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集成光镊的原理及应用1. 简介集成光镊是一种利用光学原理实现精确操控微小物体的技术。
它集成了光学器件和微操控系统，能够对微尺度物体进行非接触式、高精度的操控。
本文将介绍集成光镊的工作原理以及在不同领域的应用。
2. 工作原理集成光镊的工作原理基于光学力的作用。
当定向的光束照射到微尺度物体上时，光的动量和光束的光场分布会对物体施加力，从而实现对物体的操控。
2.1 光学力与物体操控在光学力作用下，物体会受到光束的压力。
这种压力可以使物体向光束的中心移动，或者沿着光束的方向旋转。
对于微小物体而言，光学力的作用非常显著，可以实现微米或纳米级别的精确操控。
2.2 光学器件集成光镊采用了多种光学器件来实现对光束的控制和调节。
常见的光学器件包括：•透镜：用于调节光束的聚焦程度和光斑的大小。
•光栅：用于调节光束的相位和方向。
•偏振器：用于调节光束的偏振状态。
通过合理组合和控制这些光学器件，可以实现对光束的精确控制，从而实现对微小物体的操控。
2.3 微操控系统除了光学器件，集成光镊还包括了微操控系统，用于控制光学器件和物体的相对运动。
微操控系统可以控制光学器件的位置、角度和光强等参数，从而实现对光束的精确调节。
通过微操控系统，可以实现对微小物体的平移、旋转、捕获等操作。
3. 应用领域集成光镊在多个领域具有广泛的应用。
下面将介绍几个重要的应用领域。
3.1 生物医学在生物医学领域，集成光镊被用于细胞操作、光学显微成像和微流体控制等方面。
通过集成光镊，可以精确操控细胞的位置和形态，用于研究细胞的功能和相互作用。
此外，集成光镊还可以实现对微流体的控制，如调节液体的流速和混合效果。
3.2 纳米制造在纳米制造领域，集成光镊被用于纳米材料的操控和组装。
通过集成光镊，可以实现对纳米颗粒的精确操控，如将纳米颗粒放置到指定的位置，实现纳米材料的组装和排列。
3.3 光子学在光子学领域，集成光镊被用于光学元件的定位和对齐。
通过集成光镊，可以实现对光纤、光栅等光学元件的精确操控，提高光学器件的性能和稳定性。
光镊的原理和应用1. 引言光镊是一种利用光的特性实现微小物体操控的技术。
它在生物医学、纳米材料学和微机电系统等领域有着广泛的应用。
本文将介绍光镊的原理和应用，并说明其在不同领域中的重要性。
2. 光镊的原理光镊的原理基于光与物质的相互作用以及光场的调控。
通过合理设计光场分布，可以产生光势阱或光力场，从而实现对微小物体的操控。
2.1 光强梯度力当物体遇到光强梯度时，会受到光强梯度力的作用。
此力使物体沿着光束方向移动，类似于光的推动力。
通过调整光场的分布，可以形成光强梯度力，从而实现对微小物体的移动。
2.2 光兽手术光兽手术是利用光镊进行微创手术的一种技术。
通过调控光场，可以使光束在物体中产生高能量焦点，实现对微生物的精确灭活或组织切割。
此技术在眼科手术、癌症治疗等领域有着重要的应用。
3. 光镊的应用光镊在多个领域中有着广泛的应用。
下面将介绍光镊在生物医学、纳米材料学和微机电系统等领域的具体应用场景。
3.1 生物医学领域•单细胞操作：通过光镊可以对单个细胞进行操控，实现细胞的分离、聚合和操作。
这在细胞实验、组织工程和基因研究中具有重要意义。
•药物递送：光镊可以用于精确控制药物的递送。
通过光场调控，可以实现药物的定点释放，提高治疗效果并减少副作用。
•组织修复：光镊在组织修复和再生领域有着重要的应用。
通过光镊可以激活和引导干细胞的分化，促进组织的修复和再生。
3.2 纳米材料学领域•纳米粒子操控：光镊可以用于操控纳米粒子的位置和运动。
通过调控光场，可以实现对纳米粒子的定点聚集和操纵，有助于纳米材料的组装和制备。
•纳米光刻：光镊在纳米制造中的应用也非常重要。
通过调控光场，可以实现纳米尺度的加工和剖析，为纳米器件的制造提供了有效的手段。
3.3 微机电系统领域•微机械操控：光镊可以用于微机械系统中的微小物体操控。
通过调控光场，可以实现对微小机械结构的精确操控和定位，有助于微型传感器和微机械器件的研究和应用。
•光学传感：利用光镊可以实现高灵敏度和高分辨率的微小物体测量。
激光光镊技术及其应用陈 君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。
一、激光光镊的渊源与特点激光光镊技术早期也称为激光捕获技术,它利用聚焦的激光束夹起并操纵细胞、细菌或原子等尺度约在几纳米到几十微米之间的微粒。
早在1969年,光镊技术的发明人贝尔实验室的阿什金(A.Ashkin )就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(当微粒的折射率大于周围介质折射率时)。
在研究了这两种现象之后,他又利用相对传播的两束激光实现了双光束光阱。
1970年,他利用多光束激光的三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。
1985年,阿什金开始采用单光束夹持细菌、病毒等微小生物体,并在1987年利用1064纳米的红外激光成功夹起病毒。
但由于活性体对可视波段激光具有强烈的吸收作用,因此早期实验在对细菌的操作过程中存在活细胞损伤的问题,后来阿什金发现红外光对大多数生物细胞和有机体是相对透明的,所以为了避免损伤活细胞组织,在用于大多数生物研究的光镊装置中以800～950纳米的红外激光配合一定的功率操作。
光镊自诞生以来已在微米尺度量级的粒子操控和粒子间相互作用的研究中发挥了重要作用,成为这一尺度微粒的特有操控研究设备。
由于它是用“无形”的光束来实现非机械接触弹性捕获微粒,因此不会对样品产生机械损伤,又由于光镊的所有机械部件离捕获对象的距离都远大于捕获对象的尺度,是“遥控”操作,因而几乎不干扰粒子的周围环境。
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（3）这样，在焦点处形成势阱的标准为指向焦点的梯度力与背离焦点的散射力之比大于1，即两者的合力指向焦点，即有（4）若粒子小球在横向（垂直于光轴方向）偏离中心位置，也会受到一个指向光束中心的作用力使小球锁在焦点处。
光镊中文名称：光镊英文名称：optical tweezers定义：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。
1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。
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 光镊——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。
