞和深入到细胞内部操控细胞的功能。Ashkin 预言“将细胞器从它们正常位置移去的能力，打开了精细研究 细胞功能的大门”。Liang等联合光镊和光刀对细胞和细胞器 进行手术，感慨细胞工具箱里又多了一把镊子，用起来更方便 了。
光镊与单分子生物学
对于直径大于波长的米氏 散射粒子，可采用几何光学的 方法来解释光势阱的形成，如 图。
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光镊的基本原理
对于直径小于波长的瑞利 散射粒子对于直径小于激光 波长的瑞利散射颗粒, 适用 于波动光学理论和电磁模型。 波动光学理论认为, 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于强 度梯度的梯度力。梯度力与 散射力的比值大于1，这样 合力就指向焦点处，能够实 现对微粒的捕捉
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操控动物活体内红细胞
光镊技术操控活体动物内的红细胞。(a) 光镊操控小白鼠耳朵毛细血管中的红细胞示意图; (b) 光镊诱导红细胞疏通血管恢复正常血液流动
该实验将光镊深入到小白鼠耳朵的毛细血管内操控单个或多个红细胞， 利用光阱力聚集多个红细胞堵塞血管，或者用光镊牵引红细胞疏通被阻塞的 毛细血管, 开拓了光镊技术研究活体动物新领域。通过这种非接触式的微创 手术进行的实验取证，为活体研究和临床诊断提供了一种全新的技术。 15

中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验
光镊操控1微米粒子
三维空间 X-Y平面 Z纵方向
悬浮微粒
中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验
光镊– 光陷阱--
光镊操控微粒的现象 尤如宇宙黑洞或吸尘器 将微粒吸入无底的深渊。 阱域、阱深和阱力 对于微小的粒子/细胞,几十纳米-几十微米，光的力学效应 还是非常大的。可以明显看到光阱周边的粒子以很快的速 度/加速度坠入阱中被囚禁，操控的速度相当的快。
中国科学技术大学 国家级精品课程 大学物理实验讲座：光的力学效应系列实验
康普顿效证明。
典型的例子有X光的康普顿散射。 1923年美国物理学家康普顿在研究X射线光子 与自由电子之间的弹性碰撞，解释了实验观察到 的各种现象。在这一弹性碰撞过程中，光子与电 子相互作用，不仅要遵循能量守恒定律，而且要 遵循动量守恒定律。 光子具有动量，这在一些研究物质微观过程中 起着重要的作用。
梯度力光阱原理
单光束梯度力光场
n>n1-小球/液体的折射率 一对典型的光线a和b经
折射后产生力Fa和Fb， 其矢量和F是指向焦点f 处 当小球的球心O和焦点f 间 有偏离时，Fa和Fb的合力F 总是使小球趋向焦点f处，
力F是回复力. 只有光场的梯度大到能保证 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.
1960年激光问世：
-----高的光子流密度的激光束 方向性好，高亮度 光的力学效应能够得到充分展示
10mw的 He-Ne 激光，亮度是太阳的一万倍！ 会聚光束的焦点处 1 微米小球受到的力可达10-6牛顿。
光的力学效应研究进入了一个全新的时代！

11 2008-4-2
光镊系统的组成及操控
王也 90513112
光
镊
系
统 的 基
• 光镊系统通常由激光光源、激光扩束 滤波光路、光镊移动控制环节、位移 检测部分和传统的光学显微镜组成。
本
组
成
2008-4-2
光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳
13
光 镊 系 统 实 物
2008-4-2
光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳
郭佳 90513117
基 本
光的动量是光的一个基本属性
概 • 光不但具有能量，还具有动量。
念 • 光与物质相互作用
交换动量
• 在物体上的力等于光引起的单位时间内物 体动量的改变，并由此引起物体的位移和
速度的变化，称之为光的力学效应。
• 由于光辐射对物体产生的力通常称之为光
的辐射压力，简称光压。
2008-4-2
• 1 分子马达力学特性的研究 • 2 蛋白质折叠与去折叠动力学过程 • 3细胞骨架力学性质的研究 • 4 核糖核酸的H折叠与去折叠
原 理
2008-4-2
单光光镊束技术梯王度也力王学光瑛阱鲁的华菲几郭何佳光学原理图
10 2008-4-2
基 光阱主要是依靠光梯度力形成的， 本 其合力指向光束焦点。 原 当焦点附近 理 梯度力大于
散射力时, 则可以形成 三维光学势 阱而稳定地 捕获微粒。
2008-4-2
光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳
光功率，光阱力与光阱效率成正比。
2008-4-2
光镊技术 王也 王学瑛 鲁华菲 郭佳
25 2008-4-2
光阱效率与小球位移的理论关系曲线
• 光阱效率与以小球位移成正比（在小球半径范围内）

实验装置
激光源、双缝、屏幕。
实验现象
在屏幕上观察到明暗相间的干涉条纹。
理论分析
通过双缝的光波在屏幕上叠加，形成干涉图样。根据干涉条件，可推 导出条纹间距与光源波长、双缝间距及屏幕距离的关系。
薄膜干涉原理及应用
01
薄膜干涉
光波在薄膜前后表面反射后叠加形成的干涉现象。
02 03
原理分析
光波在薄膜前后表面反射时，相位发生变化，当光程差为半波长的奇数 倍时，反射光相互加强，形成亮纹；当光程差为半波长的偶数倍时，反 射光相互减弱，形成暗纹。
光的偏振现象
光波是横波，其振动方向 垂直于传播方向。通过偏 振片可以观察到光的偏振 现象。
几何光学基本概念
光线和光束
光线表示光传播的路径和 方向，光束是由无数条光 线组成的集合。
光的反射和折射
光在两种不同介质的交界 面上会发生反射和折射现 象，遵循反射定律和折射 定律。
透镜成像
透镜是一种光学元件，可 以改变光线的传播方向。 通过透镜可以形成实像或 虚像。
光的色散
色散是指复色光分解为单色光的现象 。牛顿的棱镜实验揭示了光的色散现 象。
02
光的干涉现象
干涉现象及其条件
干涉现象
干涉图样
两列或多列光波在空间某些区域相遇 时，光强在空间重新分布的现象。
明暗相间的条纹，反映了光波的振幅 和相位信息。
干涉条件
两列光波的频率相同、振动方向相同 、相位差恒定。
双缝干涉实验分析
量子光学应用与前景
列举量子光学在量子通信、量子计算、量子精密测量等领域的应 用，以及未来可能的发展趋势和挑战。
06
实验方法与技巧指导
基本实验仪器使用说明
分光计